WO2009013404A2 - Système pour le positionnement d'un utilisateur terrestre - Google Patents

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WO2009013404A2
WO2009013404A2 PCT/FR2008/000856 FR2008000856W WO2009013404A2 WO 2009013404 A2 WO2009013404 A2 WO 2009013404A2 FR 2008000856 W FR2008000856 W FR 2008000856W WO 2009013404 A2 WO2009013404 A2 WO 2009013404A2
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Definitions

  • the present invention relates to the positioning systems of a terrestrial satellite user, this user being on the Earth, on the sea or even in Earth orbit.
  • Satellite positioning systems are known to have a constellation of navigation satellites placed in mid-altitude orbits (of the order of 25,000 km) around the Earth. These navigation satellites and their orbits are generally referred to in the art as “MEO satellites” and “MEO orbits” respectively (Medium Eiarth C) rbit).
  • the navigation satellites are uniformly distributed in several orbital planes, so that, at any point on the Earth, a user can see several navigation satellites, that is to say, be in direct lines with them (at minus three, but four if the user wants to know his altitude) and deduce his own terrestrial coordinates.
  • at least one ground control center cooperating with communications stations distributed on the surface of the Earth, is provided to ensure the nominal operation of the constellation of navigation satellites.
  • the object of the present invention is therefore a terrestrial positioning system making it possible to achieve this objective.
  • the system for positioning a terrestrial user said system comprising:
  • a second plurality of management satellites placed in high orbits able to at least partially manage said navigation satellites and to communicate with the Earth, is remarkable in that:
  • said second plurality comprises a set of at least three management satellites, each placed on a high orbit, whose plane is inclined with respect to the plane of the Earth's equator and intersects the latter with a line of diametrical intersection by relation to the Earth;
  • the plane determined by the management satellites of said set is constantly outside the set of medium altitude orbits of said first plurality.
  • said angle of longitude is at most equal to 160 ° so that said management satellites remain in view of the same control station.
  • the inclinations of the planes of the high orbits of the three management satellites of said set are identical.
  • the inclined high orbits of the management satellites of said set are geosynchronous.
  • the apparent heights of the three management satellites, seen from the Earth's equator vary sinusoidally. It is then advantageous for the corresponding sinusoids to be shifted by a number of hours equal to 24 / n, where n is the number of management satellites of said set.
  • Figure 1 is a schematic and partial view of a satellite positioning system with high orbiting management satellites.
  • Figure 2 shows, in schematic perspective view, a management satellite disposed in a high geosynchronous orbit.
  • Figure 3 illustrates the trajectory of the management satellite of Figure 2, seen from the equator of the Earth.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating, as a function of time t (in hours), the apparent height, above the equator, of the management satellite of FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 5 is a diagrammatic and partial perspective view of the positioning system with three management satellites in accordance with the present invention.
  • FIG. 6 shows, in schematic view, the set of apparent trajectories of the three management satellites of the system of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating, as a function of time t (in hours), the entanglement of the sinusoidal variations of the apparent heights of the three management satellites of the system of FIG. 5.
  • the known satellite positioning system shown schematically and partially in FIG. 1, comprises:
  • Management satellites 3 placed in high orbits 4 (of the order of 45 000 km) around the Earth T. Through a control center and terrestrial communications stations (not shown), said management satellites 3 are able to at least partially manage the navigation satellites 2, for example, but not exclusively, as described in the French patent application No. 07 03562 filed May 18, 2007 in the name of the same applicant.
  • FIGS. 2, 3 and 4 intended to make the present invention better understood, described below with reference to FIGS. 5, 6 and 7, relate to a single management satellite 3 placed in a high orbit 4.
  • this high orbit 4 is geosynchronous and its plane P4 is inclined at an angle of inclination i with respect to the plane PE of the equator E.
  • the intersection of the planes P4 and PE is a diametrical straight line 5
  • Figure 2 there is further shown:
  • the geostationary orbit 8 arranged in the plane PE of the equator E, with a period of twenty-four hours and a radius of 42 000 km, this geostationary orbit corresponding to the orthogonal projection of the high orbit 4 on the plane EP. Because the high orbit 4 is geosynchronous, the line of sight 7 remains pointed at the management satellite 3, when it runs through said high orbit 4 and the equatorial point 6 rotates with the Earth around the North axis (N) - South (S) thereof.
  • the apparent height h of said management satellite 3 varies sinusoidally during the rotation of the earth T and said satellite 3, because of that the plane P4 of the geosynchronous high orbit 4 is inclined with respect to the plane PE of the equator E.
  • the sinusoid 10 representative of the variation of the apparent height h as a function of time is represented. t (in hours).
  • this apparent height h is zero at 0 o'clock and at 12 hours the maximum value (hmax) at 6 hours and minimum (-hmax value) at 18 hours (see Figure 4).
  • the management satellite 3 describes an apparent trajectory 9, in the form of eight with a North-South axis, disposed in a plane tangent to said geosynchronous high orbit 4 and comprising two symmetrical lobes whose crossing point is on the line of diametral intersection 5 (see Figure 3).
  • the management satellite 3 describes in twenty-four hours the apparent trajectory 9 around the line of diametrical intersection 5.
  • the system for positioning a terrestrial user comprises, in addition to a plurality of navigation satellites 1 placed in mid-altitude orbits 2, three management satellites 3.1, 3.2 and 3.3 (similar to satellite 3) each placed in a high orbit. These three high orbits do not are not shown for reasons of clarity of drawing, but they are each similar to the high orbit 4 described with reference to FIG.
  • the three geosynchronous high orbits (respectively similar to orbit 4) on which the management satellites 3.1, 3.2 and 3.3 are respectively placed are in planes (respectively similar to the plane).
  • the inclinations i, with respect to said plane PE, of the planes containing the high orbits of said management satellites 3.1, 3.2 and 3.3 are equal and the two lines of diametrical intersection 5.2 and 5.3, which are on either side of the line of intermediate diametrical intersection 5.1, make with it an angle of longitude ⁇ at least equal to 45 ° and at most equal to 80 °.
  • each satellite 3.1, 3.2 and 3.3 describes, for an observer placed on the equator E and the observer, an apparent trajectory 9.
  • the management satellite 3.2 has an eight-hour phase delay with respect to the management satellite 3.1 and an eight-hour phase advance with respect to the satellite 3.3.

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Abstract

Selon l'invention, les satellites de navigation (1 ) sont au moins partiellement gérés par au moins trois satellites de gestion (3.1 à 3.3) placés sur des orbites hautes inclinées par rapport à l'équateur (E). Ces orbites hautes coupent le plan de l'équateur (E) suivant des droites d'intersection diamétrales (5.1 à 5.3) telles que les deux droites d'intersection diamétrales externes (5.2, 5.3) font entre elles un angle de longitude (2T) au moins égal à 90°.

Description

Système pour le positionnement d'un utilisateur terrestre.
La présente invention concerne les systèmes de positionnement d'un utilisateur terrestre par satellites, cet utilisateur se trouvant sur Ia Terre, sur la mer ou bien encore en orbite terrestre.
On sait que les systèmes de positionnement par satellites compor- tent une constellation de satellites de navigation placés sur des orbites de moyenne altitude (de l'ordre de 25 000 km) autour de la Terre. Ces satellites de navigation et leurs orbites sont généralement désignés dans la technique par "satellites MEO" et "orbites MEO", respectivement (Médium Eiarth C)rbit). Les satellites de navigation sont répartis uniformément dans plusieurs plans orbitaux, de façon que, en tout point de la Terre, un utilisateur puisse voir plusieurs satellites de navigation, c'est-à-dire se trouver en lignes directes avec ceux-ci (au moins trois, mais quatre si l'utilisateur désire connaître son altitude) et en déduire ses propres coordonnées terrestres. De plus, au moins un centre de contrôle terrestre, coopérant avec des stations de communications réparties à la surface de la Terre, est prévu pour assurer le fonctionnement nominal de la constellation de satellites de navigation.
Pour améliorer la gestion de ladite constellation de satellites de navigation, on a déjà proposé de compléter ledit centre de contrôle et lesdi- tes stations de communication terrestres par des satellites de gestion placés sur des orbites hautes (de l'ordre de 45 000 km), aptes à gérer au moins partiellement lesdits satellites de navigation et à communiquer avec la Terre.
H va de soi que la fabrication, la mise en place, l'utilisation et l'ex- ploitation de tels satellites de gestion en orbites hautes représentent des coûts élevés, de sorte qu'il est avantageux de limiter le nombre desdits satellites de gestion.
L'objet de la présente invention est donc un système de positionnement terrestre permettant d'atteindre cet objectif. A cette fin, selon l'invention, le système pour le positionnement d'un utilisateur terrestre, ledit système comportant :
- une première pluralité de satellites de navigation placés sur des orbites de moyenne altitude ; et
- une seconde pluralité de satellites de gestion placés sur des orbites hau- tes, aptes à gérer au moins partiellement lesdits satellites de navigation et à communiquer avec la Terre, est remarquable en ce que :
- ladite seconde pluralité comporte un ensemble d'au moins trois satellites de gestion placés chacun sur une orbite haute, dont le plan est in- cliné par rapport au plan de l'équateur terrestre et coupe ce dernier suivant une droite d'intersection diamétrale par rapport à la Terre ; et
- les deux droites d'intersection diamétrales externes font entre elles un angle de longitude au moins égal à 90°.
Ainsi, on fait en sorte qu'il y ait au moins deux satellites de ges- tion en vue de chaque satellite de navigation, en évitant le masquage de la Terre.
Afin d'assurer la régularité des communications entre les satellites de navigation et les satellites de gestion, il est avantageux que le plan déterminé par les satellites de gestion dudit ensemble soit constamment ex- térieur à l'ensemble des orbites de moyenne altitude de ladite première pluralité.
En pratique, ledit angle de longitude est au plus égal à 160°, pour que lesdits satellites de gestion restent en vue de la même station de contrôle. De préférence, les inclinaisons des plans des orbites hautes des trois satellites de gestion dudit ensemble sont identiques.
Pour réduire le nombre de stations de communications au sol, il est avantageux que les orbites hautes inclinées des satellites de gestion dudit ensemble soient géosynchrones.
En fonction du temps, les hauteurs apparentes des trois satellites de gestion, vus de l'équateur de la Terre, varient de façon sinusoïdale. Il est alors avantageux que les sinusoïdes correspondantes soit décalées d'un nombre d'heures égal à 24/n, n étant le nombre de satellites de ges- tion dudit ensemble.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 est une vue schématique et partielle d'un système de positionnement par satellites comportant des satellites de gestion en orbites hautes.
La figure 2 montre, en vue en perspective schématique, un satellite de gestion disposé sur une orbite haute géosynchrone.
La figure 3 illustre la trajectoire du satellite de gestion de la figure 2, vue de l'équateur de la Terre.
La figure 4 est un diagramme illustrant, en fonction du temps t (en heures), la hauteur apparente, au-dessus de l'équateur, du satellite de gestion des figures 2 et 3.
La figure 5 illustre en vue en perspective, schématique et partielle, le système de positionnement à trois satellites de gestion, conforme à la présente invention.
La figure 6 montre, en vue schématique, l'ensemble des trajectoires apparentes des trois satellites de gestion du système de la figure 5. La figure 7 est un diagramme illustrant, en fonction du temps t (en heures), l'enchevêtrement des variations sinusoïdales des hauteurs apparentes des trois satellites de gestion du système de la figure 5.
Le système de positionnement par satellites connu, représenté schématiquement et partiellement sur la figure 1 , comporte :
- des satellites de navigation 1 placés sur des orbites de moyenne altitude 2 (de l'ordre de 25 000 km) autour de la Terre T ; et
- des satellites de gestion 3 placés sur des orbites hautes 4 (de l'ordre de 45 000 km) autour de la Terre T. Par l'intermédiaire d'un centre de contrôle et de stations de communications terrestres (non représentés), lesdits satellites de gestion 3 sont aptes à gérer au moins partiellement les satellites de navigation 2, par exemple, mais non exclusivement, de la façon décrite dans la demande de brevet français n° 07 03562 déposée le 18 mai 2007 au nom de la même demanderesse.
Les figures 2, 3 et 4, destinées à bien faire comprendre la présente invention décrite par la suite en regard des figures 5, 6 et 7, se rapportent à un unique satellite de gestion 3 placé sur une orbite haute 4. Dans ce cas (voir la figure 2), cette orbite haute 4 est géosynchrone et son plan P4 est incliné d'un angle d'inclinaison i par rapport au plan PE de l'équateur E. L'intersection des plans P4 et PE est une droite diamétrale 5. Sur la figure 2, on a de plus représenté :
- le point 6 de l'équateur E se trouvant dans le plan méridien terrestre passant par ledit satellite de gestion 3 et la ligne de visée 7 joignant Ie- dit point 6 à ce dernier ; et
- l'orbite géostationnaire 8, disposée dans le plan PE de l'équateur E, de période vingt-quatre heures et de rayon égal à 42 000 km, cette orbite géostationnaire correspondant à la projection orthogonale de l'orbite haute 4 sur le plan PE. Du fait que l'orbite haute 4 est géosynchrone, la ligne de visée 7 reste pointée sur le satellite de gestion 3, lorsque celui-ci parcourt ladite orbite haute 4 et que le point équatorial 6 tourne avec la Terre autour de l'axe Nord (N) - Sud (S) de celle-ci. Ainsi, pour un observateur placé sur l'équateur E et apte à observer le satellite de gestion 3, la hauteur apparente h dudit satellite de gestion 3 varie de façon sinusoïdale au cours de la rotation de la terre T et dudit satellite 3, du fait que Ie plan P4 de l'orbite haute géosynchrone 4 est incliné par rapport au plan PE de l'équateur E. Sur la figure 4, on a re- présenté Ia sinusoïde 10 représentative de la variation de la hauteur apparente h en fonction du temps t (en heures).
Si l'on suppose, comme sur la figure 4, que le satellite de gestion 3 est aligné avec la droite diamétrale 5 à 0 heure, cette hauteur apparente h est nulle à 0 heure et à 1 2 heures, maximale (valeur hmax) à 6 heures et minimale (valeur -hmax) à 18 heures (voir la figure 4).
Il en résulte que, pour un observateur placé sur l'équateur E, le satellite de gestion 3 décrit une trajectoire apparente 9, en forme de huit d'axe Nord-Sud, disposée dans un plan tangent à ladite orbite haute géosynchrone 4 et comportant deux lobes symétriques dont le point de croi- sèment est situé sur la droite d'intersection diamétrale 5 (voir la figure 3). Pour cet observateur, on peut donc considérer que le satellite de gestion 3 décrit en vingt-quatre heures la trajectoire apparente 9 autour de la droite d'intersection diamétrale 5.
Le système pour le positionnement d'un utilisateur terrestre, conforme à la présente invention et représenté sur la figure 5, comporte, outre une pluraiité de satellites de navigation 1 placés sur des orbites 2 de moyenne altitude, trois satellites de gestion 3.1 , 3.2 et 3.3 (semblables au satellite 3) placés chacun sur une orbite haute. Ces trois orbites hautes ne sont pas représentées pour des raisons de clarté de dessin, mais elles sont chacune semblables à l'orbite haute 4 décrite en regard de la figure 2.
Tout comme l'orbite haute 4 de la figure 2, les trois orbites hautes géosynchrones (respectivement semblables à l'orbite 4) sur lesquelles sont respectivement placés les satellites de gestion 3.1 , 3.2 et 3.3 se trouvent dans des plans (respectivement semblables au plan P4) inclinés par rapport au plan PE de l'équateur E et coupent ledit plan PE suivant des droites d'intersection diamétrales 5.1 , 5.2 et 5.3 (chacune semblable à la droite d'intersection diamétrale 5), respectivement. Les inclinaisons i, par rapport audit plan PE, des plans contenant les orbites hautes desdits satellites de gestion 3.1 , 3.2 et 3.3 sont égales et les deux droites d'intersection diamétrales 5.2 et 5.3, qui se trouvent de part et d'autre de la droite d'intersection diamétrale intermédiaire 5.1 , font avec celle-ci un angle de longitude θ au moins égal à 45 ° et au plus égal à 80°. De plus, le plan P3 déterminé par les trois satellites de gestion 3.1 ,
3.2 et 3.3 est extérieur à l'ensemble des orbites 2 de moyenne altitude sur lesquelles sont placés les satellites de navigation 1 .
Ainsi, de façon semblable à ce qui a été expliqué ci-dessus à propos du satellite 3, chaque satellite 3.1 , 3.2 et 3.3 décrit, pour un observa- teur placé sur l'équateur E et l'observant, une trajectoire apparente 9.1 ,
9.2 ou 9.3 en forme de huit, d'axe Nord-Sud et disposée dans un plan tangent à l'orbite géostationnaire 8, les deux lobes de chaque trajectoire apparente 9.1 , 9.2 et 9.3 se croisant sur la droite d'intersection diamétrale 5.1 , 5.2 ou 5.3, respectivement. Ceci est illustré par le schéma de la figure 6, sur laquelle on a représenté, de face, les trois trajectoires apparentes 9.1 , 9.2 et 9.3.
Les hauteurs apparentes h desdits satellites de gestion 3.1 , 3.2 et
3.3 varient donc de façon sinusoïdale en fonction du temps t. Sur la figure 7, on a représenté les trois sinusoïdes 10.1 , 10.2, 10.3 correspondantes (chacune d'elles étant semblable à la sinusoïde 10 de la figure 4).
Dans l'exemple des figures 6 et 7, le satellite de gestion 3.2 a un retard de phase de huit heures par rapport au satellite de gestion 3.1 et une avance de phase de huit heures par rapport au satellite 3.3.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système pour le positionnement d'un utilisateur terrestre, ledit système comportant :
- une première pluralité de satellites de navigation (1 ) placés sur des orbi- tes de moyenne altitude (2) ; et
- une seconde pluralité de satellites de gestion (3) placés sur des orbites hautes (3), aptes à gérer au moins partiellement lesdits satellites de navigation (1) et à communiquer avec la Terre (T), caractérisé en ce que : - ladite seconde pluralité comporte un ensemble d'au moins trois satellites de gestion (3.1 , 3.2, 3.3) placés chacun sur une orbite haute, dont le plan est incliné par rapport au plan (PE) de l'équateur terrestre (E) et coupe ce dernier suivant une droite d'intersection (5.1 , 5.2, 5.3) diamétrale par rapport à la Terre (T) ; et - les deux droites d'intersection diamétrales externes (5.2, 5.3) font entre elles un angle de longitude (2Θ) au moins égal à 90°.
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le plan déterminé par les satellites de gestion (3.1 , 3.2, 3.3) dudit ensemble est constamment extérieur à l'ensemble des orbi- tes (2) de moyenne altitude de ladite première pluralité.
3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit angle de longitude (2Θ) est au plus égal à 160° .
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les inclinaisons (i) des plans des orbites hautes des satellites de gestion (3.1 , 3.2, 3.3) dudit ensemble sont identiques.
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les orbites hautes des satellites de gestion dudit ensemble sont géosynchrones.
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les hauteurs apparentes sinusoïdales (h) desdits trois satellites de gestion (3.1 , 3.2, 3.3), vus de la Terre (T), sont déphasées d'un nombre d'heures égal à 24/n, n étant le nombre des satellites de ges- tion dudit ensemble.
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