專利名稱：通過功率測(cè)量控制一組編隊(duì)飛行器中飛行器的相對(duì)位置的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一組飛行器，例如人造衛(wèi)星，用于編隊(duì)移動(dòng)共同執(zhí)行 任務(wù)，這就要求更精確地控制飛行器間的相對(duì)位置。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道， 一些飛行器組，例如，人造衛(wèi)星，為了 共同執(zhí)行任務(wù)，互相之間必須以一定精度定位。這種定位必須在任務(wù) 的開始階段就起作用，例如在將衛(wèi)星放入軌道時(shí)。然而，在任務(wù)執(zhí)行 過程中也應(yīng)該起作用，或者實(shí)現(xiàn)該組的部分或者全部重新配置，或者 減輕影響一個(gè)或多個(gè)飛行器的技術(shù)失效(或者設(shè)備故障)。
為了提供這種定位，已經(jīng)提出在每個(gè)飛行器上(或者至少那些對(duì) 執(zhí)行任務(wù)很重要的飛行器上)配備控制設(shè)備，其一方面包括發(fā)送/接收 天線，也可能由接收天線實(shí)現(xiàn)，安裝在飛行器的不同定向的面上負(fù)責(zé)
發(fā)送/接收射頻(RF)信號(hào)，另一方面包括"RF傳感器"，"RF傳感器" 包括用來估算天線間接收到的信號(hào)路徑差的第一測(cè)量裝置，和根據(jù)接 收到的信號(hào)的功率估算組內(nèi)其他飛行器發(fā)送的信號(hào)的發(fā)送方向(通常 稱作"視軸線")的處理裝置。
這種控制設(shè)備也可以包括第二測(cè)量裝置，負(fù)責(zé)根據(jù)天線接收的信 號(hào)以及組內(nèi)其它飛行器發(fā)送的輔助信號(hào)估算它們的飛行器與組內(nèi)其它 的飛行器之間的每個(gè)差別，并表示將其與其它飛行器分開的各自的距 離。在這種情況下，處理裝置可以根據(jù)估算的距離和估算的視軸線， 確定組內(nèi)的飛行器相對(duì)于選定的坐標(biāo)系的相對(duì)位置。
最后，如果控制設(shè)備包括分析裝置，它可以根據(jù)確定的相對(duì)位置 來探測(cè)飛行器碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，或者甚至提出一種與這些相對(duì)位置成函數(shù) 關(guān)系的其飛行器的避免策略，并且一旦故障和碰撞的風(fēng)險(xiǎn)消除后可能 重新配置編隊(duì)。
如果天線被安裝在選好的位置(例如為限制多路徑)并且第一測(cè)
量裝置采用減少路徑差測(cè)量的模糊的魯棒方法，則能夠獲得幾千米數(shù) 量級(jí)的路徑差，因此發(fā)送方向具有一度數(shù)量級(jí)的精度。
為了使得控制設(shè)備在每個(gè)方向都能工作，以便確定任意相對(duì)位置， 每個(gè)飛行器必須在一定數(shù)量的方向面上都安裝三個(gè)一組的天線(一個(gè) 發(fā)送/接收天線和兩個(gè)接收天線)?，F(xiàn)在，首先，在飛行器上安裝天線是 很困難的，第二，大量的天線使得控制設(shè)備復(fù)雜化，第三，減少路徑 差方面的模糊性是個(gè)復(fù)雜的過程，很難與碰撞探測(cè)所需的魯棒性和反 應(yīng)時(shí)間兼容。
毫無疑問，可以采用其它技術(shù)來估算飛行器的相對(duì)位置，例如
LIDAR或者RADAR，但是這些技術(shù)是很昂貴和復(fù)雜的，或者安裝在 飛行器上是很困難的，尤其是在人造衛(wèi)星上。
也可以采用基于相對(duì)GPS (全球定位系統(tǒng))來估算任意相對(duì)位置 的技術(shù)。然而，這種方案并不總是適于編隊(duì)飛行任務(wù)，或者因?yàn)槿蝿?wù) 高度相比GPS衛(wèi)星群的高度太高，或者因?yàn)橐筝o助的或者獨(dú)立的定 位裝置。
沒有已知的方案證明能滿足所有的要求，因此本發(fā)明的一個(gè)目的 就是改進(jìn)這種情況。

發(fā)明內(nèi)容
為了此目的，提出了一種用于一組準(zhǔn)備按照選定編隊(duì)飛行的飛行 器中的一個(gè)飛行器上的控制設(shè)備，包括一組安裝在所述飛行器的至少 三個(gè)不同定向的面上并用于發(fā)送/接收射頻信號(hào)的至少三個(gè)發(fā)送/接收 天線，和用于根據(jù)由所述天線接收的所述信號(hào)來估算由組內(nèi)其它飛行 器發(fā)送的信號(hào)的發(fā)送方向的處理器裝置，其特征在于包括第一測(cè)量裝 置，用來確定由每個(gè)所述天線接收的信號(hào)的功率并傳送功率測(cè)量的組， 每組功率測(cè)量與組內(nèi)所述其它飛行器的一個(gè)相關(guān)，還包括存儲(chǔ)裝置， 用來存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)組，每個(gè)地形數(shù)據(jù)組將每個(gè)所述天線接收的信號(hào)的 功率表示為選定的發(fā)送方向的函數(shù)，其特征還在于所述處理器裝置用 于將由所述第一測(cè)量裝置傳送的每組功率與所述存儲(chǔ)的地形數(shù)據(jù)組進(jìn) 行對(duì)比，以確定由組內(nèi)其它飛行器發(fā)送的信號(hào)相對(duì)于相對(duì)所述飛行器 固定的坐標(biāo)系的每個(gè)發(fā)送方向。
本發(fā)明的設(shè)備還有其它特征，分開或者結(jié)合，特別是 -為了確定它們的功率，其第一測(cè)量裝置可以用于對(duì)每個(gè)接收到的 信號(hào)進(jìn)行信噪比(S/N)測(cè)量；
-它可以包括控制裝置，用來在對(duì)所述組內(nèi)的每個(gè)飛行器的發(fā)送時(shí) 間周期和接收時(shí)間周期(彼此互補(bǔ))的進(jìn)行指定時(shí)，按照選定的方案， 將指定給它們的飛行器的發(fā)送和接收時(shí)間周期分成多個(gè)發(fā)送子時(shí)間片 和接收子時(shí)間片，每個(gè)數(shù)量與它們的飛行器的發(fā)送/接收天線的個(gè)數(shù)相 同，并且用于按照第一選擇順序?qū)l(fā)送子時(shí)間片指定給所述發(fā)送/接收 天線的每一個(gè)，按照第二選擇順序?qū)⒔邮兆訒r(shí)間片指定給所述發(fā)送/接 收天線的每一個(gè)；然后允許每個(gè)發(fā)送/接收天線在指定給它的發(fā)送子時(shí) 間片內(nèi)發(fā)送，在指定給它的接收子時(shí)間片內(nèi)接收；而且，(由第一測(cè)量
裝置)傳送的每組功率與由發(fā)送/接收天線在它們各自的接收子時(shí)間片
內(nèi)接收的信號(hào)相關(guān)；
▼控制裝置可以用于改變第一選擇順序和/或者第二選擇順序； -它可以包括第二測(cè)量裝置，用于根據(jù)由每個(gè)天線接收的至少信號(hào) 來估算它們的飛行器與組內(nèi)的一個(gè)其他飛行器相隔的距離；在這種情 況下，其處理器裝置可以基于估算的距離和估算的信號(hào)發(fā)送方向來確 定相對(duì)于選定的坐標(biāo)系組內(nèi)的飛行器的相對(duì)位置；
▼其第二測(cè)量裝置可以用于根據(jù)由每個(gè)天線接收到的信號(hào)和由組
內(nèi)其它飛行器發(fā)送的輔助信號(hào)以及已經(jīng)在其端部進(jìn)行的相應(yīng)的距離測(cè) 量的表示來估算它們的飛行器與組內(nèi)其它飛行器的一個(gè)相隔的每個(gè)距 離；
-其存儲(chǔ)裝置可以存儲(chǔ)表示相對(duì)于參考水平歸一化后功率值的地 形數(shù)據(jù)組；在這種情況下，處理器裝置負(fù)責(zé)分析由第一測(cè)量裝置傳遞 的每組功率的(測(cè)量)功率，例如，以便確定在他們每個(gè)中的最大功 率(接著作為測(cè)量的參考功率(或水平))，并在選定的周期內(nèi)將選擇 用于對(duì)接收的所述信號(hào)相對(duì)于參考功率(或水平)歸一化的增益應(yīng)用 到接收到的信號(hào)中(來自于同一個(gè)飛行器)；
▼它可以包括分析裝置，負(fù)責(zé)根據(jù)組內(nèi)的飛行器的相對(duì)位置探測(cè) 碰撞風(fēng)險(xiǎn)；*分析裝置可以用來負(fù)責(zé)，在探測(cè)到碰撞風(fēng)險(xiǎn)的情況下，為其飛 行器確定與組內(nèi)其它飛行器的相對(duì)位置成函數(shù)關(guān)系的避讓策略；
▼它可以包括控制裝置，負(fù)責(zé)控制編隊(duì)返回到標(biāo)準(zhǔn)的幾何排列， 從在碰撞避讓策略后獲得的幾何和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及調(diào)整所有衛(wèi)星至健康 狀態(tài)后開始；
-發(fā)送/接收天線可以用于發(fā)送和/或者接收采用由選擇的偽隨機(jī) 碼調(diào)制的載波形式的射頻信號(hào)；
-發(fā)送/接收天線可以負(fù)責(zé)以屬于在包括S、 SHF和EHF波段的組 中選定頻帶的頻率發(fā)送/接收載波。
本發(fā)明同時(shí)提供一種用于在一組相同類型的飛行器中編隊(duì)飛行并 且包括上述類型的控制設(shè)備的飛行器。
本發(fā)明特別適合諸如人造衛(wèi)星或者航空器等等飛行器，當(dāng)然不僅 僅局限如此。


' 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)在閱讀隨后具體描述和參考附圖后將變 得顯而易見，其中
-圖1示意性地表示了一組的三個(gè)編隊(duì)衛(wèi)星，每個(gè)衛(wèi)星都帶有本發(fā) 明的控制設(shè)備；
-圖2示意性和功能性地表示了本發(fā)明控制設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例；
-圖3以極坐標(biāo)的形式示意地顯示了對(duì)于全方位天線的接收功率 (PM)圖的一個(gè)示例，具有與相對(duì)于其法線方向(Z)的入射角成函 數(shù)關(guān)系的半球形狀-圖4示意性地顯示了在衛(wèi)星面上的一組天線中的六個(gè)定位天線 的示例，和確定視軸線的坐標(biāo)涉及的主要參數(shù)；
-圖5A至圖5F為圖4的一組天線中六個(gè)天線各自的接收功率圖 的示例，其功率在角度^等于零(相對(duì)于X軸)時(shí)是角度^的函數(shù)；
-圖6A至圖6F為圖4的一組天線中六個(gè)天線各自的接收功率圖 的示例，其功率在角度y等于^ (相對(duì)于X軸)時(shí)是角度^的函數(shù)；
-圖7A至圖7F為圖4的一組天線中六個(gè)天線各自的接收功率圖
的示例，其功率在角度^等于^ (相對(duì)于X軸)時(shí)是角度p的函數(shù)；
-圖8A至圖8F為圖4的一組天線中六個(gè)天線各自的接收功率圖 的示例，其功率在角度y/等于;r (相對(duì)于X軸)時(shí)是角度^的函數(shù)。
附圖構(gòu)成本發(fā)明的描述部分以及用于定義本發(fā)明，如果需要的話。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的是對(duì)于安裝在一組編隊(duì)飛行的飛行器中的飛行器上 的控制設(shè)備，使其能確定視軸線以及飛行器適用之處的相對(duì)位置，或 者甚至能確定碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)的避讓策略以及可能的例行的重新配 置。
在下文中通過非限制性的例子，認(rèn)為一組飛行器是為執(zhí)行空間或 者陸地遠(yuǎn)程傳感任務(wù)編隊(duì)飛行(或準(zhǔn)備飛行)的遠(yuǎn)程傳感衛(wèi)星。
本發(fā)明不僅僅限于這種類型的飛行器。然而，它也涉及所有打算 以選定的配置(可修改適用之處)編隊(duì)飛行的飛行器。
首先參考圖1和圖2，它們表示了一組可以應(yīng)用本發(fā)明的飛行器
(衛(wèi)星)。
圖1中顯示了由一組編隊(duì)飛行的三個(gè)衛(wèi)星Si (i=l至3)。值得注
意的是本發(fā)明并不僅僅限于三個(gè)飛行器組成的組。它可以是兩個(gè)或者 更多飛行器組成的任何組。
在這些組中，衛(wèi)星Si (Sl至S3)中的至少一個(gè)衛(wèi)星包括本發(fā)明的 控制設(shè)備D。然而，組(或者編隊(duì))中的每個(gè)衛(wèi)星都有其自己的控制 設(shè)備D是很有優(yōu)勢(shì)的。
本發(fā)明的控制設(shè)備D包括由至少三個(gè)發(fā)送/接收天線Aj構(gòu)成的至 少一個(gè)子系統(tǒng)，天線Aj安裝在其裝配的衛(wèi)星Si的至少三個(gè)具有不同朝 向面上的選定位置。在圖1和圖2所示的例子中，每個(gè)設(shè)備D僅有三 個(gè)天線Aj (j=l至3)。然而， 一組也可以包括三個(gè)以上的天線。圖4 中所示的組就是這種特殊的情況，其包括六個(gè)天線(j二l至6)，安裝在 衛(wèi)星Sl的六個(gè)面上。例如，該組的每個(gè)天線Aj基本上安裝在一個(gè)衛(wèi) 星Si面的中心位置。但是這不是必須的。
每個(gè)天線Aj能夠以選定的頻率fl發(fā)送和接收射頻(RF)信號(hào)。
這些RF信號(hào)優(yōu)選采用由選定的偽隨機(jī)代碼調(diào)制的載波的形式。頻率fl優(yōu)選在S波段。但這不是必須的。它可以在SHF波段或者
EHF波段。
在下文中，考慮頻率fl在S波段。例如，fl=2.1GHz。 控制設(shè)備D可以包括至少一個(gè)輔助天線，安裝在其衛(wèi)星Si的至少 一個(gè)面上，專門用來接收頻率為fl的RF信號(hào)。例如，可以考慮在衛(wèi) 星Si的一個(gè)或者更多面上安裝發(fā)送/接收天線Aj以及一個(gè)或者兩個(gè)輔 助接收天線。
根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)控制設(shè)備D還包括測(cè)量模塊MM，存儲(chǔ)裝置BD 以及處理器模塊MT。
第一測(cè)量模塊MM包括第一測(cè)量子模塊Ml,用來確定每個(gè)天線 Aj (以及輔助天線，如果有)接收到的信號(hào)的功率，以便傳遞代表這 些功率測(cè)量的數(shù)據(jù)組，每組數(shù)據(jù)都與其自己的衛(wèi)星Si所屬的組內(nèi)其它 衛(wèi)星Si，的一個(gè)相關(guān)。
例如，第一測(cè)量模塊MM可以通過測(cè)量每個(gè)天線接收的信號(hào)的信 噪比(S/N)來確定其功率，這將不需要知道由處理子系統(tǒng)引入的增益 (放大/衰減)的具體值，假如噪聲水平相對(duì)已知的情況下。
可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任意技術(shù)測(cè)量信噪比(S/N)。例 如，可以在包含該信號(hào)的頻帶以及不包含該信號(hào)的相鄰頻帶內(nèi)測(cè)量能
如果任務(wù)包含從各個(gè)飛行器接收到的大的動(dòng)態(tài)范圍的能量(取決 于飛行器是遠(yuǎn)還是近)，特別對(duì)于功率測(cè)量，控制設(shè)備D可以包括放置 在測(cè)量模塊MM上游并與之結(jié)合的增益控制模塊MCG。這個(gè)增益控制 模塊MCG，為了更精確，是自動(dòng)增益控制環(huán)，用于將信號(hào)衰減/放大到 符合模/數(shù)轉(zhuǎn)化階段所處理的水平。從一個(gè)時(shí)間周期到另一個(gè)周期，對(duì) 應(yīng)于經(jīng)過另外天線或者來自別的衛(wèi)星的接收，接收的功率水平可以變 化很大，并且因此改變由增益控制模塊MCG引入的增益。測(cè)量模塊 MM必須知道這個(gè)增益，以便在計(jì)算從MCG模塊的上游端接收的功率 時(shí)考慮該增益。因此MCG模塊給模塊MM提供每個(gè)時(shí)間周期用到的 增益值。
在這種情況下，第一測(cè)量子模塊Ml優(yōu)選地確定天線Aj接收到的 每個(gè)信號(hào)的功率，作為數(shù)字信號(hào)的測(cè)量功率和在模擬預(yù)處理模塊中用
到的增益的函數(shù)。
如圖2示意性所示，例如，增益控制模塊MCG是模/數(shù)預(yù)處理模 塊MP的一部分，用來負(fù)責(zé)處理接收的信號(hào)(特別用來控制應(yīng)用的增 益控制)以及將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并提供給第一測(cè)量模塊MM。
例如，模/數(shù)預(yù)處理模塊MP通過第一路由模塊Cl和第二路由模 塊C2與組內(nèi)的天線Aj (以及任意輔助天線)結(jié)合。
第一路由模塊C1根據(jù)來自控制模塊MC (見下文)的指令與天線 的一個(gè)或者其它的相連。
第二路由模塊C2與第一路由模塊C1的輸入/輸出相連， 一方面， 與模/數(shù)預(yù)處理模塊MP的輸入相連，另一方面，與RF信號(hào)整形模塊 MF (用于另外天線Si'的RF信號(hào)的發(fā)送部分)的輸出相連。因此，控 制設(shè)備D根據(jù)來自處理器模塊MT的指令可以在信號(hào)接收模式或者信 號(hào)發(fā)送模式下工作。
控制設(shè)備D包括時(shí)鐘H，用來提供至少某些元件工作時(shí)特別是控 制發(fā)送和接收時(shí)必須的時(shí)鐘信號(hào)。
存儲(chǔ)裝置BD用來存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)組，每組數(shù)據(jù)將每個(gè)天線Aj (和 任意輔助天線)接收的信號(hào)的預(yù)確定和歸一化的功率表示為選定的發(fā) 送方向的函數(shù)。歸一化意味著僅考慮測(cè)量功率比，測(cè)量功率比僅代表 著視軸線，與衛(wèi)星間的距離沒有關(guān)系。后面可以看到，為了能夠比較 存儲(chǔ)裝置BD中表列的幅度與對(duì)將要控制的飛行器的天線作用的所有 測(cè)量值，在處理器模塊MT中精確地進(jìn)行相同的歸一化是很重要的。
地形數(shù)據(jù)的功率在前面的地形分析期間被預(yù)確定，例如，在無回 聲RF測(cè)試腔內(nèi)，或者通過由模型提供的仿真軟件被預(yù)確定，所述模型 代表各個(gè)天線的各自位置、它們的環(huán)境，以及它們的屬性，特別是它 們的輻射特性。
圖3為以極坐標(biāo)的形式表示的由全方位天線接收的功率PM與相 對(duì)于其法線Z的入射角成函數(shù)關(guān)系的一個(gè)示例的示意圖。
同樣，圖5到圖8對(duì)應(yīng)代表仰角的角度y的4個(gè)各自不同的值，示 意地顯示了 4組由安裝在如圖4所示衛(wèi)星Si上的天線組中的6個(gè)天線 Aj各自接收到的功率PMj (j^至6)的六個(gè)示意圖的示例。
為了更精確，圖5A至5F顯示了分別由由6個(gè)天線Al至A6接收
的功率(PM1至PM6)的六個(gè)圖，作為代表方位的角度p的函數(shù)，并
且相對(duì)于坐標(biāo)系(X,Y,Z)的X軸角度^等于零。圖6A至6F顯示了 分別由6個(gè)天線Al至A6接收的功率(PM1至PM6)的六個(gè)圖，作為 角度P的函數(shù)，并且相對(duì)于坐標(biāo)系(X,Y,Z)的X軸角度^/等于么。
圖7A至7F顯示了分別由6個(gè)天線Al至A6接收的功率(PM1至PM6) 的六個(gè)圖，作為角度^的函數(shù)，并且相對(duì)于坐標(biāo)系(X, X Z)的X軸 角度y等于^。圖8A至8F顯示了分別由6個(gè)天線Al至A6接收的
功率(PM1至PM6)的六個(gè)圖，作為角度^的函數(shù)，并且相對(duì)于坐標(biāo) 系(X，Y，Z)的X軸角度^/等于;r。
在圖5至圖8中，每組的六個(gè)圖都相對(duì)于選擇的參考水平P,進(jìn) 行了歸一化，參考水平表示無論角度p和^為何值情況下由同組的(6 個(gè))天線Aj接收的功率PMj的最大值。另外一個(gè)可能的歸一化用于確 定在每個(gè)天線測(cè)量的功率向量的范數(shù)2并對(duì)原始功率測(cè)量(即，接收 但沒有進(jìn)行處理的測(cè)量)除以測(cè)量的功率向量的范數(shù)2，例如，在這種 情況下，每個(gè)天線測(cè)量接收的功率向量，然后通過處理器模塊MT進(jìn) 行歸一化，將接收的功率向量在存儲(chǔ)裝置BD中作為視軸線的函數(shù)進(jìn) 行類表，然后都使其范數(shù)2等于1。
存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置BD中的每組地形數(shù)據(jù)由圖5至圖8所示類型的 功率圖的(預(yù)確定)組來構(gòu)成。在存在功率歸一化功率的情況下，每 組地形數(shù)據(jù)代表例如相對(duì)于參考水平Pmax或者相對(duì)于功率向量的范數(shù) 2 (如上所述)歸一化的功率。
存儲(chǔ)裝置BD可以為任何類型，特別是存儲(chǔ)器或者數(shù)據(jù)庫。
而且，在圖2所示的非限制性例子中，存儲(chǔ)裝置BD被安裝在處 理器模塊MT里。當(dāng)然這不是必須的。
處理器模塊MT負(fù)責(zé)將第一測(cè)量子模塊M1傳送的每組功率測(cè)量 與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置BD中的地形數(shù)據(jù)組進(jìn)行對(duì)比。這種對(duì)比用來估算 在相對(duì)于衛(wèi)星Si固定的坐標(biāo)系(X，Y,Z)下，天線Aj從組內(nèi)別的衛(wèi)星 Si'接收的信號(hào)的發(fā)送方向AVi'(或者視軸線)，如圖4所示。例如，該 坐標(biāo)系相對(duì)于衛(wèi)星Si的質(zhì)心O固定，但是這不是必須的。
實(shí)際上，每次處理器模塊MT從第一測(cè)量子模塊Ml接收一組功
率測(cè)量，它采用與計(jì)算和存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)時(shí)所用相同的技術(shù)對(duì)接收組的 測(cè)量功率進(jìn)行歸一化。
為了更精確，例如，處理器模塊MT依次分析由第一測(cè)量子系統(tǒng) Ml傳送的功率的每組功率測(cè)量，以確定那組的最大功率。然后最大功
率被認(rèn)為是該測(cè)量的參考功率(或水平)。之后，處理器模塊MT將選 擇用來相對(duì)于參考水平歸一化接收的信號(hào)功率的增益作用于在選定的 周期內(nèi)接收(從相同的飛行器接收)的信號(hào)上。
處理器模塊MT接著搜索那個(gè)或那些與接收的組最匹配的存儲(chǔ)的 地形數(shù)據(jù)組。接著它或者將接收的功率測(cè)量的組插入到地形數(shù)據(jù)組中， 或者確定與歸一化的接收功率測(cè)量最為接近的地形數(shù)據(jù)中表列的接收 功率向量，以降低視軸線AVi'坐標(biāo)的估算。采用這種方式，處理器模 塊MT為其衛(wèi)星Si確定相對(duì)于每個(gè)遠(yuǎn)程衛(wèi)星Si，的視軸線AVi，。
可以采用兩種方案來區(qū)分各個(gè)遠(yuǎn)程衛(wèi)星Si，發(fā)送的信號(hào)。
第一種方案為組內(nèi)每個(gè)衛(wèi)星Si指定的其自己發(fā)送頻率并且裝備多 頻率天線Aj。在這種情況下，對(duì)應(yīng)于頻分復(fù)用，每個(gè)第一測(cè)量子模塊 Ml通過將來自組內(nèi)天線Aj的信號(hào)以相同頻率(與一個(gè)遠(yuǎn)程衛(wèi)星Si' 有關(guān))進(jìn)行分組構(gòu)成每組功率測(cè)量。
第二種方案指定每個(gè)飛行器Si自己的偽隨機(jī)碼。在這種情況下， 對(duì)應(yīng)于碼分復(fù)用，每個(gè)第一測(cè)量子模塊M1通過將來自組內(nèi)天線Aj且 具有相同碼(與一個(gè)遠(yuǎn)程衛(wèi)星Si，有關(guān))的信號(hào)進(jìn)行分組構(gòu)成每組功率
第三種方案在衛(wèi)星Si的組內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)。為了更精確，每 個(gè)衛(wèi)星Si被指定時(shí)間周期，根據(jù)既定安排，在該周期內(nèi)允許它單獨(dú)向 其他衛(wèi)星發(fā)送RF信號(hào)。例如，在有三個(gè)衛(wèi)星Sl至S3的情況下，給第 一衛(wèi)星Sl指定第一發(fā)送時(shí)間周期TE1，給第二衛(wèi)星S2指定繼第一發(fā) 送時(shí)間周期TE1之后來到的第二發(fā)送時(shí)間周期TE2，并且給第三衛(wèi)星 S3指定第三發(fā)送時(shí)間周期TE3，它將繼第二發(fā)送時(shí)間周期TE2之后并 在下一個(gè)周期的第一發(fā)送時(shí)間周期TE1之前來到。
在發(fā)送時(shí)間周期TEi'期間，衛(wèi)星Si不發(fā)送，它具有等于其它衛(wèi)星 Si'的發(fā)送時(shí)間周期TEi'之和的接收時(shí)間周期TRi。
在這個(gè)實(shí)施例中(采用時(shí)分復(fù)用)，控制設(shè)備D包括控制模塊MC
是有利的，控制模塊MC首先負(fù)責(zé)將指定給其衛(wèi)星Si的發(fā)送時(shí)間周期
TEi和接收時(shí)間周期TRi分成Nij個(gè)發(fā)送子時(shí)間片TEij和接收子時(shí)間片 TRij，每個(gè)等于其衛(wèi)星Si的發(fā)送/接收天線Aj (以及任意輔助的天線) 的數(shù)目。
然后控制模塊MC —方面負(fù)責(zé)依照第一所選順序?yàn)槠淇刂圃O(shè)備D 的每個(gè)發(fā)送/接收天線Aj指定發(fā)送子時(shí)間片TEij，另一方面，依照第二 所選順序?yàn)槊總€(gè)發(fā)送/接收天線(以及任意輔助的接收天線)指定接收 子時(shí)間片TRij。
因此，每個(gè)發(fā)送/接收天線Aj —方面被允許在指定給它的發(fā)送子時(shí) 間片TEij期間發(fā)送，另一方面，在指定給它的接收子時(shí)間片TRij期間 接收。結(jié)果，由第一測(cè)量子模塊M1傳送的每組功率涉及在其各自的 接收子時(shí)間片TRij期間各個(gè)天線Aj接收的信號(hào)。
控制模塊MC可以一次性地設(shè)置發(fā)送子時(shí)間片TEij和接收子時(shí)間 片TRij的第一和第二順序。
這非常適用于每個(gè)飛行器Si經(jīng)過其所有的天線同時(shí)發(fā)送的發(fā)送時(shí) 間分布方案。
然而，如果天線具有不是完全排他的輻射圖，則經(jīng)過多個(gè)天線同 時(shí)發(fā)送可能導(dǎo)致視軸線方向變差。為了避免這個(gè)問題，能夠選擇每個(gè) 飛行器Si通過其各個(gè)天線相繼發(fā)送的發(fā)送時(shí)間分布方案。
在這種情況下，不可能同時(shí)測(cè)量由飛行器Si的各個(gè)天線接收的并 由另外飛行器Si'的相同天線發(fā)送的功率。如果指定給第二飛行器用于 通過其天線發(fā)送的時(shí)間子時(shí)間片No. 1與指定給第一飛行器用于通過 其天線接收的時(shí)間子時(shí)間片NO. 1 —致，則它就不能與指定給第一飛 行器的另一接收天線的子時(shí)間片一致。該另一接收天線有與第二飛行 器的另一天線相一致的子時(shí)間片。因此為了繼續(xù)收集所有的功率測(cè)量 值，使指定給飛行器的各個(gè)接收天線的子時(shí)間片的順序隨時(shí)間發(fā)展是 很有優(yōu)勢(shì)的。
每個(gè)順序可以周期性地改變，例如，每5秒或10秒。 當(dāng)處理器模塊MT擁有視軸線AVi，的坐標(biāo)時(shí)，它可以確定在該視 軸線AVi'上其衛(wèi)星Si與衛(wèi)星Si，間隔的距離。
為此目的，控制設(shè)備D必須包括優(yōu)選地在其第一測(cè)量模塊MM中
的第二測(cè)量子模塊M2。至少根據(jù)每個(gè)天線Aj從其它衛(wèi)星Si，接收的 RF信號(hào)，第二測(cè)量子模塊M2更精確地負(fù)責(zé)估算其衛(wèi)星Si與同組內(nèi)另 一衛(wèi)星Si，的間距。
因?yàn)橛薪M內(nèi)的衛(wèi)星Si間的時(shí)鐘H缺乏高精度的同步性引入的時(shí)間 傾斜，所以每個(gè)第二測(cè)量子模塊M2不僅僅根據(jù)各個(gè)天線Aj從另一衛(wèi) 星Si，接收的RF信號(hào)，而且根據(jù)由其它衛(wèi)星Si，發(fā)送的輔助信號(hào)來進(jìn)行 其距離估算。
這些輔助信號(hào)優(yōu)選地在于通過選定的偽隨機(jī)碼對(duì)信號(hào)的載波的調(diào) 制以及可能的信息數(shù)據(jù)，為了發(fā)送信號(hào)以成像發(fā)送飛行器Si'的本地時(shí) 間以及為了觀察信號(hào)從而使得接收飛行器Si能夠獲得偽距離測(cè)量。
為了將其自己的偽距離測(cè)量與飛行器(例如S2)以輔助信號(hào)中信 息數(shù)據(jù)形式發(fā)送的進(jìn)行比較，另一飛行器(例如S1)的第二測(cè)量子模 塊M2可以孤立時(shí)鐘傾斜，并且確定飛行器間的距離d (S1,S2)。真正 的距離等于飛行器S1從飛行器S2發(fā)送的第一信號(hào)測(cè)量得到的偽距離 與飛行器S2從飛行器Sl發(fā)送的第一信號(hào)測(cè)量得到的偽距離之和的一 半。
然后衛(wèi)星Si的第二測(cè)量子模塊M2給處理器模塊MT發(fā)送已經(jīng)確 定的飛行器間的距離d (Si,Si')的值。
知道衛(wèi)星間的距離d (Si,Si')以及對(duì)應(yīng)的視軸線AVi'的估算，則 處理器模塊MT可以確定兩個(gè)相關(guān)的衛(wèi)星(Si，Si，)相對(duì)于選定的坐標(biāo) 系的相對(duì)位置，所述坐標(biāo)系例如相對(duì)于衛(wèi)星Si (或者任意其它的坐標(biāo) 系)固定的(X,Y,Z)坐標(biāo)系。
因此，每個(gè)處理器模塊MT可以確定組內(nèi)的每個(gè)衛(wèi)星Si'相對(duì)于其 衛(wèi)星Si的相對(duì)位置。
第二測(cè)量子模塊M2可以執(zhí)行濾波功能，為了使其能夠確定其它 衛(wèi)星Si，相對(duì)于衛(wèi)星Si的相對(duì)速度，其中衛(wèi)星Si根據(jù)每個(gè)衛(wèi)星Si'相對(duì) 于所述衛(wèi)星Si的相對(duì)位置被安裝。
如圖2通過非限制性的實(shí)例所示，控制設(shè)備D可以相等地包括分 析模塊MA，負(fù)責(zé)根據(jù)先前已經(jīng)確定的衛(wèi)星Si，的相對(duì)位置探測(cè)與組內(nèi) 其它衛(wèi)星Si，碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。在這階段，可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知 的任何類型的碰撞風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)。
每當(dāng)分析模塊MA探測(cè)到碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，它也能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?yàn)槠?衛(wèi)星Si確定避讓策略，作為與組內(nèi)其它衛(wèi)星Si，的相對(duì)位置的函數(shù)。在
這種情況下，分析模塊MA給衛(wèi)星Si的控制模塊MD發(fā)送定義該避讓 策略的指令，由控制模塊MD來負(fù)責(zé)后者的定位。這可以是一個(gè)或者 更多個(gè)的推進(jìn)器，例如，或者是任意其它的用來控制衛(wèi)星姿態(tài)和軌道 的驅(qū)動(dòng)器來完成。
分析模塊MA或者額外的控制模塊也可以適于用來控制編隊(duì)返回 到標(biāo)準(zhǔn)的幾何排列，從在碰撞避讓策略后獲得的幾何和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及 調(diào)整所有衛(wèi)星至健康狀態(tài)后開始。
如果需要，本發(fā)明的控制設(shè)備D，特別是它的處理器模塊MT，其 測(cè)量模塊MM，其控制模塊MC以及分析模塊MA，可以以電路、軟 件(或者電子數(shù)據(jù)處理)模塊，或者電路與軟件結(jié)合的形式生產(chǎn)。
在控制設(shè)備D中，測(cè)量模塊MM，路由模塊C1和C2，預(yù)處理模 塊MP，波束形成模塊MF，以及適當(dāng)?shù)目刂颇KMC可以組合在構(gòu)成 傳感器SR的實(shí)體中。
本發(fā)明不局限于僅作為示例如上所述的控制設(shè)備以及飛行器實(shí)施 例，還包括本領(lǐng)域技術(shù)人員可能構(gòu)思的落入隨后權(quán)利要求書范圍內(nèi)的 所有變化。
權(quán)利要求
1.一種用于一組準(zhǔn)備以選定編隊(duì)飛行的飛行器中一個(gè)飛行器(Si)的控制設(shè)備(D)，包括一組安裝在所述飛行器(Si)的至少三個(gè)不同定向的面上并用于發(fā)送/接收射頻信號(hào)的至少三個(gè)發(fā)送/接收天線(Aj)，和用于根據(jù)由所述天線(Aj)接收的所述信號(hào)來估算由組內(nèi)其它飛行器(Si’)發(fā)送的信號(hào)的發(fā)送方向的處理器裝置(MT)，其特征在于包括第一測(cè)量裝置(M1)，用來確定由每個(gè)所述天線(Aj)接收的信號(hào)的功率并傳送功率組，每組功率與組內(nèi)所述其它飛行器(Si’)的一個(gè)相關(guān)，還包括存儲(chǔ)裝置(BD)，用來存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)組，每個(gè)地形數(shù)據(jù)組將每個(gè)所述天線(Aj)接收的信號(hào)的功率表示為選定的發(fā)送方向的函數(shù)，其特征還在于所述處理器裝置(MT)用于將由所述第一測(cè)量裝置(M1)傳送的每組功率與所述存儲(chǔ)的地形數(shù)據(jù)組進(jìn)行對(duì)比，以確定每個(gè)由組內(nèi)其它飛行器(Si’)發(fā)送的信號(hào)相對(duì)于相對(duì)所述飛行器(Si)固定的坐標(biāo)系的發(fā)送方向。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述的存儲(chǔ)裝置(BD) 用來存儲(chǔ)代表相對(duì)于參考水平歸一化后的功率的地形數(shù)據(jù)組，并且特 征在于所述的處理器裝置(MT)用于分析由所述第一測(cè)量裝置(Ml) 傳送的每組功率的所述功率，以確定參考功率，并且在選定的周期內(nèi) 將選擇用于對(duì)接收的所述信號(hào)相對(duì)于參考功率歸一化的增益應(yīng)用于從 相同飛行器(Si')接收的信號(hào)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1和2任一所述的設(shè)備，其特征在于，為了確定 每個(gè)接收的信號(hào)的功率，所述的第一測(cè)量裝置(Ml)用于對(duì)每個(gè)所述 接收的信號(hào)進(jìn)行信噪比的測(cè)量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的設(shè)備，其特征在于，它包括 控制裝置(MC)，用來在對(duì)所述組內(nèi)的每個(gè)飛行器的發(fā)送時(shí)間周期和 接收時(shí)間周期的進(jìn)行指定時(shí)，按照選定的方案，將指定給它們的飛行 器(Si)的發(fā)送和接收時(shí)間周期分成多個(gè)發(fā)送子時(shí)間片和接收子時(shí)間片， 每個(gè)數(shù)量與它們的飛行器(Si)的發(fā)送/接收天線(Aj)的個(gè)數(shù)相同， 并且用于按照第一選擇順序?qū)l(fā)送子時(shí)間片指定給所述發(fā)送/接收天線 (Aj)的每一個(gè)，按照第二選擇順序?qū)⒔邮兆訒r(shí)間片指定給所述發(fā)送/接收天線(Aj)的每一個(gè)，然后允許每個(gè)發(fā)送/接收天線(Aj)在指定給它的發(fā)送子時(shí)間片內(nèi)發(fā)送，在指定給它的接收子時(shí)間片內(nèi)接收，并且傳送的每組功率與由所述發(fā)送/接收天線(Aj)在它們各自的接收子 時(shí)間片內(nèi)接收的信號(hào)相關(guān)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述的控制裝置(MC) 用來改變所述的第一選擇順序和/或者所述第二選擇順序。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的設(shè)備，其特征在于，其包括 第二測(cè)量裝置(M2)，用于根據(jù)由每個(gè)所述天線(Aj)接收的至少所 述信號(hào)來估算它們的飛行器與組內(nèi)其它飛行器(Si')相隔的距離，并 且特征在于所述的處理器裝置(MT)用于根據(jù)所述的估算的距離和所 述估算的信號(hào)發(fā)送方向來確定相對(duì)于選定的坐標(biāo)系所述組內(nèi)的飛行器 的相對(duì)位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述的第二測(cè)量裝 置(M2)用于根據(jù)由每個(gè)所述天線(Aj)接收到的所述信號(hào)以及由組 內(nèi)所述其它飛行器(Si')發(fā)送的輔助信號(hào)來估算它們的飛行器(Si) 與組內(nèi)所述其它飛行器(Si，)的一個(gè)相隔的每個(gè)距離，并表示它們(Si，) 與所述飛行器(Si)之間相應(yīng)的距離測(cè)量。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或者7中任一所述的設(shè)備，其特征在于，它包 括分析裝置(MA)，用來根據(jù)所述的組內(nèi)飛行器間的相對(duì)位置來探測(cè) 碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，在探測(cè)碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)， 所述的分析裝置(MA)用于確定所述的飛行器(Si)的避讓策略作為 所述的組內(nèi)其它的飛行器(Si')的所述相對(duì)位置的函數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，它包括控制裝置， 在碰撞避讓策略后，用來為所述組的飛行器(Si)確定標(biāo)準(zhǔn)的重新配置 策略作為所述的碰撞避讓策略后的它們的相對(duì)位置的函數(shù)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一所述的設(shè)備，其特征在于，所述 的發(fā)送/接收天線(Aj)適用于發(fā)送和/或者接收采用由選擇的偽隨機(jī)碼 調(diào)制的載波形式的射頻信號(hào)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l至ll中任一所述的設(shè)備，其特征在于，所述 的發(fā)送/接收天線(Aj)適用于以屬于在包括S、 SHF和EHF波段的組 中選定頻帶的頻率發(fā)送/接收載波。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述的頻帶是S 波段。
14、 一種用于在一組相同類型的飛行器中編隊(duì)飛行的飛行器(Si)， 其特征在于，它包括根據(jù)前面權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的控制設(shè)備(D)。
全文摘要
一種用于一組準(zhǔn)備以選定編隊(duì)飛行的飛行器中一個(gè)飛行器的控制設(shè)備(D)，包括i)一組至少三個(gè)發(fā)送/接收天線(A1-A3)，安裝在其飛行器的至少三個(gè)不同方向的面上并用于發(fā)送/接收射頻信號(hào)，ii)第一測(cè)量裝置(M1)，用來確定由每個(gè)天線(A1-A3)接收的信號(hào)的功率并用于傳送功率組，每組功率與組內(nèi)其它飛行器的一個(gè)相關(guān)，iii)存儲(chǔ)裝置(BD)，用來存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)組，每個(gè)地形數(shù)據(jù)組將每個(gè)天線(A1-A3)接收的信號(hào)的歸一化功率表示為選定的發(fā)送方向的函數(shù)，iv)處理器裝置(MT)，用于將由第一測(cè)量裝置(M1)傳送的每組功率與存儲(chǔ)的地形數(shù)據(jù)組進(jìn)行對(duì)比，以確定由組內(nèi)其它飛行器發(fā)送的信號(hào)相對(duì)于相對(duì)它們的飛行器固定的坐標(biāo)系的每個(gè)發(fā)送方向。
文檔編號(hào)B64G1/24GK101371158SQ200780002788
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者C·梅倫, R·弗倫凱爾 申請(qǐng)人:泰勒斯公司