DE10356580B4

DE10356580B4 - Verfahren zur Aussendung von Navigationssignalen durch einen Navigationssatelliten

Info

Publication number: DE10356580B4
Application number: DE10356580A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Dodel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus DS GmbH
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: DE10356580A1; US20050157672A1; US7460828B2

Abstract

Beschrieben wird eine Möglichkeit zur Aussendung von Navigationssignalen durch einen Navigationssatelliten (46), wobei in einem ersten Signalpfad (41) eine Zeitreferenz erzeugt wird und basierend auf dieser Zeitreferenz Navigationssignale erzeugt werden, die anschließend über eine Sendeeinrichtung (39, 40) ausgesendet werden. Bei Störungen im ersten Signalpfad (41) erfolgt eine Umschaltung auf einen zweiten Signalpfad (45) parallel zum ersten Signalpfad (41). Der Navigationssatellit (46) empfängt Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale und die empfangenen Signale werden über den zweiten Signalpfad (45) zu der Sendeeinrichtung (39, 40) geleitet und ausgesendet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aussendung von Navigationssignalen durch einen Navigationssatelliten, wobei in einem ersten Signalpfad eine Zeitreferenz erzeugt wird und basierend auf dieser Zeitreferenz Navigationssignale erzeugt werden, die anschließend über eine Sendeeinrichtung ausgesendet werden.

Satelliten-Navigationssysteme wie GPS, GLONASS und auch das zukünftige europäische System mit dem Projektnamen Galileo sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Hierzu wird verwiesen auf die US 5 619 211 A , auf die US 5 627 546 A und auf die DE 196 43 675 A1 .

Weiterhin sind im Stand der Technik Systeme zur Erhöhung der Genauigkeit von Satelliten-Navigationssystemen bekannt, wie beispielsweise das EGNOS-System. Hierzu wird verwiesen auf S. Badessi et al: „SNAV: SBAS selfstanding Navigation Payload based on Artemis Experience", veröffentlicht im Internet unter
http://esamultimedia.esa.int/docs/egnos/estb/Publications/GNSS%201999/GNSS99_SNAV.pdf.

Eine Nutzlastkonzeption dieses bekannten EGNOS-Systems mit transparenten Transpondern, die von einer Bodenkontrollstation unter Nutzung eines sogenannten Uplinks gespeist werden, ist in der beigefügten Zeichnung, 1, schematisch dargestellt. Das Bodenkontrollsegment übernimmt dabei die Bahnvermessungen, den Betrieb der Mutteruhr (in der zentralen Hauptstation) als Zeitreferenz, die Synchronisierung der Mutteruhr mit den Uhren in den Bodenkontrollstationen und die Übertragung von Navigationssignalen an die EGNOS-Nutzlast, die diese weitgehend transparent zu den Sendeeinrichtungen der Kommunikationsnutzlast des EGNOS-Satelliten weiterleitet. Insbesondere die Zeitreferenz dieses Systems befindet sich also außerhalb des Satelliten, der als Navigationssender gegenüber Navigationssendgeräten agiert.

2 zeigt eine Nutzlastkonzeption mit bordseitiger Atomuhr als Zeitreferenz, die lediglich über den Uplink kontrolliert wird. Eine solche Konzeption findet beispielsweise bei GPS und Galileo Anwendung. Diese Atomuhr ist jedoch das kritischste Element der Navigationsnutzlast. Sie ist empfindlich und ihre Lebenserwartung ist begrenzt. Wenn diese sehr empfindliche Atomuhr im Satelliten ausfällt, ist der Satellit nutzlos. Der Austausch eines kompletten Satelliten ist sehr teuer und aufwändig.

Aus der US 2003/0067409 A1 ist ein Satellitensystem für Kommunikation, Navigation und Überwachung bekannt. Aus den 1 und 2 mit zugehörigem Text ist ein Navigationssatellit offenbart, mit einer Empfangsrichtung zum Empfang von Steuersignalen und einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von Navigationssignalen, der mit einem ersten Signalpfad (Navigations-Zeit-Einheit NT) zwischen Empfangseinrichtung und Sendeeinrichtung arbeitet und mit einem zweiten Signalpfad (Kommunikations-Überwachungs-Einheit ICS) parallel zum ersten Signalpfad unter Umgehung einer Signalerzeugungseinrichtung und einer Zeitreferenz- Einrichtung (Navigations-Zeit-Einheit NT). Beide Signalpfade werden unabhängig voneinander beim Betrieb des Navigationssatelliten verwendet, so dass Störungen auf einem Signalpfad unter Umständen die gesamte Funktion des Satelliten in Frage stellen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Möglichkeit zu schaffen, die Störungsanfälligkeit von Navigationssatelliten zu verringern.

Die Lösung dieses Problems erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass nach einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bei Störungen im ersten Signalpfad eine Umschaltung auf einen zweiten Signalpfad parallel zum ersten Signalpfad erfolgt, der Navigationssatellit Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale empfängt und die empfangenen Signale über den zweiten Signalpfad zu der Sendeeinrichtung geleitet und ausgesendet werden.

Wenn also eine Störung im ersten Signalpfad des Navigationssenders auftritt, so dass Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale nicht mehr oder nur noch fehlerhaft erzeugt werden können, dann erfolgt eine Umschaltung auf den zweiten Signalpfad, wobei dann aber die Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale von extern empfangen werden und über den zweiten Signalpfad zu der Sendeeinrichtung geleitet und ausgesendet werden. Dies stellt eine sehr einfache, schnelle und kostengünstige Maßnahme dar, den Betrieb des Navigationssatelliten trotz interner Störung weiter aufrecht zu erhalten.

Eine Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, dass zumindest im ungestörten Betriebsfall des ersten Signalpfades zumindest Steuersignale mit einer ersten Kennung vom Navigationssatelliten empfangen werden und entsprechend ihrer Kennung dem ersten Signalpfad zugeführt werden und zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale mit einer zweiten Kennung vom Navigationssatelliten empfangen werden und entsprechend ihrer Kennung dem zweiten Signalpfad zugeführt werden. Es können dabei auch ständig die Signale mit erster und zweiter Kennung an den Navigationssatelliten übertragen werden. Bevorzugt werden. die Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale aber erst dann zum Navigationssatelliten übertragen, wenn eine Störung im ersten Signalpfad aufgetreten ist. Die Aufteilung der Signale auf die Signalpfade entsprechend ihrer Kennung kann durch die o.g. kennungsselektive Einrichtung erfolgen. Als Kennung sind alle bereits oben genannten Kennungsarten möglich. Damit kann auf einfache Weise eine redundante Quelle für Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale neben der internen Quelle in dem Navigationssatelliten geschaffen werden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zumindest im ungestörten Betriebsfall des ersten Signalpfades zumindest Steuersignale in einem ersten Frequenzbereich vom Navigationssatelliten empfangen werden, nach ihrer Frequenz gefiltert werden und dem ersten Signalpfad zugeführt werden und zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale in einem zweiten Frequenzbereich vom Navigationssatelliten empfangen werden, nach, ihrer Frequenz gefiltert werden und dem zweiten Signalpfad zugeführt werden. Als Kennung für die unterschiedlichen empfangenen Signale dient hier also die Frequenz bzw. der Frequenzbereich, in dem diese Signale zum Navigationssatelliten übertragen werden.

Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass zumindest im ungestörten Betriebsfall des ersten Signalpfades zumindest Steuersignale mit einer ersten Codemodulation vom Navigationssatelliten empfangen werden, nach ihrem Modulationscode selektiert werden und dem ersten Signalpfad zugeführt werden und zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad. Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale mit einer zweiten Codemodulation vom Navigationssatelliten empfangen werden, nach ihrem Modulationscode selektiert werden und dem zweiten Signalpfad zugeführt werden. Dies gilt beispielsweise im Fall einer CDMA-Modulierung der Signale, die zum Navigationssender gesendet werden.

Analog zu den o.g. Ausführungen zum Navigationssatelliten kann auch hier vorgesehen werden, dass sich die Signalverarbeitung auf dem zweiten Signalpfad von der Signalverarbeitung auf dem zweiten Signalpfad unterscheidet. So kann vorgesehen werden, dass auf dem zweiten Signalpfad eine Signalverarbeitung lediglich im Rahmen einer Frequenzumsetzung und/oder eine Codeumsetzung erfolgt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad Zeitreferenzsignale vom Navigationssatelliten empfangen werden, die von einer entfernten Sendestation mit einem Zeitversatz derart ausgesendet werden, dass nach Empfang und Verarbeitung des empfangenen Zeitreferenzsignals durch den Navigationssatelliten das vom Navigationssatelliten auszusendende Zeitreferenzsignal mit der ungestörten internen Zeitreferenz des Navigationssatelliten synchron ist. In diesem Fall werden also die Zeitreferenzsignale von einer entfernten Sendestation so mit einem Zeitversatz versehen, dass nach dem Durchlaufen der Signalstrecke bis zur Sendeeinrichtung des Navigationssatelliten die Lage der Zeitreferenzsignale mit derjenigen identisch ist, die die internen Zeitreferenzsignale des Navigationssatelliten im ungestörten Fall haben sollten. Für einen Navigationsempfänger ändert sich damit scheinbar nichts, er empfängt Zeitreferenzsignale, die absolut identisch und synchron mit den vorher ungestörten internen Zeitreferenzsignalen des Navigationssatelliten sind.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 anhand eines Navigationssatelliten erläutert. Es zeigen:
1: Nutzlastkonzeption mit transparentem Signalpfad nach dem Stand der Technik
2: Nutzlastarchitektur mit bordseitiger Signalgenerierung
3: Nutzlastarchitektur mit bordseitiger Signalgenerierung und zweitem, transparentem Signalpfad
1 zeigt eine erste Navigations-Nutzlastkonzeption für einen, Satelliten 10 nach dem Stand der Technik, die einen für Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale transparenten Signalpfad aufweist. Die Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale werden von einer nicht dargestellten Bodenkontrollstation unter Nutzung eines Uplinks zum Navigationssatelliten 10 übertragen, der diese über eine Empfangseinrichtung aus Empfangsantenne 1, Bandpassfilter 2 und Eingangsverstärker 3 (Low Noise Amplifier LNA) empfängt. Die empfangenen Signale werden durch einen im wesentlichen als Frequenzweiche 4 wirkenden Input Multiplexer (IMUX) auf mehrere Teilpfade aufgeteilt. Anschließend sind Vorverstärker 5 (Low Noise Amplifier LNA), Frequenzumsetzer 6 und Sendeverstärkter 7 (High Power Amplifier HPA), Output Multiplexer 8 (OMUX) sowie eine Sendeantenne 9 zur Aussendung der Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale vorgesehen. Hier erfolgt also an Bord des Navigations satelliten 10 selbst keine Erzeugung der Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale.
2 zeigt eine weitere Nutzlastkonzeption für einen Navigationssatelliten 20 nach dem Stand der Technik mit einer bordseitigen Atomuhr als Zeitreferenz 25. Diese dient als Basis für die Erzeugung von Navigationssignalen und/oder Zeitreferenzsignalen in einer Signalerzeugungseinrichtung 26. Die Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale werden über einen Encoder/Modulator 27 einem Frequenzumsetzer 28 zugeführt und anschließend über einen Sendeverstärker 29 und eine Sendeantenne 30 ausgesendet. Die Erzeugung der Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale im Navigationssatelliten 20 wird lediglich über Steuersignale über den Uplink von einer nicht dargestellten Bodenstation aus kontrolliert. Die Steuersignale werden über eine Empfangseinrichtung aus Empfangsantenne 21 und Vorverstärker 22 empfangen und über einen Frequenzumsetzer 23 und einen Demodulator 24 der Signalerzeugungseinrichtung 26 zugeführt. Wenn in dieser Anordnung jedoch die Zeitreferenz 25 versagt, so wird der Navigationssatellit 20 nutzlos.
3 zeigt eine Nutzlastkonzeption, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Navigationssatelliten 46 verwirklicht wird. Von einer nicht dargestellten Bodenstation ausgesandte Steuersignale in einem ersten Frequenzband werden über eine Empfangseinrichtung aus Empfangsantenne 31 und Vorverstärker 32 empfangen und einem Input Multiplexer 42 zugeführt, der im Wesentlichen als Frequenzweiche agiert. Es ist dann ein erster Signalpfad 41 vorgesehen, wobei die Steuersignale über einen Frequenzumsetzer 33 und einen Demodulator 34 einer Signalerzeugungseinrichtung 36 zugeführt werden. Die Signalerzeugungseinrichtung 36 ist mit einer bordseitigen Atomuhr als Zeitreferenz 35 verbunden. Diese dient als Basis für die Erzeugung von Navigationssignalen und/oder Zeitreferenzsignalen in der Signalerzeugungseinrichtung 36. Die erzeugten Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale werden einem Encoder/Modulator 37 zugeführt.
Parallel zu diesem ersten Signalpfad verläuft ein zweiter Signalpfad 45, der ebenfalls vom Input Multiplexer 42 abzweigt. Dieser zweite Signalpfad 45 umfasst lediglich einen Frequenzumsetzer 43.
Beide Signalpfade 41, 45 sind mit einer Schaltungseinrichtung 44 verbunden, mit deren Hilfe wahlweise der erste Signalpfad 41 oder der zweite Signalpfad 45 über einen Frequenzumsetzer 38 mit einer Sendeeinrichtung aus Sendeverstärker 39 und Sendeantenne 40 verbunden werden kann.
Zunächst ist der erste Signalpfad 41 über den Frequenzumsetzer 38 mit der Sendeeinrichtung verbunden, solange die Komponenten des ersten Signalpfades 41 störungsfrei arbeiten. Ergibt sich nun eine Störung im ersten Signalpfad 41, insbesondere eine Störung der Zeitreferenz 35, so dass die Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale im ersten Signalpfad 41 nicht mehr oder nur noch fehlerhaft erzeugt werden, dann trennt die Schaltungseinrichtung 44 den ersten Signalpfad 41 von der Sendeeinrichtung und verbindet den zweiten Signalpfad 45 mit der Sendeeinrichtung. Anschließend werden von der Bodenstation Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale in einem zweiten Frequenzband zum Navigationssatelliten 46 übertragen. Diese werden über die Empfangseinrichtung aus Empfangsantenne 31 und Vorverstärker 32 empfangen und dem Input Multiplexer 42 zugeführt. Der Input Multiplexer 42 leitet die Signale dieses zweiten Frequenzbandes dem zweiten Signalpfad 45 zu. Die Navigationssignale und/oder Zeitreferenzsignale werden dann dem Frequenzumsetzer 43 zugeführt und unter Umgehung der Signalerzeugungseinrichtung 36 und der Zeitreferenz 35 über die Schaltungseinrichtung 44 und den Frequenzumsetzer 38 an die Sendeeinrichtung aus Sendeverstärker 39 und Sendeantenne 40 weitergeleitet. Damit wird auch im Fall einer Störung im ersten Signalpfad 41 die Aussendung von Navigationssignalen und/oder Zeitreferenzsignalen über den Navigationssatelliten 46 gewährleistet.
Damit im Störungsfall auch weiterhin Zeitreferenzsignale vom Navigationssatelliten 46 ausgesendet werden, die mit denjenigen Zeitreferenzsignalen synchron sind, die vor Eintritt der Störung vom Navigationssatelliten 46 ausgesendet wurden, werden die Zeitreferenzsignale mit einem Zeitversatz relativ zu der internen Zeitreferenz des Navigationssatelliten 46 von der Bodenstation an den Navigationssatelliten 46 übertragen. Dieser Zeitversatz entspricht der Signallaufzeit von der Bodenstation zum Navigationssatelliten, wobei außerdem noch die unterschiedlichen Signallaufzeiten der Zeitreferenzsignale im ersten Signalpfad 41 und zweiten Signalpfad 45 als zusätzlicher Zeitversatz berücksichtigt werden können.

Claims

Verfahren zur Aussendung von Navigationssignalen durch einen Navigationssatelliten (46), wobei in einem ersten Signalpfad (41) eine Zeitreferenz erzeugt wird und basierend auf dieser Zeitreferenz Navigationssignale erzeugt werden, die anschließend über eine Sendeeinrichtung (39, 40) ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Störungen im ersten Signalpfad (41) eine Umschaltung auf einen zweiten Signalpfad (45) parallel zum ersten Signalpfad (41) erfolgt, der Navigationssatellit (46) Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale empfängt und die empfangenen Signale über den zweiten Signalpfad (45) zu der Sendeeinrichtung (39, 40) geleitet und ausgesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im ungestörten Betriebsfall des ersten Signalpfades (41) zumindest Steuersignale mit einer ersten Kennung vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden und entsprechend ihrer Kennung dem ersten Signalpfad (41) zugeführt werden und zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad (41) Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale mit einer zweiten Kennung vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden und entsprechend ihrer Kennung dem zweiten Signalpfad (45) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im ungestörten Betriebsfall des ersten Signalpfades (41) zumindest Steuersignale in einem ersten Frequenzbereich vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden, nach ihrer Frequenz gefiltert werden und dem ersten Signalpfad (41) zugeführt werden und zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad (41) Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale in einem zweiten Frequenzbereich vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden, nach ihrer Frequenz gefiltert werden und dem zweiten Signalpfad (45) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im ungestörten Betriebsfall des ersten Signalpfades (41) zumindest Steuersignale mit einer ersten Codemodulation vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden, nach ihrem Modulationscode selektiert werden und dem ersten Signalpfad (41) zugeführt werden und zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad (41) Zeitreferenzsignale und/oder Navigationssignale mit einer zweiten Codemodulation vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden, nach ihrem Modulationscode selektiert werden und dem zweiten Signalpfad (45) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zweiten Signalpfad (45) eine Signalverarbeitung lediglich im Rahmen einer Frequenzumsetzung und/oder einer Codeumsetzung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Fall von Störungen im ersten Signalpfad (41) Zeitreferenzsignale vom Navigationssatelliten (46) empfangen werden, die von einer entfernten Sendestation mit einem Zeitversatz derart ausgesendet werden, dass nach Empfang und Verarbeitung des empfangenen Zeitreferenzsignals durch den Navigationssatelliten (46) das vom Navigationssatelliten (46) auszusendende Zeitreferenzsignal mit der ungestörten internen Zeitreferenz des Navigationssatelliten (46) synchron ist.