專利名稱：用于航空飛行器的飛行器定位系統(tǒng)的精度提高的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛行器的定位系統(tǒng)，尤其是涉及使用在空中交通管理設(shè)施中的飛行器定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于應(yīng)用衛(wèi)星和地面站的組件，其定位精度優(yōu)于那些完全基于只用于衛(wèi)星上或只用于地面站的組件所提供的定位精度。
由于空中交通日益增多，人們希望減少飛行之間的飛行間隔距離，并且由此增加國家所控制的空域管理的有效能力。在美國空中交通的控制系統(tǒng)是以空中交通的安全作為首要的運(yùn)行準(zhǔn)則。在這樣的運(yùn)行環(huán)境及準(zhǔn)則下，飛機(jī)定位的不精確性就直接地意味著在飛行之間需要有大距離的飛行間隔。此外，現(xiàn)有的系統(tǒng)主要是以雷達(dá)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，它需要在飛行上使用必須由飛行員調(diào)節(jié)到識別飛行的預(yù)定碼上的轉(zhuǎn)發(fā)器。如果飛機(jī)上裝備了C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，則利用轉(zhuǎn)發(fā)器的信號將其高度信號發(fā)射給一個問訊雷達(dá)，但是這種高度信號除依賴于雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)器外還依賴于將高度編碼的有效性。雷達(dá)的作用距離不能貫穿整個美國，但是通常它集中在高稠密的居住地區(qū)或頻繁定線飛行的地區(qū)。結(jié)果就使得在雷達(dá)作用范圍不能到達(dá)、并僅由飛行員依靠定位報(bào)告其位置的地區(qū)中，空中交通控制系統(tǒng)在其容量上被嚴(yán)格受到限制。最后使得必須在飛機(jī)之間加大間隔距離。
在現(xiàn)有的空中交通控制系統(tǒng)中，飛機(jī)的位置被傳送到一個空中交通控制人員，他根據(jù)自己面前的增強(qiáng)型雷達(dá)顯示器提供分離及碰撞的警報(bào)。雖然可以利用某些計(jì)算機(jī)化的碰撞警報(bào)系統(tǒng)，但由于雷達(dá)系統(tǒng)的定位精度及飛機(jī)運(yùn)行的包絡(luò)跡常會引起誤警報(bào)，故這種系統(tǒng)在高度擁擠的交通區(qū)域不是很有用的。因而差的定位精度既降低了空中交通系統(tǒng)的容量也降低了在擁擠的空域中利用計(jì)算實(shí)現(xiàn)碰撞警報(bào)的能力。
衛(wèi)星型飛行器定位系統(tǒng)，例如在1982年11月16日公布的美國專利US4359，733描述的地球衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)提出了著手解決現(xiàn)有空中交通控制系統(tǒng)的精度及容量問題，并于裝設(shè)適當(dāng)電子設(shè)備的飛機(jī)提出了根據(jù)計(jì)算機(jī)得出的確定飛機(jī)位置的信息，自動向飛行員報(bào)告潛在碰撞。然而，該系統(tǒng)通常裝備了相當(dāng)昂貴的航空設(shè)備及既復(fù)雜又昂貴的衛(wèi)星系統(tǒng)，以提供所需的服務(wù)。此外，雖然它們與雷達(dá)型系統(tǒng)相比能夠提供改善的精度，并且能夠使用幾個衛(wèi)星復(fù)蓋基本全美國大陸，但是由于從飛行器發(fā)射信號得到的位置線的雙曲線的小相交角，使該系統(tǒng)遭受到幾何上精密度的削弱(GDOP-GeometricDilutionofPrecision)對于同步地球通信衛(wèi)星中繼器系統(tǒng)而言，GDOP系數(shù)典型大于100。使用地面型中繼器構(gòu)成的系統(tǒng)在升高的平面中會遭受到相似的GDOP問題，因?yàn)樵撓到y(tǒng)位置線的交角也是小的。這些GDOP的量值需要大于所需的飛機(jī)之間的距離。
由上所述可以明顯地看出，無論是完全基于一個衛(wèi)星或多個衛(wèi)星的系統(tǒng)還是完全基于一個或多個地面站的系統(tǒng)，都不能滿足下一代空中交通控制系統(tǒng)的定位精確度和費(fèi)用的要求。這樣的系統(tǒng)應(yīng)能在最大程度上減少航空和宇航部件的費(fèi)用和復(fù)雜性，并在提供復(fù)蓋全美國大陸時還需要地面站的個數(shù)相對地少。
本發(fā)明提供對于衛(wèi)星型的飛行器定位系統(tǒng)(VLS)(例如一份美國專利申請，申請?zhí)枮?6/901，086，申請日為86年8月27日，發(fā)明人為沙基(Sagey)等人，已轉(zhuǎn)讓給休斯(Hughes)飛機(jī)公司，這里用作引證文件)所做的改進(jìn)。本發(fā)明的基本的VLS系統(tǒng)依靠個數(shù)相當(dāng)少的簡單轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，它們從航空飛行器上的發(fā)射器接收編碼信號，并再將它們再發(fā)送到一個公共基站。航空用戶的位置可從被衛(wèi)星延遲的信號的到達(dá)時間差(TDOA)得出。
本發(fā)明涉及采用無人管理的地面增強(qiáng)站，它將從航空飛行器接收的信號準(zhǔn)確地延時后再發(fā)送出去。地面增強(qiáng)站把這樣的信號再發(fā)送給衛(wèi)星，該信號具有識別正在再發(fā)射的這個具體的地面增強(qiáng)站的附加數(shù)據(jù)信號。這些衛(wèi)星起著“彎管”(“bentpipe”)轉(zhuǎn)發(fā)器的作用，它將這些信號再發(fā)射給公共地面基站，這些基站能夠根據(jù)衛(wèi)星與地面增強(qiáng)站的幾何關(guān)系及已收到信號的TDOA(到達(dá)時間差)計(jì)算航空飛行器位置。在使用上述系統(tǒng)時，由于將地面型系統(tǒng)的相當(dāng)陡的恒定時間延遲線迭加到衛(wèi)星拖低車南嗟被旱暮愣ㄊ奔溲映儐呱希蚨氏衷諭耆孛嫘拖低郴蟯耆占湫拖低持械南嗟貝蟮募負(fù)紊暇范鵲南魅酰℅DOP)顯著地減小，借此對正在發(fā)射信號的飛行器的位置提供了更精確的測量。
本發(fā)明的混合系統(tǒng)在至少一個地面增強(qiáng)站及三個衛(wèi)星上使用飛機(jī)信號的接收及再發(fā)射，與僅由位于一個或多個衛(wèi)星上的中繼器(repeaters)組成的系統(tǒng)相比，用以提供明顯減少的GDOP值。此外，如果飛機(jī)是在至少二個地面增強(qiáng)站的范圍內(nèi)，與用戶飛機(jī)是在僅有的一個地面增強(qiáng)站的范圍內(nèi)時的情況相比，則能得到進(jìn)一步地減少了GDOP系數(shù)。最高的精確度(和最低的GDOP)發(fā)生在包圍一個機(jī)場的終端控制區(qū)域(TCA)的大約7個地面站的超過預(yù)定(即剩余導(dǎo)航數(shù)據(jù))的系統(tǒng)中。公共基站的計(jì)算機(jī)就能選擇一組信號，這組信號可為最低GDOP產(chǎn)生最佳幾何關(guān)系。
本發(fā)明在每個飛機(jī)上使用了一種簡單的及價(jià)廉的發(fā)射器，它被設(shè)計(jì)成配有對它那個飛機(jī)專用的碼。該發(fā)射器還被設(shè)計(jì)成其在飛機(jī)的整個運(yùn)行時間中都工作，包括飛機(jī)在飛機(jī)場滑行道上滑行時間。然而在滑行運(yùn)行中，在一個優(yōu)選的實(shí)施例中工作比被選得相當(dāng)長一些。為了在來自于多個飛機(jī)的交錯信號之間獲得高區(qū)域分辨率及好的鑒別性能，所有的信號為采用分散頻譜偽噪聲調(diào)制的窄脈沖。這個波形是完全與上述申請?zhí)枮?6/901，086的專利申請中使用的波形一致的。因此，本發(fā)明的發(fā)射器提供了專門識別每個運(yùn)行中飛機(jī)的措施，但是這種發(fā)射器的簡單化避免了在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行飛機(jī)不必要的費(fèi)用。飛機(jī)上還可以裝備一個碰撞報(bào)警接收器，它能接收設(shè)計(jì)用來向飛行員報(bào)告在他的飛機(jī)與其它飛機(jī)之間正在形成潛在的撞機(jī)沖突的警報(bào)信號。碰撞報(bào)警系統(tǒng)也可以設(shè)置給飛行員提供避免碰撞的處理方法建議的措施。這樣一種碰撞避免信號可以根據(jù)在系統(tǒng)中對所有飛機(jī)的位置及預(yù)定位置的計(jì)算及存在基站中心計(jì)算機(jī)中的各種碰撞避免判據(jù)程序得出。
由航空用戶發(fā)射的信號由在發(fā)射器視線范圍中的一個或多個衛(wèi)星及多個地面站接收。發(fā)射器的頻率選擇得能在航空飛行器、衛(wèi)星及地面站之間提供可靠的通信視線。該系統(tǒng)的衛(wèi)星部分設(shè)置了相對簡單的衛(wèi)星，最好是位于同步高度上的衛(wèi)星，它裝有一個“彎管”轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)用于將從航空飛行器收到的信號不以任何方式加以處理地轉(zhuǎn)發(fā)給一個遠(yuǎn)程的地面基站。這些衛(wèi)星采用各種措施被跟蹤及確定它們的精確位置。例如采用專用跟蹤站或衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星將從航空飛行器接收到的信號以窄波束發(fā)射給地面基站上的天線。在該地面基站上裝設(shè)了多個窄波束接收天線，它們中的每個天線均對準(zhǔn)了相應(yīng)的衛(wèi)星，所以這些衛(wèi)星可以全部工作在一個相似的頻率上而不會互相干擾，或者相反地，對每個衛(wèi)星可分配以不同的頻率，并且用單個的寬波束天線接收后再進(jìn)行信號的分離。
遍及全美國設(shè)立了許多地面增強(qiáng)站，用以提供航空飛行器的作用距離及接收航空飛行器上發(fā)射器的發(fā)射信號。每個地面增強(qiáng)站然后再將從航空飛行器上接收到的信號以新的頻率發(fā)射出去(允許同時地進(jìn)行發(fā)射與從一個或多個飛機(jī)上的接收)，并在該信號中加入了地面站的識別信號。再發(fā)射的時間精確地受到控制，以致能保存測量系統(tǒng)的完整性。然后地面基站根據(jù)已知的衛(wèi)星的及各個地面增強(qiáng)站的位置，由航空用戶到衛(wèi)星直接發(fā)射信號到達(dá)的時間差(TDOA);及經(jīng)由地面增強(qiáng)站的延時信號，對航空用戶的位置進(jìn)行計(jì)算。
本發(fā)明的飛行器定位系統(tǒng)的定位精確度顯著增強(qiáng)，這是因?yàn)榕c所有衛(wèi)星或所有地面型的方案有關(guān)的幾何上的精確度削弱值(GDOP)顯著地減少了。這種GDOP值的減少是有可能的，這是因?yàn)榈孛嬲竞愣〞r間延遲的雙曲線與衛(wèi)星恒定時間延遲雙曲線的交角大于在最有利幾何關(guān)系下衛(wèi)星到衛(wèi)星或是地面站到地面站的交角。當(dāng)該交角到達(dá)90°時與時間延遲測量精度有關(guān)的誤差大大地減小，因?yàn)檫@樣的誤差是產(chǎn)生的雙曲線半徑增加的顯示。當(dāng)雙曲線相交成小角度時，不精確的區(qū)域大于雙曲線相交成相對大角度的情況，當(dāng)相交角達(dá)到90°時，不精確的區(qū)域就在最大程度上降低了。本發(fā)明是在最大程度地降低該系統(tǒng)航空、宇航及地面設(shè)施的費(fèi)用的同時提供這些改進(jìn)精確度的，因?yàn)槌ド倭康挠糜谟?jì)算位置及確定潛在碰撞的中心處理基站外。這些設(shè)施均不需要有復(fù)雜的電子設(shè)備或復(fù)雜的計(jì)算能力。
因此本發(fā)明與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比提供了顯著的精確度的改進(jìn)及費(fèi)用的減少。通過以下與附圖相結(jié)合的詳細(xì)說明對本發(fā)明的另外的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)將會更清楚，附圖是以范例的方式描繪本發(fā)明特征的。其附圖為

圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例的部件及航空用戶布置的概圖;
圖2是從用戶到飛行器定位系統(tǒng)的衛(wèi)星的單位矢量構(gòu)成的四面體圖;
圖3是說明單個用戶地面增強(qiáng)站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面基站的本發(fā)明一個實(shí)施例的部件示意圖;
圖4是說明增強(qiáng)站位置及作用距離與用戶典型高度關(guān)系的圖;
圖5是用以說明本地區(qū)中位于較高高度的地面增強(qiáng)站的南加里福尼亞的地面增強(qiáng)站的示范分配圖;
圖6是作為圖4中8個地面增強(qiáng)站徑度函數(shù)的33°40′緯度處的幾何上精確度削弱(GDOP)值的示圖，用以表明將一個衛(wèi)星加入地面增強(qiáng)站對GDOP特性的改善;
圖7是本發(fā)明對于地面高度在0英尺及1，000英尺上的兩種地面增強(qiáng)站來說，在全美國部署的地面基站的一個實(shí)施例中所需的場地?cái)?shù)目作為飛機(jī)高度作用距離的函數(shù)的圖;
圖8是在本發(fā)明另一實(shí)施例中與用于美國大陸部署的地面增強(qiáng)站數(shù)目演算有關(guān)的幾何關(guān)系圖;
圖9是本發(fā)明的一個地面增強(qiáng)站的部件的布置方框圖;
圖10是用于本發(fā)明一個實(shí)施例中的一個航空用戶的電子發(fā)射器系統(tǒng)的部件布置方框圖;
圖11是本發(fā)明的一個實(shí)施例中衛(wèi)星部分的部件布置方框圖;
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例中地面基站部件的布置方框圖。
如示例性的附圖中所示，本發(fā)明具體體現(xiàn)在一個飛行器的定位系統(tǒng)中，該系統(tǒng)同時使用了衛(wèi)星型和地面型的轉(zhuǎn)發(fā)器，用以將從一個航空用戶發(fā)送器發(fā)來的信號中繼轉(zhuǎn)送給一個地面基站，在該站中、根據(jù)已知的衛(wèi)星及地面基站的幾何條件、位置以及在地面站中各信號接收時刻的時間差作出空中用戶位置的計(jì)算。本發(fā)明在航空用戶設(shè)備、地面站及衛(wèi)星系統(tǒng)中的無線電頻率部件上使用了相對便宜的及簡單的部件，以及具有在一個或幾個相對大的復(fù)雜的地面基站裝置中集中計(jì)算的及解決發(fā)生碰撞的能力?，F(xiàn)有技術(shù)的飛行器定位系統(tǒng)是完全衛(wèi)星型的或是完全地面型的，它們需要在航空用戶和/及衛(wèi)星上設(shè)置相對大數(shù)量的復(fù)雜電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于提供所需的飛行器的定位服務(wù)。
這種現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)存在一個問題即幾何上精密度的削弱值(GDOP)是與地球同步軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星系統(tǒng)中航空用戶用的恒定時間延時的雙曲線的相對小的交叉角相聯(lián)系的。使用這樣一個系統(tǒng)，來自航空用戶到達(dá)衛(wèi)星信號的、或相反地發(fā)自衛(wèi)星到達(dá)航空用戶的信號的時間測量的任何誤差由于這種幾何圖形結(jié)果產(chǎn)生出相當(dāng)大的誤差。同樣，在完全地面型的系統(tǒng)中具有相對局限的地區(qū)作用距離及幾何上精密度的削弱誤差，除非使用非常大數(shù)目的地面站來保證在航空用戶及許多地面站之間有足夠的幾何關(guān)系，由此許可選擇一個合適的幾何關(guān)系。
在飛機(jī)或在宇宙飛船上進(jìn)行飛行器定位計(jì)算的飛機(jī)或宇宙飛船的系統(tǒng)局限于這樣的情況即與本發(fā)明的構(gòu)思相比、諸如遠(yuǎn)程及自動的定位方面必須包括相當(dāng)大量及昂貴的計(jì)算能力。
圖1描繪了本發(fā)明的基本布置，其中航空用戶2通過它的全向天線6發(fā)送出一個頻率為F1的信號4。這種信號可能被衛(wèi)星8及地面增強(qiáng)站10所接收。地面增強(qiáng)站10再將從用戶2接收的頻率為F1的信號以頻率F2在一精確時間延遲后，并且在該信號中加入了地面增強(qiáng)站的識別標(biāo)志后再發(fā)送給衛(wèi)星8。然后衛(wèi)星8再以頻率F3發(fā)送信號給地面基站14的天線12。地面基站14包含根據(jù)由衛(wèi)星8及地面增強(qiáng)站10轉(zhuǎn)發(fā)信號的到達(dá)延時(TDOA)及每個地面增強(qiáng)站及衛(wèi)星的已知位置計(jì)算航空用戶2位置的能力。于是本發(fā)明將與遠(yuǎn)離地面基站14的系統(tǒng)中全部部件有關(guān)的費(fèi)用及復(fù)雜性減到最小程度，并且為在航空交通控制系統(tǒng)中飛行器的定位提供了單一的信息源。根據(jù)飛機(jī)擁有者的選擇，每個飛機(jī)可能裝備了一個接收器，它能夠接收及解碼來自于中央地面站14的信息，以提供給航空用戶它的當(dāng)前位置的指示以及與另外航空用戶的任何可能發(fā)生碰撞的指示。這樣一個信號能夠由在航空用戶接收范圍內(nèi)的衛(wèi)星或是選擇的地面增強(qiáng)站來中繼轉(zhuǎn)發(fā)。
由上述可知，與當(dāng)前預(yù)見的系統(tǒng)相比本發(fā)明提供了重要的優(yōu)越性，與在用戶機(jī)艙上進(jìn)行計(jì)算的系統(tǒng)相比其費(fèi)用大大地減少，因而該系統(tǒng)就適用于較小的，不太富裕的用戶。于是本發(fā)明可以這樣的方式促進(jìn)空中安全即所有的用戶均裝配上轉(zhuǎn)發(fā)器并成為國家空域系統(tǒng)中的一部分，則其結(jié)果就增加了安全及可實(shí)施性。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是它提供精確定位的能力，在另外的系統(tǒng)中如果不采用在大量衛(wèi)星(如GPS系統(tǒng))上作極為精確的區(qū)域測量或采用相對本發(fā)明的簡單系統(tǒng)另外的復(fù)雜調(diào)節(jié)則是不可能得到這種精確定位能力的。在固定位置及一個雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)單元之間概括出的幾何上精密度的削弱(GDOP)是以由同一傳播信號接收時間之間的差值作的位置計(jì)算為基礎(chǔ)的。
幾何上精密度的削弱(GeometricDilutionofPrecision)在任何無線電導(dǎo)航系統(tǒng)中的運(yùn)算中幾何上的影響用術(shù)語“幾何上精密度的削弱”(GDOP)來表達(dá)。在設(shè)置在衛(wèi)星的系統(tǒng)情況下，GDOP能夠表達(dá)如下(對于給定的高度輸入)GDOPa=trace(GaRGa)-1(1)]]>其中
符號li，mi，ni為從用戶到衛(wèi)星的方向余弦;注腳“a”相應(yīng)于高度計(jì)輔助指示;u為高度誤差與隨機(jī)偽區(qū)域誤差之比，表示為u= (6a)/(6p) (4)這里得出的GDOP的推導(dǎo)是基于一個固定的高度輸入誤差上的，如在后面將要討論的，這樣的假設(shè)與本發(fā)明有直接的關(guān)系，其中從用戶到地面增強(qiáng)站的聯(lián)系與在衛(wèi)星上或在地面基站上TDOAS的直接測量相比乃是對計(jì)算用戶高度的一個改進(jìn)措施。
現(xiàn)在可以展開GDOPa的表達(dá)式并得到一個閉合型解。有(GaRGa)-1＝ (adj(GaRGa))/(det(GaRGa)) (5)＝ (adj(GaRGa))/(det(Ga)det(R)det(Ga)) (6)= (d)/(D2) (7)
將(7)式代入(1)得GDOPa=tD(8)]]>式中t＝trace(d)。
由代數(shù)變換得到t＝a33〔(a11+3)a22-a422-a212+3a11-a412〕-a432(a11+a22)+2a43(a31a41+a32a42)-a322(a11+3)+2a21a31a32-a22(a312-3a11+a412)-a11a422+2a41a21a42-3a312-3a212(9)其中各aij為由用戶到與高度計(jì)協(xié)同使用的三個衛(wèi)星的方向余弦的函數(shù)。它們的關(guān)系由以下的方程式表示a11＝l12+l22+l32a22＝l1m2+l2m2+l3m3a22＝m12+m22+m33a31＝l1n1+l2n2+l3n3a32＝n1m1+n2m2+n3m3a33＝n12+n22+n32+l/u2(10)
a41＝-(l1+l2+l3)a42＝-(m1+m2+m3)a43＝-(n1+n2+n3) (10)相似地，利用結(jié)合(6)及(7)式，可以得出表示式D2＝〔(l2-l1)(m3-m2)-(l3-l2)(m2-m1)〕2/u2(11)因而GDOPa的解即可由(8)至(11)式完全地以閉合型式給出。
注意在(11)式中給出的D2表達(dá)式它具某些有趣的因素，可以直接地明顯看出它與ni的方向余弦無關(guān)。這個事實(shí)是有趣的，因?yàn)閡i方向余弦相應(yīng)于本地垂直方向，因而應(yīng)得到與通過高度計(jì)的使用所得到的信息相似的信息。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了D的表達(dá)式直接對應(yīng)于由四個點(diǎn)形成的四面體的體積時這就具有另外的意義，在這種情況下，這四個點(diǎn)是由從用戶到三個衛(wèi)星及到可看成位于地球中心的假衛(wèi)星的高度參照點(diǎn)的單位矢量定義的。于是在高度參照點(diǎn)上的任何改進(jìn)對于減少GDOP有著直接的關(guān)系。本發(fā)明利用使用地面增強(qiáng)站來提供改善GDOP的措施。
而且，由這些矢量組成的四面體的體積被公認(rèn)為是GDOP的相當(dāng)可靠的指示標(biāo)志。這可從涉及圖2中所示四面體的下列關(guān)系式中看到V＝ 1/6 (A×B)·C(12)
在其中使用了下列的定義V＝四面體的體積ea＝從用戶到高度計(jì)(在地球中心處的衛(wèi)星)的單位矢量e1＝從用戶到衛(wèi)星1的單位矢量e2＝從用戶到衛(wèi)星2的單位矢量e3＝從用戶到衛(wèi)星3的單位矢量A＝從高度計(jì)(在地球中心處的衛(wèi)星)到衛(wèi)星1的矢量B＝從衛(wèi)星1到衛(wèi)星2的矢量C＝從衛(wèi)星2到衛(wèi)星3的矢量可以表示成(A×B)·C＝det(Ga)(13)由它得到(A×B)·C＝〔(l2-l1)(m3-m4)-(l3-l2)(m2-m1)〕 (14)可以很容易地看出這個式子與在(11)式中給出的表達(dá)式是相似的。因此結(jié)合(11)，(12)及(14)式可得到V＝ 1/6 Du (15)四面體的體積與GDOPa之間的關(guān)系于是可由下式得到GDOPa=ut6V(16)]]>
如果假設(shè)t是近似于常量，則利用增加該四面體的體積就可以減少GDOPa。常量t假設(shè)的真實(shí)性已經(jīng)利用將真實(shí)GDOPa與該四面體體積的比較的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算進(jìn)行了修正。事實(shí)上已經(jīng)知道t不是常量，但是它的變化與D的偏差相比是小的。
由上述可見，僅用于衛(wèi)星型系統(tǒng)的高度計(jì)輸入誤差擴(kuò)展成該系統(tǒng)的大的GDOPa誤差。本發(fā)明利用對各地面增加站的測距所提供的更直接的高度測量，就在本質(zhì)上減少了在衛(wèi)星型系統(tǒng)中會出現(xiàn)的誤差，并且也減少了與系統(tǒng)定時誤差有關(guān)的GDOP誤差。
圖3中描繪了本發(fā)明系統(tǒng)的操作，本發(fā)明使用了一個地面增強(qiáng)站用以將從飛機(jī)上接收來的信號轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星。航空用戶2以發(fā)射頻率F1發(fā)送一個信號，它被在地面增強(qiáng)站10中的天線20所接收。然后該地面增強(qiáng)站在該信號中加入一個現(xiàn)場位置識別標(biāo)志，在一個精確的時間延遲后，再將該信號以頻率F3從天線16發(fā)送出去。該頻率為F3的信號被衛(wèi)星8接收，在該衛(wèi)星上設(shè)置了一個轉(zhuǎn)發(fā)器，它能夠直接地從航空用戶2接收頻率為F1的信號或是從地面增強(qiáng)站10接收頻率為F3的位置識別標(biāo)志信號。該衛(wèi)星將該組合信號，即由從航空用戶2接收的頻率為F1的轉(zhuǎn)發(fā)原始信號及從地面增強(qiáng)站10接收的頻率為F3的轉(zhuǎn)發(fā)信號所組成的信號再以新的頻率F2發(fā)送給地面基站14的天線22。
根據(jù)本發(fā)明的飛行器定位系統(tǒng)需要至少四個接收空中用戶發(fā)射的站，以便提供相對于地球表面X、Y及Z的位置。這樣一個系統(tǒng)可能由一個或多個衛(wèi)星以及多個地面站組成，并在一個優(yōu)選的實(shí)施例中使用一個三衛(wèi)星格局以及與多個地面站一起提供了一個超定系統(tǒng)。這樣一種幾何關(guān)系需要至少有二個地面站位于飛機(jī)的接收區(qū)域中，并且它們有再將接收的信號發(fā)射給該衛(wèi)星格局中至少二個衛(wèi)星的能力。另一方面，也可使用相對大數(shù)目的地面站與相對少的衛(wèi)星，其條件為能夠得到至少四個在幾何關(guān)系上分開的接收場地。所需的超過最小數(shù)目的附加接收場地改善了系統(tǒng)的精度并降低了觀測的GDOP值。
圖4是一個典型的地面增強(qiáng)站的作用距離的示意圖。由圖中標(biāo)志可見該站的視線(LOS)范圍是用戶高度，增強(qiáng)站高度及增強(qiáng)站之間距離的函數(shù)。因此地面站對于用戶的作用距離、在圖示的站幾何位置上對于超過100英尺的用戶高度為25英里的數(shù)量級。如果一個1000英尺或超過1000英尺的用戶被用作一個系統(tǒng)的最小值(這對于居住區(qū)域的空中交通是一個合理的假設(shè)，因?yàn)榭罩薪煌ú辉试S低于這個高度，除非正在著落或起飛的過程中)，則在圖示的幾何關(guān)系上可獲得150英里數(shù)量級的作用距離。
使用圖4的幾何關(guān)系及上述的GDOP的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對于典型的“全衛(wèi)星”系統(tǒng)及根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)作出了GDOP的計(jì)算。對于圖4的參照點(diǎn)及地面增強(qiáng)站之間的緯度中點(diǎn)作出的這些計(jì)算結(jié)果列在表1及表2中。這些圖表清楚地表明了采用本發(fā)明獲得到GDOP值的顯著下降。如在表1及表2中GDOP數(shù)值所表明的，當(dāng)4衛(wèi)星系統(tǒng)與根據(jù)本發(fā)明的3衛(wèi)星系統(tǒng)+2地面增強(qiáng)站相比較時，在典型的幾何關(guān)系下，其GDOP值的下降為30，000∶1的數(shù)量級。
圖6表示對于完全的地面型的系統(tǒng)計(jì)算出的GDOP與經(jīng)度的關(guān)系，在該系統(tǒng)中設(shè)置了高于地球表面的各種高度的地面站以及從圖5所示的地面站的典型分布中選出的地面站。圖6中也示出了在該系統(tǒng)中附加了一個衛(wèi)星的表示改進(jìn)的曲線。如圖5中作出標(biāo)志的曲線所示，地面增強(qiáng)站的高度對于全部地面型的系統(tǒng)、對GDOP的值具有重大的影響，然而當(dāng)單個衛(wèi)星加入到圖4中所示的地面型的系統(tǒng)的幾何關(guān)系中時，則GDOP的值得到顯著的改善，在圖示的地面增強(qiáng)站幾何圖形表示的經(jīng)度上其值小于2.0。從而，至少一個衛(wèi)星與在航空用戶通信視線中的三個或更多的地面增強(qiáng)站的組合在與完全地面型的系統(tǒng)相似的幾何條件下提供了將近2個數(shù)量級的GDOP的改善。同樣，大量的地面增強(qiáng)站及兩個或更多衛(wèi)星格局的組合將比一個全衛(wèi)星型系統(tǒng)在GDOP值上有顯著的降低。
圖7表示在整個美國大陸，對于增強(qiáng)站高度為1000英尺和高度為地平面，以及一個航空用戶的高度在1000英尺至10000英尺之間變化的情況下，從一個飛行器到至少兩個增強(qiáng)站的視線作用距離所需的地面增強(qiáng)站的數(shù)目。從這些曲線中可以看到，如果地面增強(qiáng)站選擇到僅僅高于地平面1000英尺的話，則所需的增強(qiáng)站的數(shù)目能大大地減小。從實(shí)際觀點(diǎn)出發(fā)，在大部分地平面以上的最高點(diǎn)特征高度變化值特別低的地區(qū)不需要采用這樣的高度，而在特別崎嶇的地面飛行可能需要采用更高的高度。無論如何，一個總的原則是對于給定的地理作用距離地面增強(qiáng)站高度上的任何增加將帶來所需的地面增強(qiáng)站數(shù)目相應(yīng)減少的后果。
圖8表示推導(dǎo)在全美國大陸(CONUS)應(yīng)用本發(fā)明的地面增強(qiáng)站的數(shù)目用的幾何示圖。如果將全美國大陸(CONUS)表示成寬度接近3，000英里及高度近于1，500英里的一個矩形，如圖8所示，地面增強(qiáng)站之間的距離用RH表示，而地面增強(qiáng)站的數(shù)目利用等于(X×Y/RH2)的方程N(yùn)s表示，其中RH等于1.416×(AT+HES]]>)等于視線范圍，單位為英里。即
NS= (XY)/(RH2)式中Ns＝增強(qiáng)站數(shù)目HES＝增強(qiáng)站高度，單位為英尺AT＝目標(biāo)高度，單位為英尺。
圖9表示涉及本發(fā)明地面增強(qiáng)站10一個實(shí)施例的基本框圖。時鐘24將一個時標(biāo)提供給固時間延遲單元26，位置識別信號只讀存儲器(ROM)28以及定時接收器30。時間延遲單元26的輸出輸入到數(shù)據(jù)寄存器32，該寄存器32是由數(shù)據(jù)檢測器34驅(qū)動的，數(shù)據(jù)檢測器34接收來自于調(diào)諧在用戶發(fā)射器輸出頻率上的接收器36的信號。這些信號利用加法器38相加，加法器38用以維持調(diào)制器40輸出的同步。功率放大器42由調(diào)制器40驅(qū)動并將最終信號輸送到天線16用以與衛(wèi)星8(圖3)相聯(lián)系。
圖10表示本發(fā)明航空用戶機(jī)載發(fā)射器的一個實(shí)施例的功能布置圖。該機(jī)載發(fā)射器44包括一個振蕩器時鐘基準(zhǔn)單元46及給放大器50的提供輸出信號信號編碼器48，然后，放大器50的信號輸給天線6。來自于發(fā)射器44的發(fā)射信號波形必須被精確地控制，以使得由該發(fā)射器發(fā)射的信號經(jīng)由地面增強(qiáng)站10的轉(zhuǎn)發(fā)器及衛(wèi)星8的轉(zhuǎn)送器到達(dá)地面基站14的精確時間能夠得以測量。該來自于飛機(jī)的發(fā)射信號的波形是與上面引證的飛行器定位系統(tǒng)專利申請中所使用的波形是相同的。
圖11表示在本發(fā)明中使用的衛(wèi)星8中的部件布置圖。這樣的衛(wèi)星可以是位于接近全美國大陸赤道上空的通信衛(wèi)星(相對地球靜止的衛(wèi)星)并且其對地距離能給于任何給定的航空用戶提供二個或更多的衛(wèi)星視界。本發(fā)明系統(tǒng)的衛(wèi)星上可以裝備一個C波段的轉(zhuǎn)發(fā)器或另外的為“彎管”放大器設(shè)計(jì)的合適頻率的轉(zhuǎn)發(fā)器以及從航空用戶及地面增強(qiáng)站接收到的信號所用的轉(zhuǎn)發(fā)器。該衛(wèi)星在天線54上接收來自于地面增強(qiáng)站及航空用戶的頻率為F1及F3的發(fā)射信號，并再以單一頻率F2經(jīng)由天線56發(fā)射給地面基站14，在基站14中保存有根據(jù)所測得的時間延遲確定航空用戶位置所需的計(jì)算能力。這個轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)使用了低噪聲接收器58對在天線54接收到的頻率F1及F3進(jìn)分別處理，并使用頻率轉(zhuǎn)換器60轉(zhuǎn)換這些信號并將轉(zhuǎn)換后的信號送到混合發(fā)射器62，它輸出一個包含頻率為F1及F3輸入信號的混合信號，用于以頻率F2通過天線56俜⑸涑鋈?。因而悲d⒚韉奈佬遣考苊飭嗽諼佬侵蟹胖酶叢擁繾幼榧凹撲慊謀匾?，因而哉E捎梅尚釁鞫ㄎ幌低呈苯檔土俗艿姆延謾 圖12表示本發(fā)明的地面基站14的布置，其中無線電頻率接收部分64包括接收器66，68及70，它們每個分別通過天線72，74及76接收信號，它們均調(diào)諧到適于各個個別的衛(wèi)星并旨在接收衛(wèi)星的窄頻率波段及傳輸角度。該基站的相關(guān)器部分78設(shè)置了相關(guān)器80，82，及84，它們分別地接收來自接收器66，68及70的輸出并在處理后輸送給TDOA處理器86。該處理器的這些數(shù)據(jù)再輸出到數(shù)據(jù)處理用的數(shù)字計(jì)算器88中，在該計(jì)算機(jī)內(nèi)中根據(jù)TDOA信號進(jìn)行用戶位置的計(jì)算。這些位置數(shù)據(jù)輸送給用戶接口摸塊90，該模塊中包括調(diào)制解調(diào)器92，它用于提供用戶對飛行器地址及位置的存取。該數(shù)據(jù)處理計(jì)算器也可由操作員顯示/控制臺94控制與存取信息，該數(shù)據(jù)處理計(jì)算器還能對TDOA處理器86提供控制。
由上述的討論可見本發(fā)明提供的航空用戶的定位精度明顯地優(yōu)越于完全地面型的或是完全衛(wèi)星型的飛行器定位系統(tǒng)。此外，本發(fā)明由于在相對少的數(shù)目的地面基站中集中了該系統(tǒng)的計(jì)算部件及復(fù)雜的工程部件，使得本發(fā)明可以最大程度地減少用于航空用戶衛(wèi)星及地面增強(qiáng)站的系統(tǒng)部件的費(fèi)用。該系統(tǒng)也可裝備對航空用戶發(fā)射用于定位及潛在撞機(jī)沖突的數(shù)據(jù)信息的裝置，在航空用戶上也裝備了相適應(yīng)的接收裝置。雖然這里是描述及說明了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，然而顯然地、在不脫離本發(fā)明的精神與范圍上還可以作出各種改型。因此，將本發(fā)明僅僅限制在所附的權(quán)利要求書上是非屬所望的。
權(quán)利要求
1.一種用于對空中用戶的飛行器(2)的位置進(jìn)行定位的飛行器定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個發(fā)射器(44)，它位于用戶飛行器(2)上并能周期性地發(fā)射該所述的用戶飛行器專用的信號；多個地面站；以及至少一個衛(wèi)星，其特征在于所述各地面站包括多個地面增強(qiáng)站(10)，它們能夠從所述用戶飛行器(2)接收所述信號并且在一個預(yù)定的時間延遲后將它們再發(fā)射出去；所述衛(wèi)星(8)能包夠接收從所述的用戶飛行器(2)發(fā)射的所述信號和從所述地面增強(qiáng)站(10)再發(fā)射的所述信號，所述衛(wèi)星(8)還能夠再發(fā)射一個由所述的這些接收到的信號組成的復(fù)合信號；以及所述地面站(10)包括一個地面基站(14)，它能夠從所述衛(wèi)星(8)接收所述復(fù)合信號，并設(shè)有計(jì)算機(jī)裝置(88)用以根據(jù)直接從用戶飛行器(2)發(fā)射到衛(wèi)星(8)的信號和經(jīng)過地面增強(qiáng)站(10)轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星(8)的延時信號的到達(dá)的時間差來計(jì)算所述用戶飛行器(2)的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于其中所述飛行器的發(fā)射器還包括一個數(shù)字無線電發(fā)射器(44)，該數(shù)字無線電發(fā)射器(44)包含用以發(fā)射一個分散頻譜偽噪音數(shù)字無線電信號的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一權(quán)利要求所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于每個所述地面增強(qiáng)站(10)還包括裝置(28)，用以識別從所述用戶飛行器(2)發(fā)射的所述信號的再發(fā)射的作為這一特定的地面增強(qiáng)站(10)的再發(fā)射信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于用以從所述衛(wèi)星(8)再發(fā)射所述信號的裝置包括一個窄波束電磁波發(fā)射器天線(56)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于所述的用以在地面基站(14)上接收來自于所述衛(wèi)星(8)的所述信號的裝置還包括窄波束天線裝置(12)，用以從所述衛(wèi)星(8)接收所述窄波束電磁波發(fā)射信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于在所述飛行器定位系統(tǒng)中包括與所述地面基站(14)通信的所述的多個衛(wèi)星。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于所述的地面基站(14)還包括分別調(diào)諧于對應(yīng)的衛(wèi)星(8)的多個天線(72，74，76)用以接收它們各自發(fā)射的信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于所述用戶飛行器發(fā)射器(44)能以第一頻率F1發(fā)射信號;所述地面增強(qiáng)站(10)包括以第二頻率F2再發(fā)射所述用戶飛行器信號的裝置(40，42);以及所述衛(wèi)星(8)包括以第三頻率F3再發(fā)射所述單個復(fù)合信號的裝置(62)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于所述衛(wèi)星(8)還包括調(diào)諧到所述第一頻率F1的第一接收器(58)和調(diào)諧到第二頻率F2的第二接收器(58)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的飛行器定位系統(tǒng)，其特征還在于所述的用于計(jì)算所述用戶飛行器(2)位置的計(jì)算器裝置包括一個數(shù)字式計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本系統(tǒng)有多個地面增強(qiáng)站10和至少一個衛(wèi)星8，以從一個用戶飛行器2的無線電發(fā)射器接收編碼的發(fā)射信號。衛(wèi)星8將從用戶直接接收到的信號和從地面增強(qiáng)站10延時接收到的信號發(fā)送給基站14，那里設(shè)有計(jì)算機(jī)根據(jù)各信號到達(dá)的時間差計(jì)算航空用戶的位置。地面增強(qiáng)站10提供了此純衛(wèi)星或純地面型系統(tǒng)低的幾何上的精確度削弱率，將飛行器2上使用的比較簡單的發(fā)射器和在地面增強(qiáng)站10及衛(wèi)星8上使用的轉(zhuǎn)發(fā)器相結(jié)合，顯著地降低該系統(tǒng)的成本。
文檔編號G01S5/06GK1033112SQ88107249
公開日1989年5月24日 申請日期1988年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月23日
發(fā)明者塞奇·威廉姆E 申請人:休斯航空公司