СПОСОБ И СИСТЕМА СПУТНИКОВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01S5/14 H04B7/185 

Настоящее изобретение относится к системам спутникового наземного позиционирования.

Известно, что системы спутникового позиционирования содержат созвездие навигационных спутников, размещенных на средневысотных орбитах (порядка 25000 км) вокруг Земли. Эти навигационные спутники и их орбиты обычно называются «MEO-спутниками» («среднеорбитальными спутниками») и «MEO-орбитами» («средневысотными орбитами»), соответственно (Medium Earth Orbit - средневысотная околоземная орбита) в данной области техники. MEO-спутники равномерно распределены по нескольким орбитальным плоскостям, так что в любой точке Земли пользователь может видеть несколько MEO-спутников, то есть быть на прямых линиях с ними (по меньшей мере тремя, однако четырьмя, если пользователь желает узнать свою высоту), и выводить свои собственные наземные координаты из этого.

Каждый MEO-спутник имеет атомные часы высокой стабильности и точности, а также электронный элемент оборудования, который адресует наземным пользователям сообщения, содержащие скорректированное время (относительно общего опорного сигнала) и эфемериды спутника. На основе этих сообщений, принятых с нескольких MEO-спутников, пользователь определяет свое расстояние от различных спутников в прямой видимости и, следовательно, выводит из него свое местоположение в наземных координатах. Чтобы гарантировать номинальную работу созвездия MEO-спутников, наземный центр управления выполняет измерение орбиты и бортового времени для каждого MEO-спутника. Этот центр управления вычисляет эфемериды MEO-спутников и поправку времени, которые должны транслироваться каждым MEO-спутником в предстоящие промежутки времени.

Основной недостаток этих систем наземного позиционирования состоит в том, что качество позиционирования наземных пользователей основано на качестве эфемерид и скорректированного времени, транслируемых каждым MEO-спутником. Поэтому вслед за ошибкой центра управления или неисправности на борту MEO-спутника может случиться, что реальное местоположение, скорректированное время и/или эфемериды, транслируемые одним или более MEO-спутниками, становятся ложными, тем самым вызывая увеличение погрешности позиционирования для всех пользователей в зоне видимости спутников. Ошибка в итоге будет обнаружена и исправлена центром управления, который отслеживает MEO-спутники, но, между тем, определенные пользователи, которые пользуются системой для важных функций, например навигации, могут оказаться в ситуации крайней небезопасности.

Уже было предложено несколько решений для изменения конструкции MEO-спутников и их синхронизации по внешним опорным тактовым сигналам, с тем чтобы повысить достоверность сообщений, передаваемых MEO-спутниками. Однако во всех этих решениях обнаружение аномалий на MEO-спутниках гарантируется сетью наземных станций мониторинга, которые передают в центр управления информационный сигнал касательно этих аномалий, а исправление последних поручается упомянутому центру управления. Дополнительно, чтобы быть эффективными, эти решения вводят в действие по меньшей мере пятьдесят станций мониторинга, постоянно соединенных с упомянутым центром управления параллельно, посредством многочисленных каналов. Это имеет следствием высокие затраты на монтаж и использование.

Более того, обнаружение аномалий сетью наземных станций мониторинга служит причиной сильного ослабления в точности нахождения местоположения MEO-спутников. Более точно, для конкретного MEO-спутника все измерения расстояний выполняются с наземных станций, которые поэтому все расположены в пределах уменьшенного пространственного угла, так как диаметр земли мал по отношению к диаметру MEO-орбит. В результате точность в горизонтальной плоскости ограничивается, соответственно снижая надежность мгновенного обнаружения аномалий.

Дополнительно все измерения, выполняемые такой сетью наземных станций мониторинга, нарушаются локальными эффектами (тропосферными, ионосферными ошибками, ошибками многолучевого распространения), тем самым вызывая погрешности измерений, которые ухудшают достоверность обнаружения аномалий и создают опасность формирования ложных предупредительных сигналов, если было зафиксировано пороговое значение допуска, очень близкое к этим погрешностям.

Дополнительный недостаток обнаружения аномалий сетью наземных станций мониторинга является результатом времени запаздывания между моментом, когда возникает аномалия на MEO-спутнике, и мгновением, когда пользователь, в конечном счете, оповещен об этой аномалии. Более точно, цепь обнаружения/уведомления включает в себя всемирную сеть станций, центр управления, который на основе всех измерений станций будет обнаруживать аномалию, станции для транслирования предупредительного сообщения на спутники и систему для ретрансляции предупредительного сообщения на борт MEO-спутника. Эта длинная и сложная цепь вызывает время запаздывания между наступлением аномалии и уведомлением пользователей, которое едва ли совместимо с высочайшими требованиями надежности в эксплуатации, например, такими как применимые в области аэронавтики.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы исправить эти недостатки.

Для этой цели согласно изобретению способ позиционирования пользователя на Земле, упомянутый способ, внедряет множество навигационных спутников, которые размещены на средневысотных орбитах и которые управляются по меньшей мере одним наземным центром управления, каждый из упомянутых навигационных спутников передает первую информацию о времени и местоположении, которые индивидуальны для него, примечателен тем, что:

- множество опорных маяков, управляемых упомянутым наземным центром управления, и при этом каждый способен передавать специальную вторую информацию о времени и местоположении, а также специальный радиоэлектрический сигнал распределены в пространстве; и

- на борту каждого навигационного спутника:

▪ детектируют упомянутую передаваемую вторую информацию о времени и местоположении по меньшей мере некоторыми из упомянутых опорных маяков;

▪ вычисляют первые значения и вторые значения, соответственно представляющие расстояния между упомянутым навигационным спутником и каждым из упомянутых маяков, и скорость изменения этих расстояний на основе упомянутой первой и второй информации о времени и местоположении;

▪ измеряют изменение в доплеровской частоте, появляющееся в упомянутых передаваемых радиоэлектрических сигналах, упомянутыми опорными маяками;

▪ вычисляют третьи значения и четвертые значения, соответственно представляющие расстояния между упомянутым навигационным спутником и каждым из упомянутых маяков, и скорость изменения этих расстояний на основе упомянутых изменений в доплеровской частоте;

▪ для каждого опорного маяка сравнивают упомянутое первое значение расстояния и упомянутое третье значение расстояния, а также упомянутое второе значение скорости изменения расстояния и упомянутое четвертое значение скорости изменения расстояния;

▪ генерируют сигнал, представляющий результаты упомянутых сравнений; и

▪ упомянутый навигационный спутник передает этот сигнал результата сравнения упомянутому пользователю по меньшей мере в случае, где упомянутое сравнение показывает аномалию.

Таким образом, в силу настоящего изобретения каждый навигационный MEO-спутник находится на однонаправленной связи с упомянутыми передающими маяками и может проверять автономным образом, что существенная информация, которую он передает пользователям, является действительной в каждый момент времени. Если проверка прерывается или если она показывает отклонения по отношению к этой существенной информации, рассматриваемый навигационный спутник включает в последнюю сообщение, указывающее, что упомянутая информация является либо сомнительной (случаи, в которых цепь проверки прерывается или обнаруженное отклонение является значительным, но приемлемым), либо ложной. Поэтому пользователи могут незамедлительно либо игнорировать информацию, возникающую из соответствующего навигационного спутника, либо снижать вес, выделенный последней в вычислении местоположения.

Упомянутые опорные маяки могут по меньшей мере частично быть расположены на Земле или, предпочтительно, на борту спутников на высоких орбитах (например, порядка 40000 км). В последнем случае преимущественно, чтобы упомянутые несущие маяки спутники были геосинхронными, с тем чтобы постоянно оставаться в пределах видимости упомянутого центра управления. В случае, где высокие орбиты не являются геосинхронными, предусмотрено несколько станций, распределенных вокруг Земли и связанных с упомянутым центром управления.

В соответствии с настоящим изобретением MEO-система спутникового позиционирования, содержащая множество навигационных спутников, которые размещены на средневысотных орбитах и которые управляются по меньшей мере одним наземным центром управления, при этом каждый из упомянутых навигационных спутников содержит атомные часы, приемник-декодер радиосигналов управления, передаваемых упомянутым наземным центром управления, формирователь первой информации о времени и местоположении, который связан с упомянутыми часами и с упомянутым приемником-декодером, и передатчик, передающий упомянутую первую информацию упомянутому пользователю, примечательна тем, что:

- упомянутая система содержит множество опорных маяков, распределенных в пространстве и управляемых упомянутым наземным центром управления, при этом каждый маяк способен передавать вторую информацию о времени и местоположении, а также радиоэлектрический сигнал; и

- каждый навигационный спутник, кроме того, содержит:

▪ средство для приема упомянутой второй информации, передаваемой по меньшей мере некоторыми из упомянутых опорных маяков, при этом упомянутое средство приема измеряет изменение в доплеровской частоте, возникающее в упомянутых радиоэлектрических сигналах, передаваемых упомянутыми опорными маяками;

▪ средство для декодирования упомянутой второй информации, принятой упомянутым средством приема;

▪ средство вычисления, принимающее упомянутую вторую информацию, декодированную упомянутым средством декодирования, упомянутые изменения в доплеровской частоте и упомянутую первую информацию, переданную упомянутым формирователем, при этом упомянутое средство вычисления:

* вычисляет упомянутое первое, второе, третье и четвертое значения на основе упомянутой первой и второй информации, с одной стороны, и упомянутых изменений в доплеровской частоте, с другой стороны;

* сравнивает, для каждого опорного маяка, упомянутое первое значение расстояния и упомянутое третье значение расстояния, а также упомянутое второе значение скорости изменения расстояния и упомянутое четвертое значение скорости изменения расстояния; и

* адресует результаты сравнений в упомянутый формирователь, так что последний, как только возможно, включает их в упомянутую первую информацию.

Логика решения, применяемая средством вычисления, чтобы определять качество и безопасность навигационных данных, может быть следующей:

- если все состоятельны в предопределенных предписанных пределах, то средство вычисления сигнализирует об этом факте в формирователь навигационного кадра MEO-спутника, который включает в навигационную информацию, отправляемую пользователям, сообщение, сигнализирующее, что данные позиционирования MEO-спутника корректны,

- если связь с маяками низкого качества (недостаточно доступных маяков или плохой энергетический потенциал линии связи), то данные сомнительны, и средство вычисления сигнализирует об этом факте в формирователь навигационного кадра (первой информации), который включает в навигационную информацию, отправляемую пользователям, сообщение, сигнализирующее, что качество данных позиционирования MEO-спутника недостоверно, а потому сомнительно,

- в заключение, если доплеровские сигналы, принятые от маяков, и/или расстояние MEO-спутника от этих маяков противоречивы с навигационными данными MEO-спутника, то компьютер сигнализирует об этом факте в формирователь навигационного кадра (первой информации), который включает в навигационную информацию, отправляемую пользователям, предупредительное сообщение, сигнализирующее, что данные позиционирования MEO-спутника являются ложными.

Упомянутая первая информация, адресованная в упомянутое средство вычисления, может дискретизироваться непосредственно на выходе упомянутого формирователя первой информации. Однако, с тем чтобы гарантировать, что качество сигнала, передаваемого в итоге, является хорошим, кроме того, возможно предусматривать на каждом навигационном спутнике вспомогательный приемник-декодер для приема и декодирования упомянутой первой информации, передаваемой упомянутым передатчиком, упомянутый вспомогательный приемник-декодер адресует упомянутую первую информацию в упомянутое средство вычисления.

Настоящее изобретение, более того, содержит навигационный спутник, такой как описанный выше.

Фигуры прилагаемых чертежей будут разъяснять способ, которым может быть воплощено изобретение. На этих фигурах идентичные ссылки обозначают подобные элементы.

Фиг.1 - схематический и частичный вид системы спутникового позиционирования в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - схема электронного оборудования навигационного спутника в соответствии с настоящим изобретением.

Система спутникового позиционирования, схематично и частично изображенная на фиг.1, содержит:

- навигационные спутники 1, называемые MEO-спутниками, описывающие средневысотные орбиты 2 (MEO-орбиты) вокруг Земли T и оборудованные антенными системами 3; и

- наземный центр 4 управления, оборудованный системой антенн 5.

Известным образом на борту каждого MEO-спутника 1 находится электронный элемент оборудования 6 (см. фиг.2), способный принимать, через надлежащую часть 3.1 антенной системы 3, радиосигналы управления, передаваемые центром 4 управления, и передавать, через надлежащую часть 3.2 антенной системы 3, сигналы позиционирования пользователям, расположенным на земле T. Подобным известным образом, упомянутый электронный элемент оборудования 6 содержит приемник-декодер радиосигналов управления 7, связанный с частью 3.1 антенны, атомные часы 8, формирователь навигационных кадров 9, принимающий сигналы от приемника-декодера 7 и часов 8, и радиопередатчик 10, принимающий навигационные кадры (скорректированное время и эфемериды) из формирователя 9 и адресующий их пользователям через часть 3.2 антенны.

В соответствии с настоящим изобретением система спутникового позиционирования по фиг.1, кроме того, содержит опорные маяки 11, оборудованные антеннами 12 для передачи радионесущей с сообщением, содержащим их местоположения (в трехмерных координатах или в виде эфемерид) и временной опорный сигнал, повторяемый с частотой повторения, которая является большей, чем цикл передачи сигналов, передаваемых спутниками 1 на Землю T.

Опорные маяки 11 расположены либо на Земле T, либо на борту спутников 14, описывающих высокие орбиты 15. В последнем случае антенны 12 опорных маяков 11 составляют часть антенных систем 16 спутников 14.

Сигналы, передаваемые опорными маяками 11 посредством антенн 12, управляются и синхронизируются наземным центром 4 управления.

В соответствии с изобретением сигналы, приходящие от опорных маяков 11, используются спутниками 1 для подтверждения сигналов, которые они сами передают наземным пользователям.

Для этой цели, как схематически проиллюстрировано на фиг.2, к электронному элементу оборудования 6, установленному на борту каждого спутника 1, присоединен комплементарный элемент оборудования 17, принимающий сигналы от маяков 11 через надлежащую часть 3.3 антенной системы 3 упомянутого спутника 1.

Электронный элемент оборудования 17 содержит приемники 18, принимающие упомянутые сигналы от маяков 11 посредством упомянутой части 3.3 антенны. Приемники 18 измеряют доплеровские сигналы радиочастот, передаваемых различными опорными маяками 11, и адресуют эти доплеровские сигналы в компьютер 19 состоятельности через линию 20 связи. Более того, приемники 18 адресуют данные, принятые с опорных маяков 11, в декодер 21. Упомянутый декодер 21 извлекает информацию о местоположении и времени, принятую с упомянутых опорных маяков 11, и адресует ее в упомянутый компьютер 19 состоятельности.

Дополнительно по линии 22 связи компьютер 19 состоятельности принимает навигационные кадры, сформированные формирователем 9 электронного элемента оборудования 6. Таким образом, компьютер 19 состоятельности:

- вычисляет для спутника 1, который его несет, расстояния от различных опорных маяков 11, а также скорость изменения этих расстояний, учитывая, с одной стороны, декодированную информацию о местоположении и времени последних, доставленную декодером 21, и, с другой стороны, скорректированные бортовое время и эфемериды, возникающие из упомянутого формирователя навигационных кадров 9;

- проверяет, что эти вычисленные расстояния и скорости изменения расстояний непротиворечивы с доплеровскими сигналами, измеренными приемниками 18; и

- передает результат этой проверки состоятельности в формирователь навигационных кадров 9 через линию 23 связи.

На фиг.2, кроме того, изображен приемник-декодер навигационных кадров 24, снабженный приемной антенной 3.4, формирующей часть антенной системы 3. Приемник-декодер 24 способен принимать навигационные кадры, передаваемые радиопередатчиком 10, посредством его антенны 3.2, и отправлять их в компьютер 19 состоятельности. Приемник-декодер 24, следовательно, способен замещать и/или дополнять линию 22 связи.

Изобретение относится к способу и системе спутникового позиционирования. Техническим результатом является уменьшение времени между моментом, когда на спутнике возникает отклонение от нормы, и моментом, когда пользователь оповещен об этом. Технический результат достигается тем, что множество навигационных спутников, управляемых, по меньшей мере, одним наземным центром управления, размещены на средневысотных орбитах, передают посредством однонаправленных линий связи через систему опорных маяков в наземный центр управления индивидуальную для спутника информацию о времени и местоположении. 3 н.п. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ позиционирования пользователя на Земле (Т), упомянутый способ внедряет множество навигационных спутников (1), которые размещены на средневысотных орбитах (2) и которые управляются по меньшей мере одним наземным центром (4) управления, каждый из упомянутых навигационных спутников (1) передает первую информацию о времени и местоположении, которые индивидуальны для него, в котором:
множество опорных маяков (11), управляемых упомянутым наземным центром (4) управления, и при этом каждый способен передавать вторую информацию о времени и местоположении, а также радиоэлектрический сигнал, распределены в космическом пространстве; и
на борту каждого навигационного спутника (I):
детектируют упомянутую передаваемую вторую информацию о времени и местоположении по меньшей мере некоторыми из упомянутых опорных маяков (11);
вычисляют первые значения и вторые значения, соответственно представляющие расстояния между упомянутым навигационным спутником (1) и каждым из упомянутых маяков (11), и скорость изменения этих расстояний, на основе упомянутой первой и второй информации о времени и местоположении;
измеряют изменение в доплеровской частоте, появляющееся в упомянутых передаваемых радиоэлектрических сигналах, упомянутыми опорными маяками (11);
вычисляют третьи значения и четвертые значения, соответственно представляющие расстояния между упомянутым навигационным спутником (1) и каждым из упомянутых маяков (11), и скорость изменения этих расстояний, на основе упомянутых изменений в доплеровской частоте;
для каждого опорного маяка (11), сравнивают упомянутое первое значение расстояния и упомянутое третье значение расстояния, а также упомянутое второе значение скорости изменения расстояния и упомянутое четвертое значение скорости изменения расстояния;
формируют сигнал, представляющий результаты упомянутых сравнений; и
упомянутый навигационный спутник (1) передает этот сигнал результата сравнения упомянутому пользователю, по меньшей мере в случае, где упомянутое сравнение показывает отклонение от нормы.

2. Способ по п.1, в котором по меньшей мере некоторые опорные маяки (11) расположены на Земле (Т).

3. Способ по п.1, в котором по меньшей мере некоторые опорные маяки (11) расположены на борту спутников (14) на высоких орбитах (15).

4. Способ по п.3, в котором спутники (14) на высоких орбитах (15) являются геосинхронными.

5. Система для реализации способа позиционирования пользователя на Земле (Т) по любому из пп.1-4, содержащая множество навигационных спутников (1), которые размещены на средневысотных орбитах (2) и которые управляются по меньшей мере одним наземным центром (4) управления, при этом каждый из упомянутых навигационных спутников (1) содержит атомные часы (8), приемник-декодер (7) радиосигналов управления, передаваемых упомянутым наземным центром (4) управления, формирователь (9) первой информации о времени и местоположении, который связан с упомянутыми часами (8) и с упомянутым приемником-декодером (7), и передатчик (10), передающий упомянутую первую информацию упомянутому пользователю, при этом
упомянутая система содержит множество опорных маяков (11), распределенных в пространстве и управляемых упомянутым наземным центром (4) управления, при этом каждый маяк (11) способен передавать вторую информацию о времени и местоположении, а также радиоэлектрический сигнал; и
каждый навигационный спутник (1), дополнительно содержит:
средство (18) для приема упомянутой второй информации, передаваемой по меньшей мере некоторыми из упомянутых опорных маяков (11), при этом упомянутое средство (18) приема измеряет изменение в доплеровской частоте, возникающее в упомянутых радиоэлектрических сигналах, передаваемых упомянутыми опорными маяками (11);
средство (21) для декодирования упомянутой второй информации, принятой упомянутым средством (18) приема;
средство (19) вычисления, принимающее упомянутую вторую информацию, декодированную упомянутым средством (21) декодирования, упомянутые изменения в доплеровской частоте и упомянутую первую информацию, переданную упомянутым формирователем (9) первой информации, упомянутое средство (19) вычисления:
вычисляет упомянутое первое, второе, третье и четвертое значения на основе упомянутой первой и второй информации, с одной стороны, и упомянутых изменений в доплеровской частоте, с другой стороны;
сравнивает для каждого опорного маяка (11) упомянутое первое значение расстояния и упомянутое третье значение расстояния, а также упомянутое второе значение скорости изменения расстояния и упомянутое четвертое значение скорости изменения расстояния; и
адресует результаты сравнений в упомянутый формирователь, так что последний, включает их в упомянутую первую информацию.

6. Система по п.5, в которой упомянутая первая информация, адресованная в упомянутое средство (19) вычисления, дискретизируется на выходе упомянутого формирователя (9) первой информации.

7. Система по п.5, в которой каждый навигационный спутник (1) дополнительно содержит вспомогательный приемник-декодер (24) для приема и декодирования упомянутой первой информации, передаваемой упомянутым передатчиком (10), при этом упомянутый вспомогательный приемник-декодер (24) адресует упомянутую первую информацию в упомянутое средство (19) вычисления.

8. Навигационный спутник для системы позиционирования по п.5, упомянутый навигационный спутник (1) содержит атомные часы (8), приемник-декодер (7) радиосигналов управления, передаваемых наземным центром (4) управления, формирователь (9) первой информации о времени и местоположении, который связан с упомянутыми часами (8) и с упомянутым приемником-декодером (7), и передатчик (10), передающий упомянутую первую информацию упомянутому пользователю, и при этом упомянутая навигационная система содержит множество опорных маяков (11), распределенных в пространстве и управляемых упомянутым наземным центром (4) управления, причем каждый маяк (11) способен передавать вторую информацию о времени и местоположении, а также радиоэлектрический сигнал, при этом он дополнительно содержит:
средство (18) для приема упомянутой второй информации, передаваемой по меньшей мере некоторыми из упомянутых опорных маяков (11), при этом упомянутое средство (18) приема измеряет изменение в доплеровской частоте, возникающее в упомянутых радиоэлектрических сигналах, передаваемых упомянутыми опорными маяками (11);
средство (21) для декодирования упомянутой второй информации, принятой упомянутым средством (18) приема;
средство (19) вычисления, принимающее упомянутую вторую информацию, декодированную упомянутым средством (21) декодирования, упомянутые изменения в доплеровской частоте и упомянутую первую информацию, переданную упомянутым формирователем (9) первой информации, при этом упомянутое средство (19) вычисления:
вычисляет упомянутое первое, второе, третье и четвертое значения на основе упомянутой первой и второй информации, с одной стороны, и упомянутых изменений в доплеровской частоте, с другой стороны;
сравнивает для каждого опорного маяка (11) упомянутое первое значение расстояния и упомянутое третье значение расстояния, а также упомянутое второе значение скорости изменения расстояния и упомянутое четвертое значение скорости изменения расстояния; и
адресует результаты сравнений в упомянутый формирователь, так что последний, включает их в упомянутую первую информацию.

9. Спутник по п.8, в котором упомянутая первая информация, адресованная в упомянутое средство (19) вычисления, дискретизируется на выходе упомянутого формирователя (9) первой информации.

10. Спутник по п.8, при этом он дополнительно содержит вспомогательный приемник-декодер (24) для приема и декодирования упомянутой первой информации, передаваемой упомянутым передатчиком (10), при этом упомянутый вспомогательный приемник-декодер (24) отправляет упомянутую первую информацию в упомянутое средство (19) вычисления.