[发明专利]采用多个卫星星座的定位和通信系统

说明书

本发明涉及一种为飞机和其他用户提供定位和通信的改进的装置和方法。

空中交通管制(ATC)系统依靠收集和管理特定地区内的飞机位置和航线的精确信息、通信中的数据和话音信息以及其它发往上述飞机和从上述飞机接收的信息。ATC至少包括通信、导航和监视功能。ATC试图回答以下问题：每架飞机在空间和时间上所处的位置，它将飞往何地以及你怎样给它发送提供导航、天气和安全警戒、着陆指示以及仪表引导着陆(instrument landing)功能(如果需要的话)的话音和数据。所要求的飞机位置信息的精度变化范围很大，这取决于所实现的控制功能。例如，在一般的飞机航线管制的情况下，只需人们对飞机位置的了解精确到10³米左右的精度以内，而对于计算机控制下的仪表引导着陆，需要人们对飞机位置的了解精确到1米左右的精度以内。

当前，ATC系统采用陆基雷达来确定飞机的三维位置，采用应答机来提供飞机识别，并采用各种无线通信系统与飞机交换话音和其它消息。仅可以在装备有本地的、基于雷达的仪表引导着陆系统的机场采取仪表引导着陆。沿着主要的飞机跑道装备了各种无线电信标，以便飞行员或机上领航员能够了解他们通常的位置，以及是否他们处于指定的飞机跑道内。当前ATC系统的一些问题是，要做到以下几方面是困难的，或者是不可能的：(i)以一致的精度提供广域覆盖，即，在很大的地理区域内，以一致的高精度跟踪所有飞机，而基本上不扩大地面雷达站网络；(ii)在不具备本地仪表引导着陆系统的紧急(或其它)机场提供紧急仪表引导着陆能力；(iii)具有把精确的飞机位置向ATC站自动的、广域的报告；(iv)具有在广大区域内的任何地方不间断地通信的能力；以及(v)具有一个单一的集成系统，该系统在广大区域上提供了ATC所要求的所有通信、导航和监控功能。正如本文的用法，“广大区域”这个词的单数或复数形式，都指的是包围着10⁵-10⁷km²的量级或更大区域的地区。

全球定位系统(GPS)卫星网络的出现以及低廉的GPS接收机的发展为广域空中交通管制开辟了新的可能。遗憾的是，现有的GPS系统最初是为军事用途而开发的，当用于ATC用途时，具有明显的局限性。例如，当由于几何形状，特别是在卫星停机的情况下，GPS卫星星座里卫星间的角度关系，亦即定位精度被降低时，会出现时差(times)。现有GPS系统的另一个缺点是替换失效的卫星非常困难并且需要时间。再一个缺点是不能保证现有的GPS系统总是工作在它的最大精度。另外，甚至在最佳条件下，GPS要在广大的地理区域内获得理想的1米的精度是非常困难的。因此，当前GPS系统的可靠性、可用性和精度与ATC用途所要求的相去甚远。

图1是根据本发明的最佳实施例，围绕地球的轨道上的地球导航通信卫星以及它们的地面轨迹的简明表示。

图2是表示朝着地球的北极看过去的图1中所示的两个卫星星座之一的不正园轨道的视图，但是不成比例。

图3是表示朝着地球的赤道平面看过去的图2的不正园轨道的视图，但是不成比例。

图4是图解说明本发明的卫星如何发送信号，或与各个地面站和飞机交换信号以及在卫星间交换信号的简图。

图5是根据本发明的最佳实施例的卫星的简明透视图。

图6是根据本发明的最佳实施例的一个卫星电子系统的简明功能方框图。

图7是根据本发明的最佳实施例的一个基站电子系统的简明功能方框图。

图8是响应本发明所提供的卫星的一个飞机电子系统的简明功能方框图。

图9是图解说明一个正在接收的飞机如何采用卫星所提供的位置信息(“NAV数据”)完成导航位置更新的简明流程图。

图10是图解说明一颗卫星如何产生并向一架飞机发出NAV数据的简明流程图。

图11是一张简明流程图，用来图解说明卫星和基站如何共同向飞机提供一张位置信息误差修正图，用于从卫星接收NAV数据。

图12是一张简明流程图，用来根据本发明的第一实施例图解说明基站和卫星怎样共同提供精确的时间信息，用于更新卫星上的星载时钟，并向基站提供卫星位置信息。

图13是一张简明流程图，用来根据本发明的另一个实施例图解说明基站和卫星怎样共同更新卫星上的星载时钟，并向飞机提供一张剩余误差(residual error)修正图，用于从卫星接收NAV数据。