專利名稱：使用具有交替發(fā)射和分析階段的定位衛(wèi)星的無線導航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)(RNSS)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，并且更準確地說，涉及改善這些系統(tǒng)提供的導航性能。
背景技術(shù)：
在諸如GALILEO(伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng))或GPS(全球定位系統(tǒng))之類的無線電導航系統(tǒng)中，確定定位衛(wèi)星星座的衛(wèi)星的軌道以及時鐘同步都基于由陸地控制站進行的測量處理。由于這些站相對于該衛(wèi)星星座的衛(wèi)星(其位于中地球軌道上)的陸地位置，難以很精確地對這些衛(wèi)星進行定位。此外，這些站的陸地位置使得無法對例如波形失真(“不良波形(evil waveform)”)中所反映出的某些操作信號異常進行檢測。操作信號由定位衛(wèi)星發(fā)射且用來對例如GPS接收機之類的GNSS或RNSS接收機的位置的確定。因此，任何的操作信號傳輸異常都可能會限制無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的導航性能。
在改善下一代GPS無線電導航系統(tǒng)、特別是未來的“GPS III”版本無線電導航系統(tǒng)的導航性能的嘗試中，已經(jīng)提出在定位衛(wèi)星上安裝所謂的衛(wèi)星間測距(ISR)收發(fā)信機，這種收發(fā)信機專門用于確定衛(wèi)星之間的偽距離(pseudodistance)。然而，這種收發(fā)信機利用完全不同于所述操作信號的專門信號，并且因此需要特定的時間同步和校準。這在定位衛(wèi)星級別上引入了額外的復雜性，并提高了衛(wèi)星制造的成本。此外，由于這些收發(fā)信機只對專門信號進行處理，因此不能確定操作信號的傳輸異常。
因此，本發(fā)明的一個具體目的是解決某些或所有以上所述的問題，并且更特別地是改善無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的導航性能。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明提出了一種用于無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星星座的定位衛(wèi)星，其包括發(fā)射機裝置、接收機裝置和處理器裝置，其中發(fā)射機裝置用于發(fā)射用來確定無線電導航接收機的位置的操作信號；接收機裝置用于接收由(從該衛(wèi)星的角度)視野內(nèi)衛(wèi)星星座的定位衛(wèi)星發(fā)射的至少某些操作信號；并且處理器裝置用于在選定時刻將發(fā)射機裝置對操作信號的發(fā)射中斷選定的期間，并在每個發(fā)射中斷期間對由接收機裝置在至少一部分所述選定期間內(nèi)接收到的至少某些操作信號進行分析。
本發(fā)明的定位衛(wèi)星可以具有其他的特征，并且特別是單獨地或以組合的形式具有這些其他的特征-其處理器裝置可以用于周期性地中斷發(fā)射，以建立發(fā)射階段和分析階段的交替；-該交替的時間優(yōu)選地是從所述衛(wèi)星星座的一個定位衛(wèi)星到另一個定位衛(wèi)星之間偏移，因此在每個周期內(nèi)所述星座的每個定位衛(wèi)星都具有一個分析階段，在該分析階段中只有該定位衛(wèi)星中斷其操作信號的發(fā)射；-其處理器裝置可以用于對所述接收到的操作信號的波形進行分析，以檢測代表傳輸異常且構(gòu)成分析結(jié)果的信號失真；-其處理器裝置可以用于對所述接收到的操作信號進行分析，以確定本衛(wèi)星與所述操作信號發(fā)自的視野內(nèi)的衛(wèi)星之間的偽距離，所述偽距離構(gòu)成分析結(jié)果；-其可以包括計算器裝置，其用于根據(jù)由所述處理器裝置確定的偽距離以及補充無線電導航數(shù)據(jù)來確定本衛(wèi)星的位置，每個所確定的位置構(gòu)成分析結(jié)果；-其處理器裝置可以用于指示所述發(fā)射機裝置將至少某些所述分析結(jié)果發(fā)送給所述無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的至少一個陸地站并且/或者發(fā)送給無線電導航接收機；-其接收機裝置可以用于接收來自所述無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的至少一個陸地站且準備供所述衛(wèi)星星座的其他定位衛(wèi)星使用的補充操作數(shù)據(jù)；在這種情況中，所述處理器裝置用于指示所述發(fā)射機裝置將由所述接收機裝置接收到的所述補充操作數(shù)據(jù)發(fā)射給作為其目的地的定位衛(wèi)星。
本發(fā)明還提出了一種無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)，其配備了上述類型的定位衛(wèi)星的衛(wèi)星星座。
本發(fā)明特別適合于，但不是排他地適合于GALILEO無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)和GPS無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)。
在閱讀以下詳細描述并研究附圖之后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得明顯。


圖1是本發(fā)明的無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的一部分的示圖；圖2是用于圖1中所示類型的無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的本發(fā)明的定位衛(wèi)星的一個實施例的功能框圖；圖3是圖1中所示的6個定位衛(wèi)星的交替的發(fā)射和分析階段的循環(huán)的示圖。
具體實施例方式
附圖構(gòu)成本發(fā)明描述的一部分，并且在必要時，有助于對本發(fā)明的詮釋。
本發(fā)明的一個目的是改善無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的導航性能。
作為一個非限制性例子，下文中所考慮的無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)是GALILEO系統(tǒng)。然而，本發(fā)明并不限于這種類型的無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)。本發(fā)明涉及其他類型的無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)，例如GPS。
首先參考圖1來描述一個無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)。
一般地說，無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)包括定位衛(wèi)星Si的衛(wèi)星星座CS以及位于地球T上的選定位置的控制站ST。
例如，未來GALILEO系統(tǒng)的衛(wèi)星星座包括位于中級地球軌道上的大約30個定位衛(wèi)星Si(i＝1～30)，這些繞著地球T的衛(wèi)星軌道近似地包含于(例如)三個平面中。為不使圖1過分復雜，在同一平面中只表示了6個衛(wèi)星S1-S6。
控制站ST(也稱作“上行站”)通過無線電波發(fā)送導航信息和同步信息，這些信息旨在用于將控制站ST的內(nèi)部時鐘同步到定位衛(wèi)星。
如圖2所示，每個定位衛(wèi)星Si包括導航器模塊MN，其用于生成將由發(fā)射機模塊ME通過無線電波特別是對著地球T發(fā)送的消息，以便位于地球T上或在其附近的無線電導航接收機能夠使用這些消息。此外，每個定位衛(wèi)星Si包括接收機模塊MR，其用于接收由控制站ST發(fā)送的消息，以便將該消息傳送給導航器模塊MN。
由(定位)衛(wèi)星Si發(fā)送的每個消息包括所謂的“操作”信號，該操作信號包含表示所述衛(wèi)星Si的標識符的數(shù)據(jù)及其相對于其內(nèi)部時鐘的發(fā)送時間等。
當無線電導航接收機接收到消息時，其確定發(fā)送該消息的衛(wèi)星Si的標識符，并隨后在給定了消息接收時間和所標識衛(wèi)星Si的軌道(存儲于標識符/軌道表中)的情況下確定該消息到達該無線電導航接收機所耗費的時間，并且最后在給定了消息發(fā)送時間的情況下確定該無線電導航接收機與該衛(wèi)星Si之間的偽距離。當該無線電導航接收機獲得其與4個不同的“視野內(nèi)”衛(wèi)星之間的4個偽距離時，就能夠確定其時空位置(X，Y，Z，t)。
例如，由電磁干擾引起的操作信號失真有可能限制時空位置測量的準確性。
本發(fā)明提出在無線電導航系統(tǒng)的衛(wèi)星星座CS的每個衛(wèi)星Si中，除了安裝其發(fā)射機模塊ME、接收機模塊MR和導航器模塊MN之外，還安裝處理器模塊MT。
根據(jù)本發(fā)明，衛(wèi)星Si的接收機模塊MR負責接收由視野內(nèi)衛(wèi)星星座CS的定位衛(wèi)星Si’發(fā)射的至少某些操作信號，這些信號現(xiàn)在已經(jīng)準備供無線電導航接收機來使用。
在GALILEO類型的系統(tǒng)中，操作信號由衛(wèi)星Si的發(fā)射機模塊ME以中心頻率約為1575.420MHz的“E1”頻率波段或以中心頻率約為1191.795MHz的“E5”頻率波段進行發(fā)射。
重要的是注意到，用于接收操作信號的接收機模塊MR可以不同于傳統(tǒng)地用于接收來自控制站ST的信息的接收機。實際上該接收機模塊MR可以是一種專門的接收機模塊。
根據(jù)本發(fā)明，處理器模塊MT負責首先，在選定的時間將發(fā)射機模塊ME對操作信號的發(fā)射中斷選定的期間；并且其次，在每個發(fā)射中斷期間對由接收機模塊MR在至少一部分該選定期間內(nèi)已經(jīng)接收到的至少某些操作信號進行分析。
處理器模塊MT能夠指示在導航器模塊MN的級別上或在發(fā)射機模塊ME的級別上中斷操作信號的發(fā)射。
優(yōu)選地定期進行這種中斷。這使得可以為每個衛(wèi)星Si定義時間段P的循環(huán)，在每個時間段P中，交替地進行選定期間的發(fā)射階段DT和選定期間的分析階段DA。
衛(wèi)星Si(或者至少是那些基本上位于同一平面上的軌道中的衛(wèi)星)的循環(huán)以及其階段的交替優(yōu)選地在這些衛(wèi)星彼此之間在時間上偏移。這使得每個衛(wèi)星Si在每個時間段P內(nèi)接收一次由與其在同一平面上的其他衛(wèi)星Si’發(fā)射的操作信號。換句話說，在每個時間段P期間，每個衛(wèi)星Si具有一個分析階段DA，在分析階段DA期間只有這個衛(wèi)星中斷了其操作信號的發(fā)送。
圖3示出了對于圖1中近似地位于同一平面的6個衛(wèi)星S1-S6，交替進行期間的發(fā)射階段DT和期間的分析階段DA的循環(huán)CS1-CS6的示例。當然，這僅是說明性的例子并且可以進行多種改變。
該分析可以涉及在分析階段DA期間接收到的所有操作信號，只涉及在分析階段DA的一個選定部分期間接收到的操作信號，或者只涉及在分析階段DA的一個選定部分期間接收到的操作信號中的某些信號。
處理器模塊MT可以配置為實現(xiàn)一種或多種分析，例如，分析器模塊MA可以負責對接收到的操作信號進行分析，以確定其衛(wèi)星Si與發(fā)射了該操作信號的視野內(nèi)的衛(wèi)星Si’之間的偽距離。為此，該分析器模塊MA只需從信號發(fā)送時間中減去接收到每個操作信號的時間并隨后將這一減式的結(jié)果乘以光速即可。
作為對上述內(nèi)容的替代或者除了上述內(nèi)容以外，處理器模塊MT可以包括分析器模塊MA，其負責對接收到的操作信號的波形進行分析，以檢測代表傳輸異常的信號失真。例如，可以檢測波形失真(“不良波形”)?？梢钥紤]任何能夠提供這種檢測功能的方法。例如，可以在模塊MA中執(zhí)行用于基于所接收信號的代碼與包含于模塊MA的軟件中的代碼的副本的相關(guān)性來對所接收信號進行處理的方法。可以在這些相關(guān)性(或比較)的基礎(chǔ)上生成度量并將其與預定門限相比較。同樣，可以采用模板或快速傅立葉變換(FFT)。
還可以在每個衛(wèi)星Si中提供計算器模塊MC，以根據(jù)由分析器模塊MA確定的偽距離以及補充無線電導航數(shù)據(jù)(其為構(gòu)成存儲于無線電導航接收機中的衛(wèi)星標識符/軌道對照表的類型的數(shù)據(jù))確定其位置。于是，計算器模塊MC和至少一部分專門用于確定偽距離的分析器模塊MA就好像一起構(gòu)成了一個子系統(tǒng)，其相當于專門用于獲得無線電導航接收機的時空位置的子系統(tǒng)。
這一點是特別有利的，原因是這使得每個衛(wèi)星可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵸|(zhì)上總是能夠獲知其在選定的參考框架下的時空位置的自主導航衛(wèi)星。
與圖2中所示出的情況不同，還可以將計算器模塊MC集成到處理器模塊MT中。
除了對來自視野內(nèi)的衛(wèi)星Si’的操作信號進行分析之外，每個衛(wèi)星Si的處理器模塊MT還可以負責指示發(fā)射機裝置向地球T發(fā)送至少某些分析結(jié)果，并且因此向無線電導航系統(tǒng)的至少一個控制站ST并且/或者向無線電導航接收機發(fā)送至少某些分析結(jié)果。
這一點是特別有利的，原因是這大大簡化了無線電導航接收機的任務(如果該分析結(jié)果涉及衛(wèi)星Si相對于視野內(nèi)的其他衛(wèi)星Si’的偽距離，或者在更好的情況下該結(jié)果涉及衛(wèi)星Si的時空位置)，并且因此改善了導航性能，特別是無線電導航接收機的時空位置的確定的準確性。
每個衛(wèi)星Si的處理器模塊MT可以配置為指示發(fā)射機模塊ME在分析階段DA期間或在分析階段DA之后發(fā)送至少某些分析結(jié)果。
每個衛(wèi)星Si的接收機模塊MR還可以適用于接收來自無線電導航系統(tǒng)的至少一個控制站ST的準備供衛(wèi)星星座CS的其他衛(wèi)星Si’使用的另外的操作數(shù)據(jù)。
這些另外的操作數(shù)據(jù)可以包括例如用于同步內(nèi)部時鐘或更新衛(wèi)星標識符/軌道表的導航信息和同步信息，或任何其他對內(nèi)部分析有用的信息。
在這種情況下，每個衛(wèi)星Si的處理器模塊MT有利地負責指示發(fā)射機模塊ME將另外的操作數(shù)據(jù)(由接收機模塊MR接收)發(fā)送到作為數(shù)據(jù)目的地的衛(wèi)星Si’。
這一點是特別有利的，原因是這給衛(wèi)星星座CS的每個衛(wèi)星Si提供了一種功能，即將信息中轉(zhuǎn)給在其軌道的某些階段期間沒有位于接收所述信息的位置的其他衛(wèi)星Si’。
本發(fā)明的定位衛(wèi)星的處理器模塊MT以及在適當?shù)臅r候計算器模塊MC可以采取電路形式、軟件(或電子數(shù)據(jù)處理)模塊的形式或電路和軟件的組合的形式。
假設(shè)定位衛(wèi)星Si在其分析階段期間不能發(fā)送標準的操作信號，則有利的是在衛(wèi)星星座CS中提供至少一個補充的定位衛(wèi)星。例如，如果衛(wèi)星星座的衛(wèi)星大致分布于3個平面上，則可以在每個平面上提供一個補充衛(wèi)星。也可以使用在某些衛(wèi)星星座中配置的用于代替失效衛(wèi)星(failed satellite)的備份衛(wèi)星。
本發(fā)明提供了很多優(yōu)點，根據(jù)可以設(shè)想的變型的功能，這些優(yōu)點單獨地或以組合的形式包括-改善了對定位衛(wèi)星的實際軌道的確定和衛(wèi)星間的同步，特別是使得可以獲得關(guān)于時空位置的小于大概70cm的典型精確度，并且可以獲得軌道精確度與在1σ(千分之一秒)級別上的時鐘的組合誤差；-有可能將每個定位衛(wèi)星轉(zhuǎn)換成自主導航衛(wèi)星；以及-有可能檢測并分離出傳輸異常。
本發(fā)明不限于上文中僅作為示例描述的定位衛(wèi)星和無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)，而是包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能設(shè)想到的落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有變型。
權(quán)利要求
1.一種用于無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星星座的定位衛(wèi)星，所述星座的每個衛(wèi)星均包括發(fā)射機裝置，用于發(fā)射用來確定無線電導航接收機的位置的操作信號，所述衛(wèi)星包括接收機裝置，用于接收視野內(nèi)的所述星座的定位衛(wèi)星發(fā)射的至少某些所述操作信號；并且包括處理器裝置，用于在選定時刻將所述發(fā)射機裝置對所述操作信號的發(fā)射中斷選定的期間，并在每個發(fā)射中斷期間對由所述接收機裝置在至少一部分所述選定期間內(nèi)接收到的至少某些操作信號進行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位衛(wèi)星，其中所述處理器裝置用于周期性地中斷發(fā)射，以建立發(fā)射階段和分析階段的交替。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位衛(wèi)星，其中所述交替的時間從所述星座的一個定位衛(wèi)星到另一個定位衛(wèi)星之間偏移，因此在每個周期內(nèi)所述星座的每個定位衛(wèi)星都具有一個分析階段，在該分析階段期間只有該定位衛(wèi)星中斷其操作信號的發(fā)射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的定位衛(wèi)星，其中所述處理器裝置用于對所述接收到的操作信號的波形進行分析，以檢測代表傳輸異常且構(gòu)成分析結(jié)果的信號失真。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位衛(wèi)星，其中所述處理器裝置用于對所述接收到的操作信號進行分析，以確定本衛(wèi)星與所述操作信號所發(fā)自的視野內(nèi)的衛(wèi)星之間的偽距離，所述偽距離構(gòu)成分析結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位衛(wèi)星，包括計算器裝置，用于根據(jù)由所述處理器裝置確定的偽距離以及補充無線電導航數(shù)據(jù)來確定本衛(wèi)星的位置，每個所確定的位置構(gòu)成分析結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定位衛(wèi)星，其中所述處理器裝置用于指示所述發(fā)射機裝置將至少某些所述分析結(jié)果發(fā)送給所述無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的至少一個陸地站并且/或者發(fā)送給無線電導航接收機。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位衛(wèi)星，其特征在于所述處理器裝置用于指示所述發(fā)射機裝置在分析階段發(fā)送所述分析結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位衛(wèi)星，其中所述接收機裝置用于接收來自所述無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的至少一個陸地站且準備供所述星座的其他定位衛(wèi)星使用的補充操作數(shù)據(jù)，并且所述處理器裝置用于指示所述發(fā)射機裝置將由所述接收機裝置接收到的所述補充操作數(shù)據(jù)發(fā)射給作為其目的地的定位衛(wèi)星。
10.一種無線電導航系統(tǒng)，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述定位衛(wèi)星的星座。
全文摘要
一種用于無線電導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星星座的定位衛(wèi)星，其包括發(fā)射機裝置、接收機裝置和處理器裝置，其中發(fā)射機裝置用于發(fā)射用來確定無線電導航接收機的位置的操作信號；接收機裝置用于接收由視野內(nèi)的衛(wèi)星星座的定位衛(wèi)星發(fā)射的至少某些操作信號；并且處理器裝置用于在選定時間將發(fā)射機裝置對操作信號的發(fā)射中斷一段選定的期間，并在每個發(fā)射中斷期間對由接收機裝置在至少一部分所述選定期間內(nèi)接收到的至少某些操作信號進行分析，例如用以檢驗該信號的波形以及/或者用以確定偽距離。
文檔編號G01S19/02GK1847875SQ20061006679
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月14日
發(fā)明者讓·路易·達米多, 迪迪?！じダ?申請人:阿爾卡特公司