CN1170483A - 采用多个卫星星座的定位和通信系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种适用于空中交通管制的通信和定位系统。在两个与地球同步的星座中提供了多颗卫星。一个星座(例如4颗卫星)具有第一条闭合的地面轨迹。具有不同的地面轨迹或者与地球相对静止的其它卫星(例如2颗卫星)位于第一条地面轨迹的外面。由这些卫星向飞机和地面站发射地球定位信息,以便飞机能够确定自己当前的位置。由基站把一张伪距离校正图提供给飞机,来允许差分地球定位测量。卫星带有通信收发信机,以使飞机能够向其它飞机并向地面站传送话音和数据,并向空中交通管制中心报告自己的位置,例如,通过卫星。这样就在很大的地理范围内得到了高的位置精度。

Description

采用多个卫星星座的定位和通信系统
本发明涉及一种为飞机和其他用户提供定位和通信的改进的装置和方法。
空中交通管制(ATC)系统依靠收集和管理特定地区内的飞机位置和航线的精确信息、通信中的数据和话音信息以及其它发往上述飞机和从上述飞机接收的信息。ATC至少包括通信、导航和监视功能。ATC试图回答以下问题：每架飞机在空间和时间上所处的位置，它将飞往何地以及你怎样给它发送提供导航、天气和安全警戒、着陆指示以及仪表引导着陆(instrument landing)功能(如果需要的话)的话音和数据。所要求的飞机位置信息的精度变化范围很大，这取决于所实现的控制功能。例如，在一般的飞机航线管制的情况下，只需人们对飞机位置的了解精确到103米左右的精度以内，而对于计算机控制下的仪表引导着陆，需要人们对飞机位置的了解精确到1米左右的精度以内。
当前，ATC系统采用陆基雷达来确定飞机的三维位置，采用应答机来提供飞机识别，并采用各种无线通信系统与飞机交换话音和其它消息。仅可以在装备有本地的、基于雷达的仪表引导着陆系统的机场采取仪表引导着陆。沿着主要的飞机跑道装备了各种无线电信标，以便飞行员或机上领航员能够了解他们通常的位置，以及是否他们处于指定的飞机跑道内。当前ATC系统的一些问题是，要做到以下几方面是困难的，或者是不可能的：(i)以一致的精度提供广域覆盖，即，在很大的地理区域内，以一致的高精度跟踪所有飞机，而基本上不扩大地面雷达站网络；(ii)在不具备本地仪表引导着陆系统的紧急(或其它)机场提供紧急仪表引导着陆能力；(iii)具有把精确的飞机位置向ATC站自动的、广域的报告；(iv)具有在广大区域内的任何地方不间断地通信的能力；以及(v)具有一个单一的集成系统，该系统在广大区域上提供了ATC所要求的所有通信、导航和监控功能。正如本文的用法，“广大区域”这个词的单数或复数形式，都指的是包围着105-107km2的量级或更大区域的地区。
全球定位系统(GPS)卫星网络的出现以及低廉的GPS接收机的发展为广域空中交通管制开辟了新的可能。遗憾的是，现有的GPS系统最初是为军事用途而开发的，当用于ATC用途时，具有明显的局限性。例如，当由于几何形状，特别是在卫星停机的情况下，GPS卫星星座里卫星间的角度关系，亦即定位精度被降低时，会出现时差(times)。现有GPS系统的另一个缺点是替换失效的卫星非常困难并且需要时间。再一个缺点是不能保证现有的GPS系统总是工作在它的最大精度。另外，甚至在最佳条件下，GPS要在广大的地理区域内获得理想的1米的精度是非常困难的。因此，当前GPS系统的可靠性、可用性和精度与ATC用途所要求的相去甚远。
图1是根据本发明的最佳实施例，围绕地球的轨道上的地球导航通信卫星以及它们的地面轨迹的简明表示。
图2是表示朝着地球的北极看过去的图1中所示的两个卫星星座之一的不正园轨道的视图，但是不成比例。
图3是表示朝着地球的赤道平面看过去的图2的不正园轨道的视图，但是不成比例。
图4是图解说明本发明的卫星如何发送信号，或与各个地面站和飞机交换信号以及在卫星间交换信号的简图。
图5是根据本发明的最佳实施例的卫星的简明透视图。
图6是根据本发明的最佳实施例的一个卫星电子系统的简明功能方框图。
图7是根据本发明的最佳实施例的一个基站电子系统的简明功能方框图。
图8是响应本发明所提供的卫星的一个飞机电子系统的简明功能方框图。
图9是图解说明一个正在接收的飞机如何采用卫星所提供的位置信息(“NAV数据”)完成导航位置更新的简明流程图。
图10是图解说明一颗卫星如何产生并向一架飞机发出NAV数据的简明流程图。
图11是一张简明流程图，用来图解说明卫星和基站如何共同向飞机提供一张位置信息误差修正图，用于从卫星接收NAV数据。
图12是一张简明流程图，用来根据本发明的第一实施例图解说明基站和卫星怎样共同提供精确的时间信息，用于更新卫星上的星载时钟，并向基站提供卫星位置信息。
图13是一张简明流程图，用来根据本发明的另一个实施例图解说明基站和卫星怎样共同更新卫星上的星载时钟，并向飞机提供一张剩余误差(residual error)修正图，用于从卫星接收NAV数据。
本发明的系统和方法适用于能够接收到本文所描述的卫星信号的任何场合。本文中交替采用的词汇“用户(user)”和“飞机(aircraft)”的单数或复数形式，都指的是任意目标(object)或飞行器，运动的或静止的，空间的或空中的，地面的或水上的，而不仅仅单独指飞机。因此，  “用户”和“飞机”包括本发明的卫星的无线电距离内的所有目标，这些目标包含或连接于用于检测和侦收卫星信号的无线电接收机和信息处理器，目的是在其它事物(things)中确定自身的位置。
正如本文中所用的那样，词汇“与地球同步”是用来表示大体上具有24小时轨道周期(即一个恒星日)的卫星轨道，以便该卫星或者基本上停留在地球表面的某一预定位置的上空(即与地球相对静止)，或者在仅仅包围地球表面的一部分上的地球表面上画出一条完整的轨迹。与地球同步或者大体上与地球同步的卫星通常沿着环绕地球的圆形或椭圆形空间轨迹运转。在每个恒星日结束的时刻，地球同步卫星位于地球表面与以前的恒星日大体上相同的一点。正如本文的用法，“地面轨迹”一词的单数或复数形式，都是用来代表地球表面上的那条假想路径，随着卫星环绕自己的轨道运动，并随着地球旋转，通过一个从地球中心向卫星延伸的向量的插入来跟踪这条假想路径。
图1表示了带有空中交通管制(ATC)系统2的地球10的图象，该系统2包括大体上与地球同步的轨道中的第一卫星星座12和第二卫星星座16。图2(地极视图)和图3(赤道视图)是表示星座12的最佳轨道高度的简明示意图。图2-3都不成比例，也不想精确地表示各个轨道间的相对尺寸以及地球或卫星地面轨迹间的相对尺寸。除了空中交通管制以外，系统2能够用于各种情况，并且正如本文的用法，词汇“空中交通管制”和缩写词“ATC”试图包括系统2及其卫星和基站的所有用法。
为了便于解释，把星座12描述为包含4颗卫星，并且把星座16描述为包含2颗卫星，但是，如果用户可以看到的卫星的全部数目足以允许他们根据从卫星的组合接收的信号确定自身的位置，那么上述每个星座中就可以包含更少的或更多的卫星。因此，不想把“星座12中4颗卫星和星座16中2颗卫星”这句描述作为限制，而仅仅是作为举例。
参照图1-3，卫星星座12包括卫星121、122、123、124，它们位于相对于地球赤道平面20的倾斜轨道221、222、223、224中，并在地球同步轨道上运行。地球同步轨道221、222、223、224方便上(但非本质上)是同样形状，相对于赤道平面有相同倾斜角21，并且在空间上同方向，以便它们的主轴在赤道平面20上的投影221’、222’、223’、224’相隔相同角度Φ＝360/4＝90°。一般地说，在星座12中存在N颗卫星的地方，希望Φ＝360/N。任意数目的卫星121-12N可以组成星座12，但是至少需要3颗，希望最好有4颗卫星。
依据所选择的轨道参数，卫星121-12N能够在地球表面上具有相同的地面轨迹。该地面轨迹可以是圆形的、椭圆形的，或者具有各种对称的或非对称的闭合形状(例如，8字、泪珠、蝴蝶结领结等)。为了便于解释，在图1中把星座12图示为具有经度宽3和纬度高5的椭圆形地面轨迹14。地面轨迹14的尺寸、形状和位置以一种技术上众所周知的方式取决于星座12中的卫星121-12N轨道的倾斜角和其它参数。30-180度范围内的经度宽度是可用的，40-100度是更合适的，并且50-70度是最佳的。通常根据所需覆盖区域的南、北限制来选择纬度高度，通常以大约同样角度范围是适用的。倾斜的轨道适合于具有一个相对于赤道平面的倾斜角：角度范围10-70度内是可用的，20-40度是合适的，25-35度是最佳的。
一组典型的轨道参数的例子是：(i)一个相对于赤道平面30°左右的倾斜角(见图3中的角度21)；(ii)一个0.28左右的偏心率(偏心率＝((A2-B2)/A2)1/2，这里A和B分别是主轴和副轴长度的一半)；(iii)在近地点大约23.8×106米的高度，(iv)以及一个在远地点大约47.3×106米的高度，以及(v)90°左右的近地点俯角(上升节点(node)与近地点间的角度)。这定义了轨道221-22N之一。如图2所示，以环绕极点向量24的360/N的方位角来定向其它的轨道。当上文解释的轨道参数应用于如图2所示那样排列的4颗卫星时，这产生了椭圆形的地面轨迹14，该轨迹居于赤道的中心，并具有大约63°的经度宽度3(见图1)和大约60°纬度高度5(见图1)(例如与赤道呈±30°)。
还提供了描述地面轨迹18并包括卫星161、162的第二星座16。在星座16中仅画出了两颗卫星161、162，这只是为了便于解释，并不想把它作为限制。在星座16中能够提供任意数目的卫星161-16M。在星座12包含3颗或多颗卫星的地方，希望星座16至少包含1颗卫星，最好是包含2颗卫星，也就是说，大约是星座12中卫星数目的一半。但是，可以颠倒星座12和16中卫星的数目的比率，也就是说，星座16能够比星座12具有更多的卫星。最佳方案是在星座12中至少有4颗卫星，在星座16中至少有2颗卫星，或者反之亦然。
星座16描绘了通常具有经度宽7和纬度高9的地面轨迹18。星座12中卫星的轨道配置的结论还适用于星座16的卫星，但是轨道参数需要更新，以便地面轨迹18最好位于地面轨迹14之外的所有地方。这需要保证卫星相对于用户的相对位置，在任意时刻在覆盖区域内的任何地方都能得到良好的位置固定，也就是说，不存在不确定的位置或时间。
根据轨道参数，地面轨迹18可以是任何闭合路径。在最佳实施例中，星座16的轨道平面被排列为基本上平行于赤道平面20。星座16的卫星161、162正在地球同步轨道中运转。当它们的轨道平面平行于赤道平面时，它们的地面轨迹在两个点相交，并且卫星161、162似乎基本上静止在赤道上预定地点的上空，如图1所示，也就是说，它们基本上是与地球相对静止的。如果星座12的卫星121-124具有上文提供的例子所图示的轨道，那么，第二个星座16的卫星161-162理想地与地球相对静止地处于赤道上空，位于地面轨迹14的任一侧。卫星161、162一般在地面轨道14的任一侧相隔大约10°-15°的经度，但是可能具有更大或更小的间距，这取决于地面轨迹14的宽度3。一般地说，宽度7应不超过大约160°经度。
为了便于解释，星座12中的卫星121-12N以及星座16中的卫星161-16M一般被称为“卫星40”(见图5中一个典型卫星的例子)，并且基站261-26N一般被标记号26表示。再来看图1，卫星40相互之间直接通过卫星间通路13进行通信，通过通路15与飞机28进行通信，并且通过通路19与地面站261、262、263进行通信。可能存在任意数目的地面基站261-26N，出于方便起见，把它们集中表示为“地面站26”。地面站26还可能通过通路17与飞机28进行通信。为简明起见，在图1中只包括了这些多条通信链路或通路13、15、17、19中的几条，但是，一般来讲，所有卫星40能够通过通路19与所有地面基站26进行通信，并且能够通过通路15与一架或多架飞机28进行通信，并且能够通过卫星间通路13相互进行通信。飞机28能够通过通路17与地面站26进行通信，但是一般仅直接与地面站26中那些距离最近的地面站通信。飞机28和地面站26间(或与其它地球基站，或与其它飞机)的通信经过卫星40方便地发生。
图4是带有示范性卫星40的ATC系统2的简明表示(未按比例)，表示了为了给ATC和其它用途提供通信、导航和监视功能，在星座12和16的卫星与各种地面设备及飞机间的各种各样的通信模式。卫星40通过类似于图1中的链路19的链路31、33与其它地面站30以及其它设备，；例如机场塔台32进行通信。除了通信链路13、15、17、19、31、33之外，或作为这些通信链路的一部分，卫星40播发导航息信号34，本文称之为“NAM数据”(信号)，由飞机28和地面站26来接收该信号。还能够由地面站30、32来接收NAM数据信号，但这对于本发明并不重要。
图5是示范性卫星40的简明透视图，代表星座12、16中卫星121-12N、161-16M中的任何一颗。如图5所示，相对于指向地球中心的向量42，卫星40被适宜地在空间中定向。卫星40适宜地包括主体44，太阳能阵列46附装于其上，用来提供电能。太阳能阵列46最好位于卫星主体44朝向远离地球的那一端。卫星40适宜地具有位于其上部48的自己的推进和电能分系统、位于中部50的自己的通信和导航负载(如图5所示，一块保护板被打开，显露出主体44的内部)。在卫星主体44的朝向地球的那一端52，有被展开的各种各样的通信天线54。例如，相控阵天线56向飞机28、地面站26、30、32以及其它用户提供最初的通信。导航负载天线58被用来播发NAM数据。天线60、61、62适宜用来提供遥测、跟踪、控制以及卫星间通信。技术人员将懂得怎样根据为通信、信令而选择的频率以及这种通信和信令需要发生于其间的距离来设计这些各种各样的天线。图5图解说明卫星40的一种特别适宜的设计的同时，其它能够实现同样功能的卫星结构也是适用的。
图6是卫星40的通信和导航电子系统66的简明功能方框图。电子系统66包括通过总线71与存储着程序和数据的存储器72相连的中央处理器70。处理器70通过总线73连接到输入/输出(I/O)装置，从而各种命令、程序、数据和其它信息可以经过处理器70被加载到存储器72中，并且通过处理器70，信息可以被耦合到其它的卫星分系统。处理器70被通过总线75连接到星载(on-board)时钟76，并且通过总线77连接到电源管理器78。星载时钟76与处理器70共同起作用，来控制由卫星40的电子系统66播发的各种信号的时序。为了节约一直作为卫星中的稀有资源的卫星能量，电源管理器78与处理器70共同来降低电能消耗。处理器70通过总线79与分别与天线81、83、85、87相连的通信和数据收发信机(无线)80、NAV数据接收机(无线)82、NAV数据发射机(无线)84以及遥测、跟踪与控制收发信机86进行通信。为了便于解释，无线电装置80、82、84、86被表示为与独立的天线81、83、85、87相连，但是技术人员将懂得，当无线电装置工作在相同或兼容频率时，如果需要的话，天线可以被共享。另外，NAV数据接收机(无线)82、NAV数据发射机(无线)84以及相应的天线83、85可以被组合成由虚线表示的单一的NAV数据收发信机(无线)86。在所有卫星40将包含NAV数据收发信机84和遥测、跟踪与控制收发信机86的同时，不需要所有卫星具有通信和数据收发信机80，该收发信机80最初被用来通过卫星40转发各种地面站和飞机间的信息以及各种飞机间的信息。收发信机80还能够被用于卫星间通信(通常是通过一根独立的天线)，但是还能够为此用途提供一个独立的收发信机。CDMA、TDMA、FDMA、AM与FM及其组合是适当的调制技术的例子，由卫星40、飞机28以及地面站26、30、32上的各种发射机、接收机以及收发信机所发射和接收的信号采用了这些调制技术。
图7是根据本发明的最佳实施例，基站26的通信和导航电子系统88的功能模块图。电子系统88包括控制基站26的电子系统88工作的处理器90。处理器90通过总线91连接到包含程序和数据的存储器92。处理器90通过总线93连接到输入/输出(I/O)装置94。I/O装置94适宜地包括数据输入设备，例如(举例但不局限于此)，键盘、操纵杆、鼠标器以及其它技术上众所周知的装置，以及显示设备，例如各种可视化显示。I/O装置94还需要包括与相同或其它位置处的其它基站和其它通信装置进行通信的端口。处理器90通过总线95连接到主时钟96，并通过总线99连接到分别与天线101、103、105、107相连的通信和数据收发信机(无线)100、NAV数据接收机(无线)102、NAV数据发射机(无线)104以及遥测、跟踪与控制收发信机106。正如图6所注明的那样，NAV数据接收机102、NAV数据发射机104可以与它们的天线组合在一起，在图中用虚线108表示。
基站26的电子系统88的主时钟96与卫星通信有效载荷66中的星载时钟76的区别在于，主时钟96明显具有更好的长期稳定度。铯和铷原子钟适用于主时钟96。与之相比，星载时钟76可以是一个简单的温度控制石英晶体或其它带有比较功能的参考频率源。正如下文将要解释的那样，主时钟96被用来周期性地修正或补偿每颗卫星40的星载时钟76。一般来讲，提供了多个基站26。从这些基站中选择一个基站充当主基站26’，其时钟96充当整个基站-卫星系统的主时钟。在描述电子系统66、68工作的流程图—图10至图13中更详细地解释了由图6-7中的电子系统66、68完成的功能。
图8是响应由例如卫星40所提供的信号的飞机通信与导航电子系统108的简明功能模块图。飞机电子系统108包括通过总线111连接到适于存储程序和数据的存储器112的处理器110。处理器110通过总线113连接到输入/输出(I/O)端口以及适合于由飞机的乘务员和其它飞机分系统使用的装置114。处理器110通过总线115连接到时钟116，并通过总线119连接到分别与天线121、123相连的通信和数据收发信机(无线)120以及NAV数据接收机(无线)122。依照图9中所示的流程图将更全面地理解由飞机电子系统108所完成的功能。除了本文所描述的采用NAV数据确定飞机位置并自动把飞机位置发送给监控站的功能之外，飞机电子系统108通过采用技术上已知的适当软件来完成航线预报(导航)、通信(从ATC中心和其它飞机发出并接收消息)以及通用处理器110能力范围的各种其它众所周知的操作。
图9是一张简明的流程图，用来图解说明接收飞机的电子系统108怎样采用由星座12、16的卫星40提供的位置信息(“NAV数据”)来完成导航位置更新过程130。“完成导航位置更新”过程130包括步骤132，在该步骤中，NAV数据接收机122(见图8)通过天线123从卫星40接收NAV数据。在最佳实施例中，NAV数据等同于或类似于由当今被美国政府置于轨道中的GPS卫星提供的位置信息信号。采用等同于或类似于当前的GPS信号的位置信息信号作为NAV数据是有益的，这是因为已经开发好了把这种信号转换为本地位置信息的技术。然而，在这些GPS卫星中，省略了能够由美国政府插入的可选的高频振动信号(dither signal)。可以包括一种个人加密方法，因而把一种解密设备提供给授权的用户，而不提供给非授权的用户。例如，当想要把对所发明的卫星ATC系统的使用权局限于那些帮助支付其费用的赞助用户而不授权普通用户时，这种加密方法是有用的。
与之同时，或先于在步骤132中接收卫星NAV数据，飞机电子系统108已经接收了一个卫星NAV数据误差修正图，如步骤134所示，并且把这个图存储在本地存储器112中，如步骤136所示。在步骤138中，检索NAV数据误差修正图，并在步骤140中，把该图与在步骤132中得到的接收到的卫星NAV数据进行组合，采用来自步骤132的卫星NAV数据以及来自步骤138的误差校正图对当前的飞机位置进行测量。由NAV数据接收机122来适宜地提供步骤132，由通信和数据收发信机120来提供步骤134，并且由与飞机电子系统108的存储器112和时钟116协同工作的处理器110来完成步骤138和140。因为从卫星NAV数据得到定时信号的方式与把它们从当今GPS信号中提取出来的方式相同，所以不需要飞机系统108的时钟116是一个高精度时钟。
用于确定飞机位置的飞机电子系统108的工作方式基本上与采用当今GPS系统进行差分GPS测量的方式相同。在差分操作中，通过采用从准确知道地理位置(例如基站26)的一个或多个基站中得到的误差数据来修正在步骤132中直接从卫星40接收到的NAV数据信号中内在的位置不确定性，上述基站正在从相同的卫星40在基本上与测量飞机相同的时刻接收大体上相同的NAV数据信号。卫星40处于地球上空平均高度大约为35×106米的大体上与地球同步的轨道中。因此，沿着卫星到基站的通路19的无线电信号的角误差与沿着卫星到飞机的通路15的无线电信号的角误差，通常在角度方向上最多只相差几度。结果是，差分修正能够应用于在飞机上接收到的卫星NAV数据信号，该飞机与提供该差分修正信息的参考基站相距很远的距离(例如，＞106米)。差分修正允许得到更高的精度。图11中更详细地解释了这一点。
再来看图9，在步骤142中，把在步骤140中从由步骤132和138所提供的信息中推导出的当前的测得的位置与在步骤144中从存储器112中选择的当前的预期位置进行比较。步骤142的输出是导航误差，即预期的当前位置与实际位置间的差别，预期的当前位置是由飞机的导航系统产生的，利用卫星NAV数据与上文所描述的误差校正图的结合来测得实际位置。在步骤146中，这个导航系统误差信息被用来修正星载卫星预测器，该预测器是飞机导航系统的一部分。手动地或自动地来完成这一步骤。飞机导航系统包括导航软件(例如，运行于处理器10上或别的地方)和从星载传感器得来的航向和速度信息，导航软件根据已知的过去的位置提供位置预报。在步骤148中，飞机的导航系统或导航器根据更新的位置，产生并存储更精确的预期的未来位置或航迹，目的是当一组新的NAV数据已经被电子系统108接收到时，随后在步骤144中对上述位置和航迹进行检索，并且进行进一步的更新。
在同时或随后的时间，在步骤150中需要利用比较步骤142的结果向空中交通管制报告当前测得的飞机的位置。特别需要自动进行该报告步骤150并频繁更新，例如，1分钟左右1次。这是为使ATC系统在其覆盖区域内能够高精度地并随时掌握每架飞机的位置(和航线数据)。在关键的飞行动作期间(例如某些着陆和起飞)，需要更频繁的更新。
可以通过飞机28和地面站26、30、32间的直接链路17(见图1)或经由链路15、19或15、13、19，利用卫星40来完成报告步骤150。为了在下一组由电子系统108接收到的卫星NAV数据上开始动作，该过程通过图示的路径151循环到步骤132。如果需要的话，一个查询步骤(未表示)可以被插入路径151，以便在又一次自动完成导航更新过程130之前，系统108等待，直到已经确认接收到了一组新的卫星数据。
本发明的一个突出优点是：它自动向ATC系统提供自主的位置信息，该ATC系统能够被用来代替用于监视的陆基雷达数据。这允许ATC系统在由上述轨道中的卫星提供的整个广阔覆盖区域(例如105到107km2或更大)中以高精度(例如，接近1米)来了解卫星在三维空间中所处的位置。广域覆盖与在整个覆盖区域内高分辨率的结合，以及增强的通信能力使身处数千里以外的远程定位ATC操作者有可能使一架飞机在没有装备任何本地仪表引导着陆系统的机场实施仪表引导下的着陆。这是一大优点，改善了空中交通安全。
图10是“发送卫星NAV数据”过程160的简明流程图，该图图解说明了卫星40如何产生并向飞机28发送NAM数据。“发送卫星NAV数据”过程160包括步骤162，在步骤162中，卫星40从主基站26’接收时钟和位置更新数据。主基站26’是基站26中的一个，它已经被指定用来充当所有卫星星载时钟76的主控制器。一般地说，希望采用其时钟96代表最高时间稳定度的那个基站。但是，所有基站26可以带有主时钟，以便在系统中存在冗余度，并且担当主基站的责任能够被轮流。
在步骤162中接收到的信息被用来在步骤164中更新卫星电子系统66的星载时钟76(见图6)。在步骤166中，从卫星电子系统66的存储器72中调出NAV数据的某一预定格式。在步骤168中，步骤164和166的输出被用来产生当前的卫星NAV数据，例如以基本上与由现有GPS卫星系统产生卫星NAV数据相同的方式，采用技术上众所周知的手段。在希望本文所引用的NAV数据类似于现有GPS卫星所采用的信号的同时(因为已经开发出了与此有关的技术)，还能够采用能够被接收飞机和地面站译码，提供了相同或更高精度的位置信息的任何信号类型。NAV数据格式以及NAV数据内容将取决于用户对位置分辨率和精度的需要。根据本文给出的描述，技术人员将懂得，如何选择NAV数据格式以及NAV数据内容来提供具有足够的位置分辨率和精度的NAV数据，来适应自己的特定需要。希望从每颗卫星接收到的NAV数据信号包括一个用来相互区分的唯一的标识器或其它装置。
在步骤170中，向飞机28和基站26发射在步骤168中产生的当前的卫星NAV数据。如路径171所示，需要完成查询步骤172来确定是否已经从主基站接收到了一个新的时钟更新。如果对询问的回答是“否”，那么如路径173所示，卫星系统66继续采用当前的星载时钟时间来重复步骤168和170。如果对询问172的回答是“是”，如路径175所示，该过程循环返回到步骤164，其中：由最新从主基站接收到的时钟更新信号来更新星载时钟，并且在步骤168中，基于上述时钟更新信号来产生一组新的NAV数据，并且在步骤170中，再次把这组新的NAV数据发送给飞机28和基站26。最好连续地重复过程160(或者经由路径173的它的一个子集)，以便在一个基本上连续的基础上，对于所有工作在卫星40范围内的飞机，卫星NAV数据是可用的。
图11是一张简明的流程图，它图解说明卫星40和基站26如何共同合作来完成过程180，向从卫星40接收NAV数据的飞机28提供一张误差修正图。卫星66中的过程180包括类似于图10中的步骤166的步骤182，在步骤166中，NAV数据格式被调出。在步骤184中，卫星电子系统66根据星载时钟76来确定时间。可以以任意次序或并行地执行步骤182、184，并且图11中的182-184这一顺序只是为了便于解释，并不局限于这一顺序。处理器70(见图6)采用在步骤182和184中得到的信息，以与处理器70在图10的步骤168中产生当前卫星NAV数据非常相同的方式，在步骤186中产生NAV数据。在步骤188，卫星40播发卫星NAV数据，以便自己能够被基站26接收到。应该牢记，与图10中所示的过程160的步骤以及过程180的步骤182、184、186、188有关，卫星40中的每一颗实际上在连续的基础上完成相同的操作，并发射适合于它们自己的惯性空间中的各个位置的NAV数据。这样，能够由所有基站和工作在卫星40范围内并装备有适当的机载电子装备108的任何飞机，从所有卫星接收在图10的步骤107和图11的步骤188中发出的NAV数据。在卫星40中，完成被包围在图11中虚线192内的步骤，并且主要在基站26内基本上完成包围在图11中虚线194里的步骤。为了产生精确的伪距离测量，例如在当今GPS接收机所采用的信号跟踪方法能够被用来组合载波相位和代码鉴相器信息。如图11中的路径189所示，由链路19上的无线电通信来建立卫星40和基站26间的连接。通过卫星电子系统66中的处理器70、NAV数据发射机(无线)84以及天线85的组合来完成过程180中的步骤188，如图6所示。
参照图7和图11，基站电子系统88的天线103、NAV数据接收机102以及处理器90从卫星40接收NAV数据信号，并在步骤190中由该卫星NAV数据来确定卫星伪距离(pseudo ranges)。这出现在每个卫星40的每个基站26中。基站电子系统88中与存储器92协同工作的处理器90周期地计算预期的卫星位置和距离，在步骤196中这个信息被调出，并且在步骤198中把预期的卫星距离与测得的伪距离进行比较，以得到伪距离和时钟误差。在步骤200中，向主基站26’报告由各个基站261-26M确定的误差。除了位置信息之外，来自每颗卫星的NAV数据包含由本地卫星时钟测得的时间上的信息。基站电子系统88将包括在NAV数据中的卫星时间与由主时钟96保存的时间进行比较，并且在步骤202确定一个时间修正信号，来修正或补偿每颗卫星40的星载时钟76。在步骤204发出这个修正或补偿信号，以便在步骤206中可以接收到它，并且该星载时钟可以被修正，如步骤208所示。步骤208对应于图10中步骤162、164的组合。
在步骤210中，主基站电子系统88的处理器90，采用在步骤200从每个单独的基站接收到的信息来准备一张在可看到卫星40的地理区域中特征化NAV数据的误差的图。该误差图在从各个基站26处得到的误差数据中插入值。这基本上是与目前流行的差分GPS接收机的工作方式相同，也就是说，计算从卫星NAV数据中得到的伪距离与存储在存储器92中的基于卫星的高精度轨道模型的实际距离间的差值，由处理器90通过过程220周期性地更新上述实际距离，如图12所示。该误差图为传播路径干扰提供NAV数据补偿。举例来说，如图12-13所描述的那样，通过更新卫星星载时钟来修正由于卫星时钟漂移以及天文历误差所造成的第一级误差。
带有卫星星座和轨道选择的上述过程的组合用很少的卫星(例如4-6颗)和很少的参考基站(例如1-3颗)在广阔区域上(数十到数百百万平方公里)基本上提供了一致的高位置精度(例如，接近1米)。对于当今的GPS系统，这个结果是不可能的。本发明的另一个优点是它提供了高定位完整性，即，没有阻碍高可靠位置确定的卫星几何形状。本文描述的卫星星座和轨道一直提供了不中断地从覆盖区域中的4颗到6颗卫星接收NAV数据的能力。当今的GPS系统不具备这种能力。
了解了感兴趣的区域内的3个或多个基站处的伪距离误差，处理器90能够采用技术上众所周知的方法计算在卫星覆盖区域的其它部分内的位置处的预期伪距离误差，该位置不同于准确的基站位置。这样就形成了误差修正图。在步骤210，把该误差修正图发送给飞机28。能够通过通路17上的直接传输，或通过经由通路19到一颗或多颗卫星，以及经由通路15从卫星40到飞机28的间接传输，或通过采用任何其它可用的通信工具来完成误差修正图(包括适当的时间标志)的传输。因为每个误差修正图具有一个与其相关的基于主时钟96的时间标记，所以精确的传输路径不影响该图的精度。
如路径211所示，过程180循环往复。可以把一个时延查询(未表示)插入路径211中，以控制准备新误差修正图间的时间间隔。因为本发明的卫星正在相对于用户以比常规的当今GPS系统中的卫星慢得多的速度移动，所以不需要1分钟接着1分钟地更新误差修正图。据估计，每两小时左右更新一次误差修正图足以说明卫星运动。遇到气候不稳定，太阳爆发高度活动，或在其它反常情况期间，可能需要更频繁的更新。
图12是一张简明流程图，用来根据本发明的第一个实施例图解说明过程220，为了更新卫星中的星载时钟并且为了向基站提供卫星位置信息，基站和卫星共同提供精确的时间信息，以便能够修正基站轨道预测器。过程220包括步骤222，其中，所有基站26全都向卫星40发送基站NAV数据。如果至少有3个，最好有4个基站，那么能够在卫星中计算位置信息。由基站26来完成虚轮廓线223以外的那些步骤，并且在卫星40中完成虚轮廓线223之内的那些步骤。在步骤224，每颗卫星从基站NAV数据(假设4个或更多的基站)来计算自己当前的位置和精确的时间数据。采用与当今GPS接收机根据来自GPS卫星的NAV数据信号确定时间和接收机位置相同的方式来完成这个计算。在过程220，信号并不是从具有已知位置的卫星去往一个本身位置有待测量的陆基用户，而是从具有已知位置的基站去往一个本身位置有待测量的卫星。在步骤226，采用步骤224中产生的精确的时间数据，根据基站电子系统88的主时钟96来更新星载时钟76。在步骤228中，每颗卫星把自己当前的位置和位置时间基准发射给基站26，并且在步骤230中，这个信息被用来根据存储在程序存储器92中的航线，更新由处理器90执行的“预期轨道位置预测器”。接着步骤230，提供延时询问232，以确定是否预期轨道预测器的重复修正延时已经过期。如果尚未过期，那么引入等待步骤234。如果已经过期，那么如路径233所示，该过程循环并在步骤222处重新开始。
图13是一张简明的流程图，用来根据本发明的另一个实施例图解说明过程250，在过程250中，基站26和卫星40共同更新卫星40上的星载时钟，并向从卫星40接收NAV数据的飞机28提供一张剩余误差修正图。在该最佳实施例中，由基站来完成虚轮廓线252、254内的步骤，并且由卫星来完成虚轮廓线256内的步骤。过程250的基站部分被分为由虚轮廓线252、254所指示的两个子过程。轮廓线254内的步骤与轮廓线256内的步骤结合在一起组成了时钟补偿反馈装置258，该装置基本上连续地运行，或至少以足够频繁的时间间隔来补偿等效效果的短期时钟漂移或误差，例如来自于卫星信号传播路径中的变化。反馈装置258的用途是保持接收到的卫星NAV数据信号的出现时间精确地与主基站时钟同步，并且这样来补偿由于卫星轨道扰动造成的传播延时中的变化，以及由于星载卫星时钟内的漂移造成的卫星发射出的信号相位的变化。
轮廓线252内的步骤的用途是产生并向飞机28发送一张差分剩余误差修正图，由飞机电子系统108(见图8)以图9中所描述的方式来使用该图。这允许飞机28在卫星40的覆盖区域内的任何地方得到高精度的定位(例如大约1米或更好)。
过程250包括步骤260，其中：基站26从卫星40接收NAV数据信号的方式与图9中步骤132中的飞机28从卫星40接收NAV数据信号的方式相同。通常由所有基站和所有用户来接收卫星40所发射的NAV数据。在步骤262，由基站处理器90用这样一种方式来分析所接收到的卫星NAV数据，这种方式与分析常规GPS信号以确定每个卫星的星载时钟时间和主时钟时间间的差别的方式相同。例如，来自卫星40的NAV数据包含基于由星载时钟76所保存的时间的时间信息。因为NAV数据具有某一预定结构，例如与GPS信号结构相仿，并且因为卫星40的轨道轨迹是已知的，所以基站26能够确定卫星时钟时间与基站时钟时间间的差别。该时间差别受到卫星距离误差的影响，该卫星距离误差在GPS类系统中等效于时间误差。
在步骤264，为了与主时钟96处于同步，或至少与其具有一个已知的偏离，处理器90计算一个被发射给卫星40的修正量，允许卫星40中的处理器70更新自身的星载时钟76。在最佳实施例中，为了消除例如由轨道变化所引起的星载时钟漂移和第一级距离误差，来选择该修正量。例如，这是通过补偿星载卫星时钟来迫使在主基站处接收到的NAV数据信号与主基站时钟同步来完成的。
可以在每个基站26或仅在担任主基站26’的基站或两者的组合来进行误差判定。在多个基站执行这些步骤的地方，在步骤266之前，需要在主基站中组合这些结果，在步骤266中时钟补偿信号被发送到这些卫星。通过通信和数据收发信机100或跟踪、遥测和控制收发信机106方便地发出这些时钟补偿信号，这里，由卫星40中相应的收发信机80或86来接收上述信号。一般来讲，这些时钟修正信号被寻址，以便卫星40中的每一颗能够识别发往它的信号。
在步骤268，卫星电子系统66接收在步骤266中发射的时钟补偿信号，并根据它来更新星载时钟76。在步骤270，卫星40根据更新后的(补偿后的)时钟时间来发送NAV数据。正如反馈路径271所示，由基站26(和飞机28)接收NAV数据，并且反馈装置258重新开始运行。在最佳实施例中，反馈装置258连续运行。技术人员将懂得，为了控制反馈装置258的更新速率，根据本文的描述，延时能够被插入步骤260-270中的各个步骤中。因为基站26和卫星40间的长传播时延(例如，大约0.25秒)，所以1秒左右的更新速率适合于反馈装置258。
与反馈装置258并行运行的是在轮廓线252内表示的误差修正图产生过程。一般来讲，与反馈装置258的重复迭代相比，不需要更频繁地产生新的误差修正图。由反馈装置258自动地修正粗略的定时和距离误差。因为卫星40一般正在比较慢地相对于飞机28运动，所以剩余传播误差(误差修正图打算要去掉该误差)仅缓慢地变化。这样，仅仅需要以例如10-1-10-2乘以反馈装置258重复(iterate)的速率或更低的速率来发射误差更新，但这不是实质性的。
在步骤274，在步骤260中接收到的NAV数据被用来获得卫星40和地面站26间的伪距离，例如，其方式基本上与相应的GPS信号的方式相同。在步骤276，把在步骤274中得到的伪距离与由步骤278提供的卫星方向向量信息组合在一起，并且把上述伪距离与基于卫星轨道和方向向量的知识以及已知的地面站26的位置的预期距离进行比较，沿着卫星方向向量为每颗卫星，并且最好为每个地面站计算一个差分伪距离误差。在步骤280，由每个基站收集的有关每颗卫星的剩余差分误差信息被发送到充当主基站的基站，并且在步骤282，把收集到的误差信息进行组合，以构成由卫星40覆盖的地球区域的一张伪距离误差校正图。例如，这个误差校正图提供距离量，在卫星覆盖区域内的任意地点，从由每颗卫星的一个用户确定的伪距离中加上或减去该距离量，来消除剩余NAV数据距离(和位置定位)误差。
根据上文的描述，本发明解决了很多以前出现的问题，并具有正如本文随后所指出的确实存在的优点，这一点对于技术人员来说将是明显的。所发明的卫星网络在飞机之间、飞机和地面站之间以及与远程定位地面设备间提供了话音和数据通信。集成在同一基于卫星的通信网络内的通信、导航和地球定位(geolocation)功能大大简化了ATC系统的设计、应用和运行。能够在包围着数百百万平方公里或更大的卫星覆盖区域内控制数千架飞机。
所发明的系统在非常广阔的区域上(105-107km2或更大)为数千架飞机或其它目标提供了高位置精度(接近1米)。所发明的系统提供了地球定位的高完整性(即，非不适宜的卫星角度)采用卫星通信能力或其它手段以高精度自动向ATC系统报告每架飞机的位置。在广阔区域上高精度的组合独立于本地雷达和其它传统的位置确定系统，这意味着实际上能够不依赖气候条件，并在任何可用的机场(不管它是否装备有仪表引导着陆)完成遥控仪表引导着陆。飞机上和ATC中心的精确的位置信息提供了改善的导航精度以及更小的空中或地面(例如跑道或出租车道)碰撞的危险。进一步讲，由一个集成系统来提供上面说明的能力，相对于所得到的区域覆盖来讲，该集成系统使用了很少的卫星和基站。由于所有用户都可以看到星座中的全部6颗卫星，所以单独一颗卫星的故障不会导致明显的地球定位完整性的损失。这就比当前的GPS方法提供了更大的裕量，并且在卫星故障事件中提供了精度的逐级下降。此外，因为这些卫星处于基本上与地球同步的轨道，所以可以方便地把空闲的卫星停放在有效距离内。进一步讲，特定的星座和轨道使在具有很少参考基站的广阔区域上进行差分地球定位成为可能，这个结果不容易用当前的GPS系统得到。此外，与其它GPS类方法相比，卫星和基站的数目比较少，使所发明的系统在经济成本方面更具吸引力。
在已经以特定的材料、结构和步骤的形式描述了本发明的同时，这些选择是为了便于解释，并且不打算限制本发明，技术人员将根据本文中的描述懂得，本发明适用于其它材料、方案和过程步骤的选择，并且本发明打算包括随后的权利要求，技术人员将根据本揭示想到这些变化和其它变化。

Claims (10)

1.向用户提供定位信息的系统，包括：
在基本上与地球同步的环绕地球的第一轨道上的第一组至少三颗地球定位信息发射卫星，其中，上述第一轨道与地球赤道平面的倾斜角至少为10度，并且带有轨道参数，这些轨道参数提供具有大于0度且小于180度的经度范围的第一闭合地面轨迹；以及
在基本上与地球同步的环绕地球的第二轨道上的第二组一颗或多颗地球定位发射卫星，其中，上述第二轨道提供了基本上位于第一地面轨迹之外的地面轨迹。
2.向用户提供定位信息的系统，包括：在具有不同的地面轨迹的至少两个星座中的至少6颗基本上与地球同步的卫星，其中，第一个星座包括一组具有大体上普通的第一闭合地面轨迹的三颗或多颗卫星，并且第二个星座包括第二组具有第二地面轨迹的一颗或多颗卫星，其中，第二地面轨迹位于第一地面轨迹外面，并且其中，卫星发射定位信息，允许用户在至少看到四颗卫星时，确定自己的位置。
3.向用户提供定位信息的系统包括：具有至少2条不同的地面轨迹的至少六颗基本上与地球同步的轨道卫星，其中，第一条地面轨迹是闭合的，并且具有大约30-180度的经度范围。
4.权利要求3的系统，其中，经度范围大约是40-100度。
5.权利要求3的系统，其中，经度范围大约是50-70度。
6.权利要求3的系统还包括在至少2颗卫星里的通信收发信机，上述通信收发信机具有包括至少第一地面轨迹的一个地面足迹(groundfootprint)。
7.权利要求4的系统还包括在至少2颗卫星里的通信收发信机，上述通信收发信机具有包括至少第一和第二地面轨迹的一个地面足迹。
8.权利要求3的系统，其中，描述第一地面轨迹的卫星轨道倾斜角度处于10-70度范围内。
9.权利要求8的系统，其中，描述第一地面轨迹的卫星轨道倾斜角度处于20-40度范围内。
10.权利要求9的系统，其中，描述第一地面轨迹的卫星轨道倾斜角度处于25-35度范围内。
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