專利名稱：用于計算電離層校正的網(wǎng)絡(luò)和方法
用于計算電離層校正的網(wǎng)絡(luò)和方法本發(fā)明的領(lǐng)域涉及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具體而言，涉及用于計算電離層校正的網(wǎng)絡(luò) 和方法。本申請中的“衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”是指任何廣域?qū)Ш降膶Ｓ孟到y(tǒng)，例如被稱 為GPS、GLONASS的現(xiàn)有的GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))系統(tǒng)，或者將來的伽利略 (GALILEO)系統(tǒng)，以及它們的所有等效物和派生物。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 使用的定位原理。對衛(wèi)星發(fā)送的無線電信號進(jìn)行編碼，該信號到達(dá)待定位的接收機(jī)所需 的時間用于確定該衛(wèi)星和該接收機(jī)之間的距離，其優(yōu)選地稱為偽距離(pseudo-distance)。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度受一些誤差的影響。這些誤差可以分成兩類全局影響和局部影 響。對于全局影響，其可能涉及與電磁波在電離層傳播有關(guān)的誤差以及與衛(wèi)星有關(guān)的誤 差(軌道和時鐘誤差)。對于局部影響，其可能涉及與電磁波在對流層傳播有關(guān)的誤差、 信號反射誤差、與干擾有關(guān)的誤差由于白區(qū)(whitezone)和接收機(jī)噪聲的誤差。為了在 準(zhǔn)確度、完整性、連續(xù)性和可用性方面改進(jìn)現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)了太空領(lǐng)域內(nèi)被稱 為“增強(qiáng)系統(tǒng)”的系統(tǒng)。歐洲衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)EGNOS改進(jìn)了 GPS和GLONASS這兩種衛(wèi) 星系統(tǒng)的性能。其發(fā)送偽距離校正來校正上述誤差。本發(fā)明是要更有針對性地校正電離層誤差。已知構(gòu)成大氣層的空氣的密度隨著 與地球表面的距離增加而減小。在電離層這一層級，宇宙和太陽射線不再被過濾。這些 射線(紫外線和X射線)更為強(qiáng)烈，并使電子從組成空氣的原子中分離，其稱為電離。 折射系數(shù)因此改變，從而信號通過電離層的傳播速度也發(fā)生變化?；谘舆t的計算中假 定了導(dǎo)航信號的傳播速度等于光速，由于導(dǎo)航碼測量的延遲或者相位測量的加速，通過 電離層的傳播產(chǎn)生了偽距離測量的誤差。為了在位置計算時獲得更好的準(zhǔn)確度，有必要 對電離層誤差進(jìn)行估計，其中該電離層誤差在一天之內(nèi)還會變化。

圖1描述了本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其包括GNSS定位 系統(tǒng)和SBAS (基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng))增強(qiáng)系統(tǒng)。航空器4具有機(jī)載接收機(jī)，其連接到 EGNOS增強(qiáng)系統(tǒng)。EGNOS是SBAS類型的系統(tǒng)，其在地面部分300中包括由多個地面 站“SBASG”組成的架構(gòu)，在太空部分100中包括多個地球靜止衛(wèi)星“SBASS”。地 面部分包括在廣闊的地理區(qū)域分布的多個地面站，其從GNSS衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)并確定偽 距離；以及中央控制和處理站1，其根據(jù)SBAS G接收站發(fā)送的偽距離來確定組合在信號 10中的校正。地球靜止衛(wèi)星“SBAS S”將該信號10從中央站1中繼給航空器4的接收 機(jī)。計算站1對電離層校正數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯，以計算如圖2所示電離層校正91 94的 網(wǎng)格96。當(dāng)導(dǎo)航信號通過電離層時，地面站“SBASG”確定與衛(wèi)星到地面站視線對應(yīng) 的穿透點。從而，對地面站覆蓋的整個地域采用與電離層延遲測量對應(yīng)的穿透點進(jìn)行采 樣。當(dāng)點接近于電離層校正網(wǎng)格的點時，電離層延遲95的值通過對相鄰穿透點的值91 94進(jìn)行外插來確定。電離層校正的網(wǎng)格96的覆蓋和精細(xì)度與地面站和衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)的覆蓋 和精細(xì)度成比例。這些傳統(tǒng)系統(tǒng)(GNSS和SBAS)出現(xiàn)了多個問題。第一個問題是覆蓋區(qū)域。事實上，電離層校正網(wǎng)格的覆蓋依賴于地面站的分布，其只能部署在容易訪問的陸地區(qū)域。 在這些界限以外，例如在海上或者山區(qū)，導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)性能下降。第二個問題是計算校 正網(wǎng)格的采樣數(shù)量。延遲測量數(shù)據(jù)越多，校正就越準(zhǔn)確。該測量數(shù)量與衛(wèi)星數(shù)量和地面 站數(shù)量直接相關(guān)，而這些衛(wèi)星和地面站的成本很高(還由于維護(hù)以及實時數(shù)據(jù)通信流)。 第三個問題是測量的質(zhì)量。地面站進(jìn)行的測量受局部誤差影響，例如反射問題、干擾和 對流層。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知專利US 6,674,398B2描述了使用移動接收機(jī)來測量電離層 延遲的發(fā)明。然后將這些測量值直接發(fā)送給太空部分，該太空部分將這些數(shù)據(jù)中繼給地 面部分中的計算系統(tǒng)，以對它們進(jìn)行編譯并計算電離層校正網(wǎng)格。然而，該發(fā)明需要創(chuàng) 建到太空部分的專用用戶鏈路并需要其可用，并留有由非航空用戶使用的可能，因此對 于航空服務(wù)來說不值得信任。更具體地，本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)，其使得可以計算電離層校正并將其提供給衛(wèi) 星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶，該衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要特征是其包括航空部分，該航空部分包括航空 用戶部分，該航空用戶部分由多個航空器組成，每個航空器具有機(jī)載RF接收機(jī)，該機(jī)載 RF接收機(jī)能夠測量衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號延遲，該航空部分還包括多個航空器和地面部分 之間的航空數(shù)據(jù)通信模塊，以便將所述延遲的測量發(fā)送給地面部分，該衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還 包括地面部分，該地面部分包括用于接收延遲測量的模塊，該延遲測量用于計算電離層 校正網(wǎng)格，該延遲測量來自于多個航空器以及多個地面站。本發(fā)明的益處在于，通過使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及航空領(lǐng)域中已有的 測量和通信部件，來生成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電離層校正網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明利用了航空網(wǎng)絡(luò)的可 靠性和服務(wù)質(zhì)量要求。事實上，衛(wèi)星傳輸不具有與航空領(lǐng)域中設(shè)計的傳輸水平相同的完 整性。航空用戶接收機(jī)本身也值得信任。本發(fā)明使得電離層校正通信體系結(jié)構(gòu)可用，該 電離層校正通信體系結(jié)構(gòu)與以前限于衛(wèi)星通信體系結(jié)構(gòu)的解決方案相比顯示出增加的可 靠性。進(jìn)一步地，因為再次使用了從航空器到地面部分的通信鏈路(其已經(jīng)被設(shè)計以考 慮航空器的數(shù)量)，所以不需要到衛(wèi)星的專用鏈路可用。測量還在航空部分這一層級來進(jìn)行，因此不受局部誤差影響。計算系統(tǒng)所進(jìn)行 的校正從而更為準(zhǔn)確。如圖2中所示，本發(fā)明是要提供更為準(zhǔn)確并且其地理覆蓋96更廣闊并具有更精 確的采樣的電離層校正數(shù)據(jù)91 95。電離層測量的數(shù)量與飛行中的航空器2數(shù)量的密度 成比例，因此，可用的電離層校正網(wǎng)格96更密，并因此更加準(zhǔn)確。因為對電離層校正的 網(wǎng)格96的采樣更精細(xì)，所以本發(fā)明能夠檢測小的電離層擾動。根據(jù)本發(fā)明的、用于計算電離層校正的網(wǎng)絡(luò)，其測量的潛力比要求的要高得 多，因此有可能減少“SBASG”地面站的數(shù)量，從而減少SBAS類型的衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)的 成本。進(jìn)一步地，用于計算電離層校正的網(wǎng)絡(luò)從航空器進(jìn)行測量，因此并不受海上或山 區(qū)覆蓋的限制。因此，在這些區(qū)域的邊緣不再有任何的性能下降。通過閱讀下面非限制性的說明并參考附圖，將會更好地理解本發(fā)明，并且其它 益處將會變得明顯，其中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。圖2示出了地面部分的計算系統(tǒng)所計算的電離層校正的網(wǎng)格區(qū)域。圖2示出了通過針對空間中的任意點對校正進(jìn)行外插的計算方法。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)，使得能夠計算電離層校正并將其提供給用戶， 該網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括太空部分和航空部分。如圖3所示，下面描述的本發(fā)明涉及用于計算和發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電離層校 正的網(wǎng)絡(luò)。很清楚的是，該網(wǎng)絡(luò)適用于任何GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，例如“GPS”系統(tǒng)或 者將來的“伽利略”系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用例如“EGNOS”系統(tǒng)或“WAAS”系統(tǒng)這樣 的SBAS增強(qiáng)系統(tǒng)，以使得能夠提供校正數(shù)據(jù)。本發(fā)明的主要特征是在用于計算電離層數(shù) 據(jù)的網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中包括航空部分200，該航空部分包括用戶部分，該用戶部分由航空 器2組成，航空器2測量電離層延遲并采用針對航空需求而設(shè)計的通信模塊5將這些測量 傳輸給地面部分300。這些測量模塊21和通信模塊5與傳統(tǒng)單一的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比提供了 增加的可靠性和服務(wù)質(zhì)量，并能夠獲得比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更高數(shù)量的電離層延遲測量91 94。太空部分100由以不同的頻率發(fā)送導(dǎo)航信號7和8的多個GNSS衛(wèi)星構(gòu) 成。例如，伽利略GNSS系統(tǒng)將能夠針對航空用戶在頻率Ll (1563-1587MHZ)、 E5a(1164-1189MHz)和E5b(1189_1214MHz)上進(jìn)行發(fā)送。太空部分100還由發(fā)送信號 6的“SBASS”衛(wèi)星構(gòu)成，該信號向航空用戶(例如航空器4和2)或者非航空用戶(例 如機(jī)動車或艦船)發(fā)送定位校正數(shù)據(jù)。安裝在航空器中的測量模塊21是射頻(RF)接收 機(jī)，其能夠如前面所述在不同的頻率上接收導(dǎo)航信號7和8。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的 計算方法，這些RF接收機(jī)21能夠測量導(dǎo)航信號通過高海拔處電離層的延遲，從而避免了 局部的誤差影響，如前面所述的，從而提供了更準(zhǔn)確的測量。通信模塊5使用航空領(lǐng)域 技術(shù)人員熟知的、用于航空器2和地面部分300之間的高頻通信的模塊。地面部分包括圖3中未示出的、用于集中并選擇用于計算電離層校正網(wǎng)格的電 離層延遲測量源的模塊，該延遲測量來自于多個航空器2和多個“SBASG”地面站。由 于來自航空器2的測量數(shù)量可能很大，因此計算站1具有選擇最相關(guān)的來源來計算電離層 校正網(wǎng)格的功能。計算系統(tǒng)1對主要來自于多個航空器2的延遲測量91 94進(jìn)行編譯。 地面部分還包括傳輸模塊3，用于將電離層校正網(wǎng)格96的數(shù)據(jù)10發(fā)送給太空部分100。有益地，使計算電離層校正數(shù)據(jù)91 95并將其提供給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶成為可 能的方法執(zhí)行下述步驟-在航空用戶部分這一層級以及在地面部分SBASG這一層級來測量延遲91 94，_將多個航空器測得的延遲發(fā)送給地面部分300，該數(shù)據(jù)發(fā)送由航空通信網(wǎng)絡(luò)5 來進(jìn)行，_通過對主要來自于在航空用戶部分200這一層級進(jìn)行的測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯， 來計算電離層校正網(wǎng)格96，-將電離層校正網(wǎng)格96的數(shù)據(jù)91 95發(fā)送給太空部分100。有益地，航空用戶部分這一層級的延遲測量在航空器2的飛行階段內(nèi)實時地并 連續(xù)地進(jìn)行。本發(fā)明使在各種地理區(qū)域內(nèi)實時地并且在一天內(nèi)的各個時間對電離層進(jìn)行 采樣成為可能。為了向用戶提供有關(guān)的電離層校正，該方法的所有步驟都實時地并連續(xù) 地進(jìn)行。有益地，地面部分300的計算系統(tǒng)1包括用于選擇延遲測量源的模塊，其使用最相關(guān)的來源來計算電離層校正網(wǎng)格96。實際上，飛行中的航空器2的群組可以提供高于 所需數(shù)量的測量。有益地，當(dāng)來自航空用戶部分的延遲測量的數(shù)量變?yōu)樾∮谧钚￠撝禃r，例如在 不太可能出現(xiàn)的、航空網(wǎng)絡(luò)完全中斷的情形下，計算系統(tǒng)選擇來自地面站的延遲測量。 作為安全手段，保持最小數(shù)量的“SBASG”地面站處于服務(wù)狀態(tài)，以保證最小數(shù)量的延
遲測量。有益地，用戶部分200的航空器2還包括用于接收對RF接收機(jī)21工作可靠性的 指示的模塊，地面部分300的計算系統(tǒng)1包括用于評估測量延遲的RF接收機(jī)21的可靠 性的模塊，以及用于將對所述RF接收機(jī)21可靠性的指示發(fā)送給用戶部分200的航空器 2的模塊。在計算電離層校正網(wǎng)格96的過程中，地面站能夠確定與相鄰數(shù)值不一致的數(shù) 值。例如，如果在顯示相當(dāng)?shù)蛿?shù)值的地理區(qū)域內(nèi)檢測到高的孤立的電離層延遲值，則可 以推知該測量是錯的，并且所討論的航空器的RF接收機(jī)21可能工作不正常。有益地， 計算系統(tǒng)1然后向具有能夠測量延遲的機(jī)載RF接收機(jī)的多個航空器發(fā)送對它們的RF接 收機(jī)可靠性的指示。本發(fā)明能夠建立導(dǎo)航系統(tǒng)的航空用戶部分和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的控制組 織之間協(xié)作的系統(tǒng)。作為訪問在航空器上進(jìn)行的延遲測量的回報，控制組織可以提供對 航空器上RF接收機(jī)可靠性的指示。
權(quán)利要求
1.一種能夠計算電離層校正并將其提供給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶的網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)包括太空部分(100)，其由多個衛(wèi)星(GNSS，SBAS S)組成，所述多個衛(wèi)星向用戶部分發(fā) 送位置校正數(shù)據(jù)(91-95)，并且以不同的頻率向所述用戶部分發(fā)送導(dǎo)航信號(7，8)，地面部分，其包括計算系統(tǒng)(1)和傳輸模塊(3)，所述傳輸模塊(3)將數(shù)據(jù)發(fā)送給所 述太空部分(100)，使得所述計算系統(tǒng)(1)對來自多個地面站(SBASG)的電離層延遲測 量進(jìn)行編譯以計算電離層校正(91-95)的網(wǎng)格(96)，并且所述傳輸模塊(3)將所述電離層 校正網(wǎng)格(96)發(fā)送給所述太空部分(100)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)還包括航空部分(200)，其包括由多個航空器(2)組成的航空用戶部分，所述多個航空器 (2)中的每個航空器具有機(jī)載RF接收機(jī)(21)，所述機(jī)載RF接收機(jī)(21)能夠測量所述衛(wèi) 星(GNSS)發(fā)送的所述導(dǎo)航信號的延遲，所述航空部分(200)還包括所述多個航空器(2) 和所述地面部分(300)之間的航空數(shù)據(jù)通信模塊(5)，用于將所述延遲測量發(fā)送給所述地 面部分(300)，所述地面部分這一層級上、用于接收延遲測量的模塊，所述延遲測量用于計算所述 網(wǎng)格(96)，所述延遲測量來自于所述多個航空器(2)和所述多個地面站(SBASG)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述地面部分(300)的計算系統(tǒng)(1) 包括用于選擇延遲測量源的模塊，其使用最相關(guān)的測量源來計算所述電離層校正網(wǎng)格 (96)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述用戶部分的航空器(2)還包括用 于接收對所述RF接收機(jī)工作可靠性的指示的模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述地面部分的計算系統(tǒng)包括用于 評估測量延遲的所述RF接收機(jī)(21)的可靠性的模塊，以及用于將對所述RF接收機(jī)可靠 性的指示發(fā)送給所述用戶部分的航空器(2)的模塊。
5.一種能夠計算電離層校正數(shù)據(jù)并將其提供給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶的方法，其特征 在于，該方法使用權(quán)利要求4中所述的網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行下述步驟在所述航空用戶部分這一層級和所述地面部分(300)這一層級來測量延遲，將所述多個航空器(2)測得的延遲發(fā)送給所述地面部分(300)，其中，所述數(shù)據(jù)的發(fā) 送由航空通信網(wǎng)絡(luò)(5)來進(jìn)行，通過對主要來自于在所述航空用戶部分這一層級進(jìn)行的測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯，來計 算電離層校正網(wǎng)格(96)，將所述電離層校正網(wǎng)格(96)的數(shù)據(jù)(91-95)發(fā)送給所述太空部分(100)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟實時地并連續(xù)地執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，為了計算所述電離層校正網(wǎng)格(96)， 當(dāng)來自所述航空用戶部分的延遲測量的數(shù)量變?yōu)樾∮谧钚￠撝禃r，所述計算系統(tǒng)選擇來 自所述地面站(SBASG)的延遲測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述計算系統(tǒng)(1)向具有能夠測量延遲 的機(jī)載RF接收機(jī)(21)的所述多個航空器發(fā)送對它們的RF接收機(jī)(21)可靠性的指示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計算電離層校正并將其提供給衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，該網(wǎng)絡(luò)還包括航空部分(200)，其包括由多個航空器(2)組成的航空用戶部分，每個航空器具有機(jī)載RF接收機(jī)(21)，機(jī)載RF接收機(jī)能夠測量衛(wèi)星(GNSS)發(fā)送的導(dǎo)航信號的延遲，航空部分(200)還包括用于在多個航空器(2)和地面部分(300)之間傳輸數(shù)據(jù)的航空通信模塊(5)，用于將延遲測量發(fā)送給地面部分(300)，用于在地面部分(300)處接收延遲測量的模塊，其中延遲測量用于計算網(wǎng)格，該延遲測量被多個航空器(2)和多個地面站(SBAS G)傳輸。
文檔編號G01S1/00GK102016620SQ200980115606
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者J-C·萊維, J-L·達(dá)米多 申請人:塔萊斯公司