-
TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft die Taktgeber-Synchronisierung
und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Synchronisierung
von Taktgebern an Bord einer Vielzahl von kreisenden Satelliten.
-
TECHNISCHER
HINTERGRUND
-
In der Technik von Erdumlaufsatelliten
ist die Einrichtung einer Vielzahl solcher Satelliten, die als System
zusammenarbeiten, um eine oder mehrere Systemaufgaben, wie Kommunikation,
Kartierung oder Positionsbestimmung, durchzuführen, bekannt. Häufig ist
es notwendig, dass bestimmte Vorgänge von jedem Satellit, der
ein solches System aufweist, auf eine exakte Taktreferenz eingestellt
werden, die innerhalb des gesamten Systems gleichmäßig sein sollte.
Diese Anforderung wurde in der Regel durch die Anordnung jeweils
eines äußerst exakten
und stabilen Taktgebers in einem solchen Satellit erfüllt. Zur
Absicherung gegen einen Ausfall solcher Satelliten-Taktgeber wurde
zudem jeder Satellit mit einem oder mehreren redundanten Ersatz-Taktgebern
ausgestattet, die im Falle eines solchen Ausfalls aktiviert werden
können.
Die Anordnung von mindestens zwei solchen äußerst genauen und stabilen
Taktgebern in jedem Satellit, der ein solches System aufweist, schließt für den Systembetreiber
sehr wesentliche Kosten und ein beträchtliches zusätzliches
Gewicht ein, das sich in höheren
Startkosten niederschlägt.
-
Eine Möglichkeit der Synchronisierung
der Taktreferenz von Signalüberträgern ist
in IEEE TRANSACTION ON AUTOMATION CONTROL, Bd. AC-20, No.2; Seiten
202–212, "Linear Dynamic Estimation
and Control of OMEGA Radio Navigation System Synchronization" beschrieben, worin
acht terrestrische Transmitterstationen, die sehr niederfrequente
Signale einsetzen, strategisch um die Welt positioniert sind, wobei
jede Transmitterstation in bekannter Entfernung eine beigefügte Aufzeichnungsstation aufweist.
Die während
eines einjährigen
Zeitraums mehrmals erfolgende Synchronisierung umfasst die paarweisen Messungen
von Signalen von Transmitterstationen und den beigefügten Überwachungsstationen
unter Anwendung von Algorithmen, die ein Kalmanfilter einschließen. Die "absolute" Zeit ist für die Systemleistung
von untergeordnetem Interesse, da die Positionen des Transmitters
auf der Erde gut bekannt sind, ist diese Lösung für Satellitenanwendungen nicht
anwendbar, da keine Überwachungsstationen
verfügbar
sind und die "absolute" Zeit in die Gleichung
der aktuellen Position des Satelliten eingeht.
-
Die Erfindung stellt ein System und
ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Synchronisation von bordinternen
Taktgebern in einem solchen System von kreisenden Satelliten auf
einem bisher unrealisierten Stabilitäts- und Genauigkeitsniveau
und ohne die Notwendigkeit redundanter Taktgeber, die bei Standder-Technik-Systemen
angewandt werden, bereit. Das erfindungsgemäße System und Verfahren umfasst
ferner die fakultative vollkommene Streichung der hochpräzisen und
stabilen Taktgeber und der damit verbundenen Kosten und des mit
solchen Taktgebern zusammenhängenden
Gewichts aus einem Teil der Satelliten, die ein solches Satellitensystem
aufweisen.
-
In diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung eine Anwendung hiervon im Global Positioning System
(GPS) darstellt. Demnach wird die Erfindung zur besseren Erläuterung
des Ablaufs der Erfindung im Zusammenhang mit einer GPS-Anwendung
beschrieben. Der Betrieb und die Merkmale des GPS werden kurz beschrieben.
-
Das GPS ist ein Navigationssystem,
das den Stand der Technik der Satellitentechnologie verwendet, um
den Anwender mit einem wertvollen Werkzeug zur Positionsbestimmung
auszustatten. Das System erlaubt einem Navigator die schnelle Bestimmung
seiner Position mittels eines kleinen "GPS-Empfängers" ohne Rücksicht
auf die Position des Navigators auf der Erde und mit einem hohen Maß an Genauigkeit
(in der Regel innerhalb einiger 30 m [100 Fuß]). Ein solches System besitzt
viele Vorteile, die sowohl für
zivile als auch militärische
Anwender hilfreich sein können.
Bei zivilen Einsätzen könnte beispielsweise
ein Fahrzeuglenker, der sich verfahren hat und mit einem GPS-Empfänger ausgestattet
ist, seine Position genau festlegen und Korrekturmaß nahmen
ergreifen. Für
den Kapitän
eines Schiffs bietet das System sogar noch größere Vorteile. Da der Kapitän weniger
alternative Navigationsmethoden als der Fahrzeuglenker besitzt,
ist er von den durch seinen GPS-Empfänger bereitgestellten Informationen
stärker
abhängig.
Beim militärischen Einsatz
zeigt sich die große
Bedeutung des GPS noch deutlicher. Beispielsweise kann der Kapitän eines
U-Boots, das Interkontinentalraketen trägt, GPS-Informationen zum schnellen
Erhalt und zur exakten Bestimmung der geographischen Länge und Breite
seines U-Boots verwenden. Nach der genauen Bestimmung der U-Bootposition kann
die Trajektorie zu einem Ziel bekannter Position errechnet und eine Rakete
abgeschossen werden. Die vorgenannten Beispiele erläutern den
Wert des GPS und zeigen, wie diejenigen, die auf das System vertrauen,
von seiner Genauigkeit und Zuverlässigkeit abhängen müssen.
-
Das Global Positioning System besteht
aus einer Vielzahl von Satelliten, die etwa 20370 km (11000 Seemeilen) über der
Erde kreisen und in fast perfekten kreisförmigen Umlaufbahnen gehalten werden.
Diese Umlaufbahnen sind so gewählt,
dass das System einem Anwender Informationen bereitstellen kann,
ohne Rücksicht
auf die Zeit, zu der der Anwender die Information anfordert, und
ohne Rücksicht
auf die Position des Anwenders auf der Erdoberfläche. Vier der kreisenden Satelliten
müssen
für den
Anwender jeweils zu einer beliebigen Zeit "sichtbar" sein, damit eine Positionsbestimmung
vorgenommen wird. Auch die Position eines jeden der vier Satelliten
muss bekannt sein, und die Satelliten müssen ausgestattet sein, um
sich zusammen mit dem GPS-Empfänger an
einer Funkentfemungsberechnung zu beteiligen. Nachdem der GPS-Empfänger die
Entfernung zu jedem der vier Satelliten und die Position dieser
vier Satelliten kennt, kann eine Bestimmung der Empfängerposition
vorgenommen werden.
-
Ein GPS-Empfänger bestimmt die Position durch
Anwendung einer dreidimensionalen Entsprechung zur traditionellen "Triangulations"-Technik. Triangulation
ist die Navigationstechnik, mit der eine Plattform auf der Erdoberfläche ihre
geographische Länge
und Breite nur unter Anwendung ihrer Entfernung relativ zu zwei
Referenzpunkten bekannter Position berechnen kann. In dem GPS-Szenario
kann die Plattform ihre geographische Länge und Breite und falls notwendig
ihre Höhe
unter Anwendung ihrer Entfernung relativ zu drei Satelliten bekannter
Position berechnen. Die zusätzliche
Höhenkoordinate kann
für diejenigen
Plattformen erforderlich sein, die nicht auf den Betrieb auf der
Erdoberfläche
beschränkt
sind. In der Theorie können
die drei Koordinaten, die die Anwenderposition beschreiben, aus den
drei Entfernungsmessungen bestimmt werden, da die drei Messungen
drei Gleichungen ergeben, wobei die drei Gleichungen zur Lösung von
drei Unbekannten ausreichen. In der Praxis unterscheidet sich allerdings
der Anwender-Taktgeber immer vom System-Taktgeber, was eine vierte Unbekannte, nämlich die
Systemzeit einbringt. Somit erfordert eine praktische Implementierung
der GPS-Positionsermittlungsfunktion, dass vier Entfernungsmessungen
vorgenommen werden. Die Entfernung des GPS-Empfängers zu vier verschiedenen
Satelliten wird berechnet, so dass dann vier Gleichungen zur Aufstellung
einer Konstante verfügbar
sind. Aus diesen vier Gleichungen ist die Bestimmung der Anwender-Taktgeberverschiebung
sowie der drei unbekannten Koordinaten möglich.
-
Ein Verfahren, das zur Berechnung
der Entfernung zu einem Satelliten verwendet werden kann, umfasst
die Übertragung
eines kodierten Pulses von elektromagnetischer Energie durch jeden
Satelliten. Der Puls ist nach einer Verzögerung, die dem Abstand vom
Satelliten zum Empfänger
proportional ist, dem Empfänger
zugehörig.
Anschließend
wird der Puls vom Empfänger
zur Bestimmung der Identität des übertragenden
Satelliten, der Übertragungszeit und
der Position des Satelliten zum Zeitpunkt der Übertragung dekodiert. Bei gleichzeitiger Übertragung
vier solcher Pulse, jeweils ein Puls von jedem der vier verschiedenen
Satelliten, kann der Empfänger
seine Entfernung von jedem der vier Satelliten zum Zeitpunkt der Übertragung
berechnen und kann sodann aus diesen Entfernungen und den bekannten Positionen
der Satelliten seine Position relativ zur Erde berechnen.
-
Eine der Hauptfehlerquellen in der
Berechnung der Empfängerposition
ist die Schwankung in den Zeitnormalen an Bord eines jeden Satelliten. Eine
Schwankung in den Satelliten-Zeitnormalen führt zu einer Schwankung in
den aktuellen Übertragungszeiten
der Satelliten, da jeder Satellit seine Übertragung bezüglich seines
eigenen internen Taktgebers verschlüsselt. Eine Schwankung in den
aktuellen Übertragungszeiten
bedeutet, dass sich die Positionen der Satelliten zwischen den aktuellen Übertragungszeiten ändern. Somit
ist die berechnete Position der Satellitenreferenzpunkte, aus denen
der GPS-Empfänger
seine Position berechnet, nicht genau bekannt. Die Ungenauigkeit
in der Position der Referenzpunkte macht eine fehlerfreie Bestimmung der
Empfängerposition
unmöglich.
-
Zur Eindämmung der von den Taktgeberschwankungen
verursachten Fehler sind die GPS-Satelliten mit Atomuhren ausgestattet,
die auf der Basis von atomaren Frequenzen äußerst exakte Zeitnormalen beibehalten.
Derzeit enthält
jeder GPS-Satellit drei solche Atomuhren. Wie zuvor angedeutet,
werden zur Erhöhung
der wartungsfreien Lebensdauer des Systems unter Bereitstellung
von Ersatz für
den Fall, daß eine
der Uhren ausfällt,
an jedem Satelliten mehrere Atomuhren eingesetzt. Diese Atomuhren
sind sehr teuer und tragen wesentlich zu den Gesamtkosten des Systems
bei.
-
Demnach würde ein Taktgeberverfahren, das
eine Verminderung in der Anzahl der erforderlichen Atomuhren ohne
eine damit einhergehende Leistungsverminderung erreichen würde, die
Kosteneffizienz des GPS sehr stark erhöhen.
-
OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, die Anzahl von atomaren oder anderen überaus exakten und stabilen
Taktgebern pro Satellit in einem System von solchen Satelliten,
die eine synchronisierte Taktreferenz erfordern, unter Aufrechterhaltung
der wartungsfreien Zeitspanne, in der das System erwartungsgemäß ohne Reparatur
arbeitet, zu vermindern sowie es zu ermöglichen, dass einige von solchen
Satelliten ohne Atomuhren arbeiten.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Aufrechterhaltung einer eng synchronisierten Serie
von Taktgebern, die voneinander viel weniger abweichen als die Atomuhren
und die auf ein auf der Erde aufrecht erhaltenes Weltzeit-Codenormal
synchronisiert sind.
-
Die Aufgabe der Aufrechterhaltung
einer eng synchronisierten Serie von Atomuhren wird durch die Kommunikationen
zwischen den einzelnen Satelliten und zwischen den Satelliten und
einer terrestrischen Station erreicht. Satelliten mit Atomuhren
kommunizieren untereinander über
eine Radiokanal-Vernetzung. Über einen
Kalman-Prozess, der in jedem Satellit abläuft, wird für jede Atomuhr eine Phasenverschiebung
errechnet. Die bei jedem Satellit errechnete Phasenverschiebung
wird zur Atomuhr des Satelliten addiert. Die resultierende Serie
von Taktgeberwerten, die "Kollektiv-Taktgeber" genannt wird, besitzt
die Eigenschaft, dass das mittlere Fehlerquadrat der Taktgeber,
die die Serie bilden, minimiert wird. Es werden aufeinanderfolgende
Iterationen des Kalman-Prozesses durchgeführt, um die Kopplung zwischen
dem lokalen Kolletivtaktgeber an jedem Satellit und den Kollektiv-Taktgebern
der anderen Satelliten beizubehalten, da solche Daten über die
Kanal-Vernetzung empfangen werden.
-
Die Satelliten mit Atomuhren übertragen
ihre Kollektiv-Zeiten über
ein erstes Band von Radiofrequenzen an eine Erdstation. Anschließend berechnet die
Erdstation die durch schnittliche Verschiebung der Kollektiv-Taktgeber
aus der Weltzeit und übermittelt
die Verschiebung über
ein zweites Band von Radiofrequenzen an die Satelliten. Die Verschiebung wird
von jedem Satellit zur Errechnung eines Steuersignals verwendet,
das wiederum zum Anschluß der Kollektiv-Taktgeber
an die Weltzeit verwendet wird, wodurch ein korrigierter Taktgeberwert
erzeugt wird.
-
Das Ziel, einige Satelliten innerhalb
des Systems ohne Atomuhren arbeiten zu lassen, wird durch Übertragung
des korrigierten Taktgeberwerts von denjenigen Satelliten mit Atomuhren
auf die Satelliten ohne Atomuhren erreicht. Die Satelliten ohne Atomuhr
verarbeiten jeweils die empfangenen korrigierten Taktgeberwerte
in einem PI.L-Kreis. Jeder PLL-Kreis erzeugt ein Fehlersignal, das
der Differenz zwischen der Frequenz des empfangenen korrigierten
Taktgebersignals und der Frequenz eines lokalen spannungsgesteuerten
Oszillators proportional ist. Dieses Fehlersignal wird unter Schließen einer
Rückkopplungsschleife,
die die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators dazu zwingt,
mit der Frequenz des empfangenen korrigierten Taktgebersignals gleich
zu lau fen, zum Oszillatoreingang zurückgeführt. Durch die Verwendung der
Ausgabe der spannungsgesteuerten Oszillatoren als sein Taktgebersignal
bleibt ein Satellit ohne bordinterne Atomuhren an das korrigierte
Taktgebersignal angeschlossen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Draufsicht auf ein System von kreisenden Satelliten und zeigt
eine Vielzahl von Nachrichtenverbindungen zwischen den Satelliten.
-
2 ist
eine Draufsicht auf ein System von kreisenden Satelliten und zeigt
die kreisenden Satelliten, die Erde und eine terrestrische Station.
-
3 ist
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer RF-Link-Steuerung für ein System
von kreisenden Satelliten.
-
4 ist
ein Signalverarbeitungsdiagramm für einen PLL-Kreis nach dem
erfindungsgemäßen System
und Verfahren.
-
4A ist
die erste Hälfte
eines Fließdiagramms
und zeigt die Arbeitsschritte einer Simulation der Erfindung, wie
in einem Global Positioning System implementiert.
-
4B ist
die zweite Hälfte
eines Fließdiagramms
und zeigt die Arbeitsschritte einer Simulation der vorliegenden
Erfindung, wie in einem Global Positioning System implementiert.
-
5 ist
ein Graph und beschreibt die vorübergehende
und stationäre
Reaktion von Kollektiv-Taktgebern eines simulierten Global Positioning Systems,
das die Erfindung anwendet, wobei das System aus 24 Satelliten besteht,
wovon 23 bordinterne Atomuhren besitzen.
-
6 ist
ein Graph und beschreibt die vorübergehende
Reaktion und die Reaktion im stationären Zustand von Kollektiv-Taktgebern
für ein
simuliertes Global Positioning System, das die Erfindung anwendet, wobei
das System aus 24 Satelliten besteht, wovon 16 bordinterne
Atomuhren aufweisen.
-
7 ist
ein Graph und beschreibt die zeitabhängige Frequenzdrift für einen
Kollektiv-Taktgeber.
-
8 ist
ein Graph und beschreibt die zeitabhängige Frequenzdrift für einen
PLL-Kreis.
-
BESTE MÖGLICHKEIT
ZUR DURCHFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
-
Wie zuvor angegeben, ist eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung eine Anwendung des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf das Global Positioning System. Demnach werden die erfindungsgemäßen Merkmale
und Abläufe
im folgenden im Zusammenhang mit dem GPS-Betrieb beschrieben.
-
Unter Bezugnahme auf 1 sind nun drei Satelliten 2, 4, 6 und
eine Erdstation 8, die Teil eines Global Positioning Systems
enthalten, gezeigt. Zu Erläuterungszwecken
weisen ein erster Satellit 2 und ein zweiter Satellit 4 bordinterne
Atomuhren auf. Ein dritter Satellit 6 weist keine Bordatomuhr
auf. Die Satelliten 2 und 4 unterhalten jeweils
einen Kollektiv-Taktgeber, der der Satelliten-Atomuhrphase plus einer
Phasenverschiebung entspricht. Die Satelliten senden ihre Kollektiv-Taktgeberwerte
gleichzeitig und in gleichmäßigen Intervallen.
Wenn ein Satellit, der für
einen sendenden Satellit sichtbar ist, eine Übertragung empfängt, führt er mit
den empfangenen Daten einen Kalman-Meßalgorithmus
durch, um am Empfangssatelliten eine aktualisierte Phasenverschiebung
zu berechnen. Die aktualisierte Phasenverschiebung wird wiederum
zur Atomuhrphase des Empfangssatelliten addiert, wodurch ein aktualisierter
Kollektiv-Taktgeber am Empfangssatelliten erzeugt wird. Aufeinanderfolgende
Iterationen des Kalman-Prozesses werden zur Aufrechterhaltung der Kopplung
zwischen dem lokalen Kollektiv-Taktgeber eines jedem Satellits und
den Kollektiv-Taktgebern der Sendesatelliten durchgeführt, wenn
solche Daten von den sendenden Satelliten empfangen werden. Durch
Kopplung der Kollektiv-Taktgeber
durch einen Kalman-Prozess wird das mittlere Fehlerquadrat zwi schen
den Kollektiv-Taktgebern minimiert. Siehe die ausführliche
Beschreibung darüber,
wie ein Kalman-Algorithmus das mittlere Fehlerquadrat minimiert,
das von Natur aus bei der Nachführung
einer Reihe von Daten vorhanden ist: Kalman, R.E., "A New Approach to
Linear Filtering and Prediction Problems", J. Basic Eng. (ASME Trans., ser. D),
Bd. 82, Seiten 35–45,
März 1960.
Ein Beispiel für
einen Kalman-Nachführalgorithmus
kann gefunden werden in: Radar Handbook, herausgegeben von Merrill
Skolnik, 2. Ausgabe, veröffentlicht
von McGraw Hill, Inc. (1990) (siehe Kapitel 8 mit dem Titel "Automatic Detection,
Tracking and Sensor Integration" von
G. V. Trunk). Der Kalman-Algorithmus kann in Software oder Hardware
unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Mikroprozessors oder
eines zweckbestimmten Prozesskreises implementiert werden. Durch
Anwendung des Kalman-Algorithmus und der Kommunikationsnetze zur
Weiterleitung von Taktgeberdaten zwischen den Satelliten kann das
GPS eine streng synchronisierte Reihe von Kollektiv-Taktgebern aufrecht
erhalten.
-
Zum Zeitpunkt der Übertragung
sind für
die sendenden Satelliten nicht alle Satelliten sichtbar. Allerdings
kann die Kommunikation zwischen den Satelliten, die sich gegenseitig
nicht sehen, durch Leiten der Übertragungen über Satelliten,
die sich gegenseitig sehen, erreicht werden. Diese Technik ist in 2 erläutert, wobei ein Signal von
einem ersten Satellit 16 über einen Nachrichtenvernetzungskanal 18 auf
einen zweiten Satelliten 20 übertragen wird. Die von dem
zweiten Satellit 20 empfangenen Daten werden anschließend über eine
zweite Vernetzung 22 an einen dritten Satelliten 24 weiter übermittelt. Auf
diese Weise können
die Taktgeberdaten vom ersten Satellit 16 zum dritten Satellit 24 weiter
geleitet werden, auch wenn der dritte Satellit 24 zum Zeitpunkt
der Übertragung
für den
ersten Satelliten 16 nicht sichtbar ist.
-
Unter Bezugnahme auf 2 kann weiterhin gesehen werden, dass
die Satelliten periodische Übertragungen
ihrer kollektiven Taktgeberwerte an eine Erdstation 8 vornehmen.
Diese Übertragungen sind
Sichtbarkeitsbeschränkungen
unterworfen und können
gleichzeitig vorgenommen werden, wenn die Satelliten ihre normale
Navigationsfunktion durchführen.
Auf diese Weise empfängt
die Erdstation 8 von den sichtbaren Satelliten über eine
Radioverbindung, wie einen L-Bandkanal 12, kollektive Zeit-
und Ephemerie-Parameter. Die Erdstation 8 verwendet die empfangene
Kollektivzeit zur Berechnung einer mittleren Phasenverschiebung
von der Weltzeit und überträgt dann
die berechnete Phasenverschiebung über eine weitere Radioverbindung,
wie einen S-Bandkanal 14,
an die sichtbaren Satelliten. Die S-Band-Übertragungen an sichtbare Satelliten
kann einmal alle 12 h erfolgen, wenn die Daten über die vernetzten Kanäle 10 an
die unsichtbaren Satelliten zirkuliert werden. Die von der Erdstation 8 empfangenen
Verschiebungen werden von den Satelliten mit den Atomuhren, den
Satelliten 2 und 4, verwendet, um ihre kollektiven
Taktgeber an die Weltzeit anzugleichen. Andererseits verankert der
Satellit ohne Atomuhr (oder mit einer ausgefallenen Atomuhr), Satellit 6,
seinen bordinternen Taktgeber durch Kommunikation mit den Satelliten
mit Atomuhren in einer im folgenden zu beschreibenden Weise mit
der Weltzeit.
-
Unter Bezugnahme auf 3 kann ein Modell eines Global Positioning
Systems erstellt werden, das folgendes aufweist: eine Vielzahl von
Satelliten mit Atomuhren 26, mindestens einen Satellit ohne
Atomuhr 28, ein Satelliten-Sichtbarkeitsmodell 30 und
eine Erdstation 8, ein Erdstations-Sichtbarkeitsmodell 32 und
Rauschquellen 34. Erfindungsgemäß halten die Satelliten mit
einer Atomuhr 26 durch das Ablaufen lassen eines Kalman-Algonthmus 36 bei
Phasendifferenzen zwischen jedem Kollektiv-Taktgeber der Satelliten
und den anderen Kollektivuhren, die für den Satelliten sichtbar sind,
eine eng synchronisierte Serie von kollektiven Taktgebern 40 aufrecht.
-
Die Taktgeberdaten werden über eine
Vielzahl von Vernetzungen 42 zwischen zwei beliebigen Satelliten
weitergeleitet. Die Auswahl einer Vernetzung, die zur Übertragung
von Information zwischen zwei Satelliten notwendig ist, ist eine
Funktion der Satelliten-zu-Satelliten-Sichtbarkeit, ein Faktor,
der in 3 durch ein Satelliten-Sichtbarkeitsmodell 30 dargestellt
ist. Sodann werden die aktualisierten kollektiven Taktgeber 44 zusammen
mit Satellitenpositionsinformationen über einen L-Band-Transmitter 46 an
einen L-Band-Empfänger 47 übertragen,
der auf der Erdstation 8 liegt. Nur diejenigen Satelliten,
die zum Zeitpunkt der Übertragung
für die
Erdstation 8 sichtbar sind, sind in der Lage, die L-Band-Übertragung
abzuschließen.
Dieser Sichtbarkeitseinschränkung wird
im Systemmodell durch Einschluss des Erdstations-Sichtbarkeitsmodells 32 Rechnung
getragen. Ferner wird die Übertragung über die
Vernetzungen 42 und L-Bandkanäle 46 vom Rauschen
unterbrochen. Diese Rauschwirkungen sind in Form von Rauschquellen 34 enthalten.
-
Unter Bezugnahme auf 3 errechnet die Erdstation 8 weiterhin
eine mittlere Verschiebung 48 von Satelliten-Kollektivzeiten 44 von
der Weltzeit 50. Sodann wird die Verschiebung 48 über einen S-Band-Transmitter 52,
der auf der Erdstation 8 liegt, und eine Vielzahl von S-Band-Empfängern 53,
die auf den Satelliten mit Atomuhren 26 liegen, an die sichtbaren
Satelliten übertragen.
Die S-Band-Übertragungen
an sichtbare Satelliten erfolgen etwa einmal alle 12 h, wobei die
Kommunikation hiervon zu sichtbaren Satelliten über die Vernetzung 42 erfolgt. Die
Satelliten mit Atomuhren 26 filtern die Verschiebung 48 durch
ein Steuerfilter 54. Diese Ausgabe aus dem Steuerfilter
wird einem Kalmanprozess 36 unterzogen, um die kollektiven
Taktgeber mit der Weltzeit zu synchronisieren.
-
Zusätzlich zur Bereitstellung eines
verbesserten Zeitnormals zwischen den Satelliten, wobei jeder Satellit
eine bordinterne Atomuhr aufweist, stellt die Erfindung ein System
und ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines verbesserten Zeitnormals
zwischen den Satelliten bereit, wobei ein oder mehrere Satelliten
keine betriebsfähige
bordinterne Atomuhr aufweisen. In einem System, wobei nicht alle
Satelliten betriebsfähige
Atomuhren aufweisen (entweder baubedingt oder wenn eine oder mehrere
Atomuhren ausgefallen sind), empfangen die Satelliten ohne Atomuhren
die Werte der kollektiven Taktgeber, wie mit der Weltzeit synchronisiert,
von den Satelliten mit Atomuhren. Dies ist das in 3 beschriebene System, wobei ein Satellit
ohne Atomuhr 28 über
einen PTT-Kreis 29 an
die kollektiven Taktgeber 40 angeschlossen ist. Die kollektiven
Taktgeberwerte werden über
die Vernetzungen 42 an die Satelliten ohne Atomuhren übertragen.
Die Satelliten ohne Atomuhren sind jeweils mit einem PTT-Kreis 29 ausgestattet. Unter
Anwendung der kollektiven Taktgeberwerte als Eingabe des PTT-Kreises
Schleife 29 können
Ausgabefrequenz und Ausgabephase des Kreises 29 an die
kollektive Taktgeberfrequenz und die kollektive Taktgeberphase angeschlossen
werden. Die Ausgabe des PTT-Kreises 29 wird von den Satelliten,
die keine Atomuhr besitzen, als Taktgebersignal verwendet.
-
Unter Bezugnahme auf 4 kann ein PTT-Kreis, wie erfindungsgemäß eingearbeitet,
in einer kooperativen Anordnung ein Phasenmeter 56, ein
Servogerät 2.
Ordnung 58, einen spannungsgesteuerten Oscillator (VCXO) 60 aufweisen.
Das Phasenmeter 56 akkumuliert die Differenzen zwischen der
Phase am Eingang von VCXO 60 und der Phase der kollektiven
Taktgeber, wie über
die Vernetzungen 42 empfangen. Die Akkumulation unterliegt
Unbestimmtheiten in Propagationsverzögerung, Prozesszeitgebung und
Sichtbarkeitseinschränkungen – modellhaft
als Rauschquellen 34, 62, bzw. 64 dargestellt.
Der akkumulierte Phasenmeterfehler wird über ein Glättungsfilter 66 – zur Entfernung
von hochfrequentem Rauschen – einem
Schätzfunktionskreis 68 zugeführt. Der
Phasenmeterfehler wird auch in einen Driftkompensationskreis 70 eingegeben,
der zur Kompensation der Frequenzdrift in dem VCXO 60 ein Driftkorrektursignal
erzeugt. Sowohl die Schätzfunktion 68 als
auch der Driftkompensator 70 werden mit der GPS-Rahmengeschwindigkeit
betrieben. Ihre Ausgaben werden von dem Adder 72 addiert
und von Multiplikator 74 multipliziert. Die Ausgabe von
Adder 72 ist eine zum Phasenmeterfehler proportionale Spannung,
die zur Kompensation der VCXO 60-Drift eingestellt ist.
Die Ausgabe des Adders 72 wird zur Umstellung von Zyklen
pro Sekunde auf Zyklen pro GPS-Rahmen mit der GPS-Rahmengeschwindigkeit, typischerweise 36 s/Rahmen,
multipliziert, und wird anschließend an den VCXO 60 weitergeleitet.
-
Der VCXO 60 erzeugt ein
Ausgabesignal einer bestimmten Frequenz und Phase, wie durch die VCXO 60-Eingangsspannung
bestimmt. Das Ausgabesignal wird zum Vergleich der kollektiven Taktgeberphase,
die über
die Vernetzungen 42 empfangen wird, in Phasenmeter 56 eingespeist.
Es existieren zwei Hauptabbaumöglichkeiten,
die durch den VCXO 60 eingebracht werden, Driftund Funkelrauschen – modellhaft
als Rauschkreis 76 bzw. 78 dargestellt. Das Funkelrauschen 78 wird
durch Filtern des Gaußschen
Rauschens über
ein 5-stufiges Verzögerungsfilter
simuliert. Die Drift 76 wird durch doppelte Integration
auf den Gaußschen
Rauschen simuliert. Das integrierte Driftrauschen 76, das
Funkelrauschen 78 und die Multiplikator 74-Ausgabe
werden durch einen Adder
80 addiert. Die Adder 80-Ausgabe
wird von einem Verschiebungselement 82 verschoben und von einem
Integrator 84 unter Erzeugung einer Ausgabephase integriert,
die in einer Phasentabelle 86 gespeichert wird. Die in
der Phasentabelle 86 gespeicherte Phase wird durch das
Phasenmeter 56 mit der kollektiven Taktgeberphase verglichen,
die über
die Vernetzungen 42 empfangen wird, und somit wird die Rückkopplungsschleife
geschlossen.
-
Wie es selbstverständlich ist,
besitzt ein Global Positioning System, das die Erfindung anwendet, insofern
einen großen
Vorteil gegenüber
den herkömmlichen
GPS als es eine streng synchronisierte Serie von Satelliten-Taktgebern bereitstellt,
die an die Weltzeit auf der Erde angeschlossen sind, ein Vorteil der
zu einer Verbesserung in der GPS-Gesamtleistung führt, und
wie hier vorstehend beschrieben, ist ein weiterer Vorteil eines
Global Positioning Systems, das die Erfindung einsetzt, durch die
Verwendung von PTT-Kreisen zur Synchronisation von Satelliten, die
keine betriebsfähigen
Atomuhren aufweisen, realisiert. Die Verwendung von PTT-Kreisen,
insbesondere anstelle von zusätzlichen
redundanten Atomuhren in einem einzigen Satelliten, gestattet eine
Senkung der Systemkosten, ohne eine damit einhergehende Verminderung
in der Systemleistung.
-
Um ein zusätzliches Zuverlässigkeitsniveau herzustellen,
dass das erfindungsgemäße System und
Verfahren wie vorhergesagt arbeiten, wird ein Softwaremodell eines
Global Positioning Systems, das die RF-Link-Steuerung einsetzt,
erzeugt. Unter Anwendung des Softwaremodells wurden zwei getrennte
Simulationen durchgeführt,
und bei jeder Simulation wurden die Leistungsdaten für die Satelliten-Taktgeber
aufgezeichnet.
-
Bei der ersten Simulation besteht
das GPS-Modell aus 24 Satelliten, wobei 23 der
Satelliten Atomuhren und 1 Satellit keine Atomuhr. aufweisen. Ferner
wurde bei der ersten Simulation das Senden über die Vernetzungen auf 6-min-Intervalle eingestellt,
die Übertragungen
von den terrestrischen Stationen wurden auf 12-h Intervalle eingestellt,
und das Steuerfilter wurde für
eine Mittelung über
24 h eingestellt. Die vorübergehenden
und stationären
Reaktionen der kollektiven Taktgeber für die erste Simulation sind
in 5 gezeigt.
-
Es wurde eine zweite Simulation durchgeführt, in
der die Anzahl der Satelliten mit Atomuhren auf 16 und die Anzahl
ohne Atomuhren auf 8 geändert
wurde, wobei sämtliche
anderen Parameter unverändert
waren. Die vorübergehenden
und stationären
Reaktionen der kollektiven Taktgeber für die zweite Simulation sind
in 6 gezeigt.
-
Unter Anwendung des in der 4A und 4B gezeigten Fließdiagramms beschreiben wir im
folgenden das Verfahren der ersten Simulation. Unter Bezugnahme
zunächst
auf 4A kann gesehen
werden, dass die Simulation mit Schritt 100 beginnt. Sodann
wird vor Eintritt in eine Hauptschleife 104 ein Initiationsverfahren 102 durchgeführt. Die Hauptschleife 104 wird
einmal pro Übertragungsintervall
durchlaufen, wobei das Übertragungsintervall die
Zeitdauer zwischen den Übertragungen
durch die Satelliten mit Atomuhren ist. Zu Beginn des Hauptkreises
wird ein Prozeßschritt 106 durchgeführt, in dem
der Phasenmeterfehler an Satellit Nr. 1 – Satellit ohne Atomuhr – auf 0
und der Rahmenzähler "j" auf 1 eingestellt werden. Das Simulationsprogramm
tritt dann in eine Rahmenschleife 108 ein, die einmal pro Rahmenintervall
durchlaufen wird, wobei das Rahmenintenvall die 36 s zwischen den
Aktualisierungen der Ephemerie-Parametern sind. Die Rahmenzähler werden
bei jeder Iteration der Rahmenschleife 108 aktualisiert.
-
Die Rahmenschleife 108 beginnt
mit dem Entscheidungsschritt 110, in dem eine Entscheidung darüber getroffen
wird, ob es an der Zeit ist, daß die Satelliten
mit Atomuhren ihre kollektiven Taktgeberwerte an die sichtbaren
Satelliten und an die terrestrische Station übertragen oder nicht. Wenn
die Zeit für
solche Übertragungen
gekommen ist, führt
die Simulation einen Prozessschritt 112 und anschließend einen
Eintritt in eine Übertragungsschleife 114 durch. In
Schritt 112 werden die Phasenterme in den Covariance Matrices,
die durch die Kalman-Prozesse an jedem Satelliten aufrecht erhalten
werden, gespeichert, und der Schleifenzähler wird auf 1 gestellt. In der Übertragungsschleife 114 werden
die Vorgänge durchgeführt, die
zur Übertragung
von kollektiven Taktgeberdaten von den Satelliten mit Atomuhren
auf den Satellit Nr. 1, zur Übertragung
von kollektiven Taktgeberdaten zwischen den Satelliten mit Atomuhren
und zur Übertragung
von der Erdstation auf die Satelliten mit Atomuhren notwendig sind.
Das Programm tritt einmal pro Übertragungsintervall
in die Schleife 114 ein, das heißt, die Schleife 114 wird
jedes mal durchlaufen, wenn der Rahmenzähler "j",
der mit der Rahmengeschwindigkeit (36s) multipliziert ist,
dem Übertragungsintervall
(6 min) entspricht. Somit wird bis zur Beendigung der Simulation
die Übertragungsschleife 114 jedes
mal durchlaufen, wenn der Rahmenzähler in "j" 10 erreicht.
-
Die Übertragungsschleife 114 beginnt
mit einem Entscheidungsschritt 116, in dem eine Entscheidung
darüber
erfolgt, ob der Satellit entsprechend dem Schleifenzähler (das
heißt
Satellit "k") eine Atomuhr aufweist
oder nicht. Besitzt er keine, springt das Programm zum Schritt 118,
wo der Schleifenzähler "k" inkrementiert wird. Wenn der Satellit "k" keine Atomuhr aufweist, wird ein Entscheidungsschritt 120 durchgeführt, in
dem das Programm entscheidet, ob der Schleifenzähler kleiner oder gleich der
Gesamtzahl an Satelliten in dem System (in dem beschriebenen Beispiel 24)
ist. Wenn der Zähler
kleiner oder gleich der Gesamtzahl an Satelliten in dem System ist,
wird die Sichtbarkeit von Satellit "k" für den Satellit Nr.
1 im Schritt 122 überprüft. In Schritt 124 wird
auf der Grundlage der Ausgabe von Schritt 122 entschieden,
ob Satellit "k" für den Satellit
Nr. 1 sichtbar ist. Ist dies der Fall, wird der Phasenmeterfehler
am Satellit Nr. 1 aktualisiert, wie durch Schritt 126 gezeigt,
und der Vorgang läuft
bis Schritt 128 ab. Wenn der Schleifenzähler "k" größer ist
als die Gesamtzahl von Satelliten in dem System, dann bedeutet dies,
dass Satellit "k" für den Satellit
Nr. 1 in Schritt 130 unsichtbar ist, und das Programm läuft weiter
zu Schritt 128 ab.
-
In Schritt 128 wird ein
Zähler "i" auf 2 eingestellt, bevor eine
Kalman-Schleife 132 durchlaufen wird.
In der Kalman-Schleife 132 wird immer dann ein Kalman-Messprozess
durchgeführt,
wenn Satellit "i" eine Kollektivtaktgeberübertragung
von Satellit "k" empfängt. Ein
Kalman-Messprozess läuft
auch jedes mal dann ab, wenn ein Satellit "i" eine
Taktgeberverschiebung von der terrestrische Station empfängt.
-
Der erste Schritt in der Kalman-Schleife
ist ein Entscheidungsschritt 134, der überprüft, ob Satellit "i" eine Atomuhr aufweist oder nicht. Hat
der Satellit "i" keine Atomuhr, springt
das Programm zu Schritt 136, wo Zähler "i" inkrementiert
wird. Wenn der Satellit "i" eine Atomuhr aufweist,
wird der Entscheidungsschritt 138 durchgeführt, wo
entschieden wird, ob der Zähler "k" kleiner oder gleich der Gesamtanzahl
von Satelliten in dem System ist. Wenn "k" kleiner
oder gleich der Gesamtanzahl von Satelliten in dem System ist, wird
die Sichtbarkeit von Satellit "i" für Satellit "k" in Schritt 140 überprüft, und
in Schritt 142 wird eine Entscheidung über die Sichtbarkeit getroffen. Wenn
die Satelliten für
einander nicht sichtbar sind, wird Schritt 136 durchgeführt. Wenn
sie gegenseitig sichtbar sind, wird vor der Durchführung von
Schritt 136 an Satellit "i" in
Schritt 144 eine Kalman-Messung durchgeführt.
-
Wenn in Schritt 138 entschieden
wird, dass "k" größer ist
als die Gesamtzahl von Satelliten in dem System, dann bedeutet dies,
dass Satellit "i" für Satellit "k" sichtbar ist und dass der Phasenmeterfehler
in Schritt 146 auf das Steuersignal eingestellt wird. Der
Entscheidungsschritt 148 fällt eine Entscheidung darüber, ob
Satellit "i" für die Erdstation
sichtbar ist oder nicht. Wenn Satellit "i" für die Erdstation
sichtbar ist, wird Schritt 150 vor Schritt 142 durchgeführt. In Schritt 150 misst
die Erdstation die Phasendifferenz zwischen der Weltzeit und dem
kollektiven Taktgeber an Satellit "i".
Da es heißt,
dass Satellit "i" für Satellit "k" sichtbar ist, wenn "k" größer ist
als die Gesamtanzahl an Satelliten, geht das Programm weiter zu Schritt 142,
von Schritt 142 zu Schritt 144, wo unter Anwendung
des Steuersignals an Satellit "i" eine Kalman-Messung durchgeführt wird.
Das Programm verlässt
die Kalman-Schleife 132, wenn "i" größer ist als
die Gesamtzahl von Satelliten in dem System, Schritt 137,
sonst springt das -Programm in Schritt 134 zum Beginn der
Kalman-Schleife 132 zurück.
-
Nach Verlassen der Kalman-Schleife 132 führt das
Programm Schritt 118 und dann Schritt 152 aus, wo eine
Entscheidung darüber
ertolgt, ob "k" größer ist
als die Gesamtzahl von Satelliten in dem System plus eins (in diesem
Erläuterungsbeispiel 25).
Wenn "k" größer ist
als 25, nimmt das Programm seine normalen Rahmenverarbeitungsvorgänge wieder
auf, wobei die gleichen Vorgänge
umgangen werden, wenn die Übertragungsschleife 114 mit
dem Schritt
110 übersprungen
wird. Die Rahmenverarbeitungsvorgänge sind in 4B beschrieben. Der Arbeitsablauf von
den in 4A gezeigten
Schritten zu den in 4B gezeigten
Schritte erfolgt auf einem von zwei Wegen, 154a oder 154b.
-
In 4B sind
die Rahmenverarbeitungsvorgänge
als Reihe von Schritten 156 gezeigt, die folgendes einschließen: Bestimmen,
ob seit Beginn der Simulation oder seit einer vorherigen 12 h Periode
12 h vergangen sind (Schritt 158). Wenn festgestellt wird,
dass 12 h vergangen sind, wird die Summe der kollektiven Taktgeberverschiebungen
aus der Weltzeit berechnet, und das Steuersignal wird aktualisiert (Schritt 160).
Ohne Rücksicht
auf die Rahmenzählung
wird der Satelliten-Nr.-1-PTT-Kreis weiter geleitet (Schritt 162);
Ephemerie-Taktgeber-
und Kalman-Filterparameter werden weiter geleitet (Schritt 164);
das Steuersignal wird weiter geleitet; und die Rahmenzähler werden
inkrementiert (Schritt 166).
-
Nach Abschluß der Rahmenverarbeitungsschritte 156 prüft das Programm,
um festzustellen, ob ein vollständiger Übertragungszeitraum
verstrichen ist (Schritt 168). Wenn der Zeitraum nicht
verstrichen ist, beginnt das Programm eine weitere Iteration der Rahmenschleife 108.
Wenn ein Übertragungszeitraum
verstrichen ist, prüft
das Programm, um festzustellen, ob seit Beginn der Simulation oder
seit einem vorherigen 1-h-Zeitraum 1 h verstrichen ist (Schritt 170),
in welchem Fall das Programm einen stündlichen Speicherabzug der
Taktgeberparameter durchführt
(Schritt 172). Nach dem stündlichen Speicherabzug oder
nach Schritt 170 prüft
das Programm gegebenenfalls, um festzustellen, ob bei der Simulation die
festgelegte Anzahl von Rahmen abgelaufen sind (Schritt 174).
Wenn die Simulation nicht die festgelegte Anzahl von Rahmen durchlaufen
hat, beginnt das Programm eine weitere Iteration der Hauptschleife 106.
Wenn die Simulation die festgelegte Anzahl von Rahmen durchlaufen
hat, werden zwei Vorgänge
durchgeführt,
bevor das Programm bei Schritt 180 endet. Die Phasendaten
von dem VCXO von Satellit Nr. 1 werden umgespeichert (Schritt 176),
und die rms-Frequenzverschiebung oder "Allan Variance" des VCXO wird über die Verschiebungen von
36 zu 720000 s berechnet (Schritt 178).
-
Die Ergebnisse der ersten Simulation
sind in 5 gezeigt, wo
die Phase der kollektiven Taktgeber im Vergleich zur Weltzeit gezeigt
ist – insbesondere – die vorübergehende
Reaktion eines repräsentativen
kollektiven Taktgebers und die stationäre Reaktion für alle kollektiven
Taktgeber. Wie aus der Figur gesehen werden kann, durchlaufen die
kollektiven Taktgeber einen 30-tägigen Übergangszeitraum, wonach
sie einen stationären
Zustand erreichen und in der Regel innerhalb von 5 ns der Weltzeit
bleiben. Aus 5 kann
auch gesehen werden, dass die Abweichung unter den kollektiven Taktgebern
nach Erreichen des stationären
Zustands bei etwa 1 ns bleibt. In der zweiten Simulation bleiben
die kollektiven Taktgeber nach Erreichen des stationären Zustands
in der Regel innerhalb von 10 ns der Weltzeit. Wie es bei der ersten
Simulation der Fall war, beträgt die
Abweichung unter den kollektiven Taktgebern etwa 1 ns.
-
In 7 ist
die zeitabhängige
mittlere Frequenzdrift eines kollektiven Taktgebers für beide
Simulationen gezeigt. Zu Vergleichszwecken sind auch die Frequenzvarianz
einer Cäsiumatomuhr
und einer Rubidiumatomuhr gezeigt. Wie aus der Figur gesehen werden
kann, entspricht der kollektive Taktgeber auf der Basis eines Cäsiumnormals
der Leistung eines Cäsiumnormals
und überschreitet
sie bei Zeitverzögerungen
von mehr als 1000 s, wenn der Kalman-Algorithmus stoppt.
-
In 8 ist
die zeitabhängige
mittlere Frequenzdrift des PTT-Kreises, der in 4 gezeigt ist, gezeigt. Der PTT-Kreis
hält den
VCXO in der Nähe, allerdings
nicht unter der Cäsiumspezifikation
im Intervall von 150 bis 15000 s. Oberhalb von 15000 s verschiebt
der Kalman-Algorithmus die Reaktion unter die Cäsiumspezifikation.
-
Wie aus den graphischen Leistungsdaten der 5 bis 8 gesehen werden kann, ermöglicht die hier
offenbarte RF-Link-Steuerung von Satellitentaktgebern einem Mehrsatellitensystem
die Aufrechterhaltung eines exakten und synchronisierten Taktreferenznormals
auf einem Leistungsniveau, das einem System auf der Basis der Verwendung
von Atomuhren in jedem von solchen Satelliten entspricht, während es
möglich
ist, dass ein Teil der Satelliten ohne eine bordinterne Atomuhr
arbeitet.
-
Hier wurde eine RF-Verknüpfungssteuerung der
Satellitentaktgeber beschrieben. Obwohl die vorliegende Ausführungsform
der Erfindung ausführlich beschrieben
wurde, sollte es selbstverständlich
sein, dass verschiedene Änderungen,
Austausche und Substitutionen hier vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.