专利名称：确定航空器的测距信息的测距系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定测距信息的测距系统和测距方法，所述航空器携带通信信道的部件。而且，本发明涉及一种接收站和一种操作接收站的方法、一种处理站和一种处理方法、一种航空器和一种操作航空器的方法以及一种传输单元和一种操作传输单元的方法。
地球同步通信卫星必需准确地定位在国际电信联盟(ITU)分配的指定空间段内。然而，由于倾斜角和偏心率导致的24小时周期振荡和主经度的长期漂移的组合影响导致卫星相对其标称位置明显的移动。因此，在这些扰动作用的情况下，必需以最经济的方式进行定期轨道校正来控制卫星，使该卫星保持在所谓的站保持盒子(station-keeping box)内。为了进行这种控制，必需精确地确定卫星的位置和/或移动，这通常通过测距来解决。
由于地球同步卫星复杂的轨道定位技术，最近已经提高了对测距精确度的要求。从DE 198 36 602 A1中可以知道在一个地球同步轨道位置上的所谓卫星簇内定位卫星，以便更好地使用狭窄的轨道空间。这意味着不仅一个卫星，而是多个卫星必需控制在一个站保持盒子内。
确定卫星的空间坐标的基本技术是以如下面所描述的三边测量解决方案为基础。
图1表示三边测量的基本结构。三个发送站101、102和103定位在地球上，其中每个发送站的位置P1、P2和P3是已知的。如果能够测量出距离d1、d2和d3，则能够确定出卫星104的未知位置P4。假设di表示每个发送站的相应测量的距离，并假设(x，y，z)和(xi，yi，zi)分别表示卫星104和每个发送站pi的笛卡儿坐标。则存在下述关系di=(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2-(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2---(1)]]>=fi(q→),i=1,2,3]]>其中q→=[x,y,z]T]]>是卫星104的未知位置矢量。距离测量的矢量表示为d→=f→(q→)---(2)]]>求解这个非线性等式中的q一般使用的方法是Gauβ-Newton迭代法。将 的最佳估计值迭代地近似为
其中 是雅克比矩阵F↔=∂f→∂q→∂f1∂x∂f1∂y∂f1∂z∂f2∂x∂f2∂y∂f2∂z∂f3∂x∂f3∂y∂f3∂z---(4)]]>然而，实际上，不仅根据图1的三边测量结构，而且还可以使用其它的任何结构，例如双边测量或四边测量结构。
尽管双边测量并不得到航空器的完整测距信息，但是如果仅仅关心航空器的某一个坐标，双边测量仍然是有用的。
而且，四边测量结构允许求解另外的未知量。图2表示四边测量的实际结构。假如由卫星携带的转发器的转发器延迟D是除了航空器空间坐标之外的另外的未知量。典型地，这样的转发器通常包括变频器、大功率放大器等等。则每个距离测量值di的方法如下di=D+(x-xi)2+(y-xi)2+(z-zi)2-(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2---(5)]]>=fi(q→),i=1,2,3,4]]>其中q→=[x,y,z]T]]>还是该卫星的未知位置矢量。通过相应地改写公式(2)、(3)和(4)可以得到 的求解方法。因此，雅克比矩阵是F↔=∂f→∂q→=∂f1∂x∂f1∂y∂f1∂z∂f1∂D∂f2∂x∂f2∂y∂f2∂z∂f2∂D∂f3∂x∂f3∂y∂f3∂z∂f3∂D---(6)]]>由于未知的时延，例如由于错误恢复机制，其它的未知量是由接收设备引入的时间延迟。
从WO 00/48018知道在一种发射/接收站中使用两个独立的接收设备来补偿这种未知延迟。图3表示补偿由接收设备引入的时间延迟的相应的发射/接收站。发射和接收站301包括复用器/编码器302、QPSK调制器303、上变频器304和卫星天线305。数字负载信号306包括基本数据流，并被馈送给复用器/编码器302，例如根据MPEG-2和DVB标准将多个数字负载信号转换成单个数字传输流。数字传输流由QPSK调制器303调制，并馈送给上变频器304，上变频器304代表将QPSK调制器303的输出转换成可以馈送给卫星天线305以传输给由卫星携带的转发器的信号所必需的装置。通常，这样的转发器包括变频器、大功率放大器等。
QPSK调制器303的输出信号即调制的数字传输流也馈送给第一接收设备307。处理器308分析该系列的样值以跟踪预定的信号码型。如果跟踪到预定的信号码型，则处理器308将启动信号START发送给时间测量单元309。一旦接收到启动信号START，则时间测量电路309开始测量时间直到它接收到停止信号STOP。
由从第二接收设备307’接收输出信号的第二处理器308’生成该停止信号STOP。第一和第二接收设备307、307’在结构和组成上是相同的。第二接收设备307’的输入信号是从下变频器310提供的，该下变频器310接收来自卫星天线305的信号，并包括将从卫星天线305接收的信号转换成与QPSK调制器303的输出信号相对应的信号所必需的所有设备。
然而，因为该信号已经从卫星天线305传输到由卫星312携带的转发器并返回，所以接收的信号被延迟。
为了生成停止信号STOP，第二处理器308’以与第一处理器308相同的方式跟踪第二接收设备307’的输出信号中的预定比特序列。一旦检测到预定比特序列，第二处理器308’向时间测量电路309发送停止信号STOP，它停止该时间测量。测量的时间对应于地面站305和由卫星312携带的转发器之间的双倍距离，其中可以相应地减去上变频器304、卫星天线305、由卫星312携带的转发器和下变频器310中的固定时间延迟。因为提供了两个相同的接收设备307、307’，例如由于错误恢复机制所导致的未知的延迟可以被相应地补偿。
图4表示根据MPEG-2标准的传输流的图。该传输流TS是基本上包括首部H(4比特)和负载P(184比特)的分组序列。首部H包括同步信息(1比特)、各种标记(传输差错标志、负载单元开始指示符、传输优先级等)、负载标识PID(13比特)和连续性计数器(4比特)。负载标识PID是解复用各个基本数据流所需要的。一个适应字段是任选的，但是至少每0.1秒传输一次，并包含辅助程序数据，特别是用于在接收侧生成27MHz时钟的程序参考时钟PCR。
接着，根据传输信道的不同的标准处理传输流TS。对于通过卫星的传输，可以使用欧洲的DVB卫星标准(DVB-S)，除了其它的机制之外还定义了卷积和里德—所罗门编码以及被添加以允许前向纠错(FEC)的附加差错控制比特。类似地，欧洲DVB标准还存在用于地面(DVB-T)和电缆(DVB-C)广播。
根据可以计算的从卫星地面站到卫星所携带的转发器的传输路径并返回所导致的延迟，传输流TS内的预定比特序列可以用于生成触发信号或者预定的信号码型。预定的比特序列可以插入在上行链路侧的传输流TS内，例如作为特定的负载P。为了避免插入附加的分组，可使用程序标识PID或者它的一部分作为预定的比特序列。在传输流TS内必需有一些PID，但是对于确定测距信息的目的来说可能具有太高的重复率。然后，该PID可以与传输流首部H的其它信息组合，例如连续性计数器，以便定义预定的比特序列。
在根据图2的结构的基础上，每个站都可以自己执行距离测量。在下一步骤，可以在一个中央处理站内根据如上所述的公式(5)和(6)计算卫星的位置。然而，为了提供独立的站，每个站必需提供一个传输设备，这需要很大的投资。
一种替代的解决方案是使用所谓的伪测距结构。图5表示使用伪测距的一个四边测量的实际结构。在本申请中伪测距是从一个位置发射信号和由另一个位置接收同一信号之间所经历的时间的简单延迟测量。实际上，如图5所示的，建立一个发送站和多个接收站。最好地，一个接收站与该发送站相组合。然而，为了确定每个站的传输延迟，现在必需引入在所有站之间的时间同步。仅仅当接收机也知道何时发射机实际发送信号时，才可能测量该延时或者所谓的伪距离。在地球同步卫星测距的情况下，延迟仍然相对地短(大约250毫秒)，所以时钟同步需要在很短的周期上非常稳定。更具体地说，同步精确度应当至少低于10纳秒。
自然地，从WO 00/48018获知的相同补偿技术也可以应用于伪测距。图6表示具有对由接收装置引入的时间延迟补偿的独立的发送和接收站。发送站601包括复用器/编码器602、QPSK调制器603、上变频器604和第一卫星天线605。数字负载信号606是基本数据流，并被馈送给复用器/编码器602，它例如根据参考图3所描述的MPEG-2和DVB标准将多个数字负载信号转换成单个数字传输流。数字传输流由QPSK调制器603调制，并馈送给上变频器604，上变频器604代表将QPSK调制器603的输出转换成可以馈送给卫星天线605的信号以便传送给由卫星614携带的转发器所必需的装置。典型地，这种装置包括变频器、大功率放大器等。
QPSK调制器603的输出信号即调制的数字传输流也馈送给第一接收装置607。接收装置607的输出信号由处理器608处理，该处理器跟踪预定的信号码型的输出信号。如果处理器608跟踪预定的信号码型，则它向时间测量电路609发送第一触发信号EMISSION。一旦接收到第一触发信号EMISSION，则时间测量电路609登记由第一时钟电路611提供的时间标记信息(发射时间)。
而且，接收站612包括第二卫星天线613和下变频器610’，该下变频器从第二卫星天线613接收信号，并包括将从卫星天线613接收到的信号转换成与QPSK调制器603的输出信号相对应的信号所必需的所有装置。然而，因为信号已经从第一卫星天线605经卫星614所携带的转发器传输到第二卫星天线613，该接收的信号被延迟了。
下变频器610’的输出信号提供给第二接收设备607’。第一和第二接收设备607、607’在它们的结构和组成上是相同的，即考虑它们对处理信号的影响。第二处理器608’接收第二接收设备607’的输出信号，并跟踪预定的信号码型的输出信号。一旦检测到预定的信号码型，第二处理器608’发送触发信号RECEPTION给时间测量电路609’，由该信号触发第二时钟电路611’所提供的时间标记信息(即接收时间)。
然后第二时间测量电路609’将时间标记信息(接收时间)发送给第一时间测量电路609，该第一时间测量电路609根据从第二时间测量电路609’接收的时间标记信息和先前由第一时间测量电路609登记的时间标记信息(发射时间)计算信号延迟。
对于未来的通信卫星，计划用窄的点波束替代当前使用的广域波束。
图7表示携带具有全球覆盖的常规转发器的卫星。转发器的天线具有17.5°的3dB波束宽度，所以地球的可视部分由这个广域波束覆盖。因此，所有的发送站位于一个广域波束之内，其中根据图2或图5的结构是可行的。然而，如已经说明的，对于未来的卫星，计划使用窄的点波束替代当前使用的广域波束。
图8表示携带一个转发器的卫星，该转发器连接到具有多个窄波束的天线。举例来说，表示了1.75°的3dB波束宽度。例如，窄的点波束801可以用作上行链路传输路径，而一个或者多个窄的点波束802可用作下行链路传输路径。然而，对于这些未来的卫星，它们仅具有窄的不对称的点波束，问题在于测距站仅能够发送，而不接收它自己的测距信号，除非它位于发送波束和接收波束的交叉处。这意味着根据图2的结构是不可行的，而仅可以使用根据图5的结构。而且，由于小的点波束，显著地降低了不同的伪测距站之间的空间距离，进而降低了轨道确定的精确度。尤其对于在单个轨道位置中共同设置的多个卫星(卫星簇)，精确度是不够的。
图9表示在不同测距站之间缩小的空间距离的影响。为了简化问题表示了一个二维的表示图，这幅图可以容易地扩展成三维的情况。在左侧，表示了具有最佳空间距离的结构。两个站(站I、站II)以基线b所给出的距离设置在地球上。或者通过根据图2的双向结构，或者通过根据图5的伪测距结构，每个站执行测距测量。可以看出测量的误差相对于传播方向是不同的。横穿传播方向具有相对低的测距测量的误差，而沿着传播方向具有相对高的测距测量的误差。这一结果用两个误差椭圆来表示，一个误差椭圆用于站I，另一个误差椭圆用于站II。当站I和站II的两个波束以直角交叉时，可以将在卫星目标位置上的误差描述为由两个误差椭圆相交给出的一个圆。这意味着沿着传播方向的高误差由另一站的横穿传播方向的低误差补偿。
在图9的右侧，表示在两个不同的测距站I和II之间具有小的空间距离的结构。在这种情况下，交叉的角度远小于直角，所以沿着传播方向的高误差不能再由另一站来补偿。因此，在卫星目标位置上的交叉误差可以用站I和站II的公共误差椭圆来表示。这导致横穿两个站I和II传播方向的测距测量的高误差。
因此，本发明的一个目的是提供用于确定携带转发器的卫星的测距信息的测距系统，以及提供在转发器使用窄的点波束时产生足够的精确度而不产生其它费用的方法。
由根据权利要求1和2的测距系统和测距方法实现这一目的。根据权利要求3和4的接收站和操作接收站的方法、根据权利要求5和6的处理站和处理方法、根据权利要求7和8的航空器和操作该航空器的方法以及根据权利要求9和10的传输单元和操作传输单元的方法提供了其它的解决方案。
根据本发明，一种测距系统是以如图5所示的伪测距结构为基础，该伪测距结构包括一个同步装置，用于提供至少在多个接收站之间的同步时间基准。而且，除了同步时间基准之外，至少一个接收站包括一个相关接收机，用于接收基准信号。包括相关接收机的至少一个接收站可以放置于负载信号的覆盖区域之外。因此，可以增加不同测距站之间的基线，这得到更大的交叉角度，因此，如根据图9所说明的，得到更大的空间距离。
图10表示一个携带转发器的卫星，它通过点波束产生一个覆盖区1001。然而，根据本发明，使用一个相关接收机可以在覆盖区1001的外部放置接收基准信号的接收机。在原理上，这样的接收机可以放置在覆盖区1001之内。点波束1001也可以具有1.75°的3dB波束宽度，并可以用于同时发送负载信号和基准信号。为了使多个接收站能够放置在点波束的覆盖区域1001之外，接收站1003和1004装备了接收基准信号的相关接收机。必需指出，与负载信号不同，基准信号的处理对时间的要求并不严格，而且不必实时地执行。因此，可以提供能够离线处理的长的预定信号码型。相关增益越高，则接收信号的信噪比可能越低，换句话说，这意味着接收站可以离脚印1001更远。
图11表示卫星天线的天线图。分别绘制了有效的各向同性辐射功率(EIRP)与方位角(AZ)或仰角(EL)。该图还可以解释为EIRP根据相应接收站相对于卫星天线覆盖区域中心的位置的变化。例如，如果一个接收站移出主波束0.75度(这对应于在38400公里的距离上的500公里)，负载信号的接收功率将从50下降到46.7dBW。进一步移出该脚印中心大约1.25度(大约840公里)，EIRP将下降到40dBW。
然而，不仅EIRP而且载波噪声比(C/N)都是决定接收的负载信号的质量的基本数值。因此，举例来说，图12表示下行链路EIRP和在接收站接收的信号的C/N比之间的关系。曲线A表示36MHz带宽的普通负载信号的关系，而曲线B表示与负载信号同时发送的具有很高处理增益的扩频信号的关系。这两个曲线都假设负载信号是通过1.2米的抛物面天线从Ku波段转发器接收的。
在第一步骤很明显，根据曲线A，负载信号的载波噪声比C/N与EIRP遵循线性关系。可以假设需要6dB的最小C/N正确地接收负载信号。因此，在接收站上需要相应的40dBW的EIRP。从根据图11的说明得出，假设在38400公里上的地球同步卫星使用1.2米的抛物面天线接收负载信号，则接收站不能定位在距离超过卫星脚印中心840公里的位置。因此，如果由于根据图9所说明的精确度的原因，希望增加到该脚印中心的距离，必需增加天线增益，因此必需增加抛物面天线的直径。例如，如果希望将接收站定位在图11所示的第一旁瓣，则必需通过增加天线增益补偿在EIRP的大约20dB的损失。这导致与Ku波段具有41dB天线增益的1.2米抛物面天线相比，需要具有61dB天线增益的大约10米的抛物面天线。
然而，根据本发明，使用一个相关接收机，它产生“相关增益”，因此允许在不增大天线尺寸的情况下处理基准信号，即便负载信号具有负的C/N。本发明包含了产生相关增益的所有种类的相关方法。将参考图12更加详细地讨论两种相关方法，即预定的信号码型的处理和扩频调制与解调。
如上面所说明的，使用在负载信号或者在独立的基准信号中引入预定的信号码型在原理上产生相同的曲线A。然而，由于引入的相关增益，曲线A现在向上平移。因此，甚至现在可以通过相应的相关增益补偿曲线A的负C/N，因此能够使用相同的天线尺寸。必需指出，基准信号的处理不必准实时地进行，因为对于负载信号是必需的。因此，如果相关接收机以很低甚至负的信噪比接收其信号，则接收站可以很好地定位在窄的点波束的给定脚印之外。如果预定的信号码型的接收时间是已知的，并在相关接收机中与预定的信号码型相关，则处理仍然是可能的。在这种情况下，测距信号的长度和发射与接收信号之间相关峰值的高度确定接收信号的噪声的可接受电平。相关增益越高，则接收信号的信噪比可以越低，换句话说，这意味着接收站可以距离主脚印越远。以这种方式，可以显著地增加不同接收站之间的距离。
另一种相关技术是扩频调制和解调。在这种情况下，负载信号可以是调制载波信号，而基准信号是扩频信号。在扩频调制和解调中，在信道上发射之前在频带中扩频(增加)该发射的调制信号，然后在接收机上在频带内解扩(降低)相同的量。到目前为止最流行的扩频技术是直接序列(DS)调制和跳频(FR)调制。
通过线性地调制伪随机数生成器的输出序列到一个脉冲串上形成直接序列调制，每个脉冲串具有称作码片时间的持续时间。这类的调制通常使用二进制相移键控(BPSK)信息信号。通过首先相乘(模2)纯信息比特流与伪噪声响序列，然后以得到的信号调制纯粹载波信号的相位，形成这样的调制信号。
在该接收机，通常可以在该接收机获得PN波形(然而，也存在从接收的信号获取PN波形的应用)。在接收机使用PN波形再将接收信号解扩到其原始带宽。
通过以伪随机生成的频率偏移的序列非线性地调制脉冲串形成跳频调制。这个调制信号乘以复数的多频键控(MFSK)信息信号。在接收机上，发射的信号和信道干扰之和以相同的跳频调制进行复数相乘，使发射的信号恢复到其原始的MFSK形式。与直接序列的情况类似，接收机知道解除跳频的波形，或者必需获知并跟踪跳频信号。
基准信号的扩频调制的使用产生图12中的波形B。波形B不同于波形A，因为基准信号RS不仅受到天线接收的噪声N的干扰，而且还受到负载信号本身的干扰。对于高的ERIP值，由于C＞＞N，测距信号的劣化主要受载波电平的控制。例如，在高的EIRP上，C/N典型地大约是12……14。如果接收站移动出该脚印，则C和RS衰减相同的量。另一方面，N保持不变。这说明了RS/(C+N)的降低远小于C的原因，这使它可以使用扩频调制作为相关技术。例如，在脚印中心内，获得大约16dB的C/N和-25dB的RS/(C+N)。如果基准信号的处理增益大约是40dB，则仍然可以接收和处理这个信号。在40dBW的EIRP，C/N降低10dB至大约6dB，而扩频信号仅仅降低到-25.8dB，这仅仅比脚印中心低0.8dB。而且，如果EIRP降低20dB到30dBW，负载信号的C/N降低20dB到-3dB，这使标准的视频信号不能被解码。然而，假设处理增益大于35dB，基准信号仅降低5dB到大约-30dB，仍然可以解码。
从EP 1 041 397 A2中获知用于接收MPEG数据流的另一种相关技术。通常，MPEG流内的预定的信号码型不能用于启动接收机内的时间测量单元，因为由于解码器内的非确定性的信号时延导致时间的分辨度不够高。为了增加精确度，推荐一种二级方法，使用在解码器之后直接处理MPEG流和在解码器之前直接相关模拟信号的组合。在解码器之后直接处理MPEG流生成包括在解码器内非确定性信号时延的预先确定信号码型的传播时间的粗略估计值。根据这个粗略估计值，对在解码器之前对数字化的模拟信号执行高精度的相关。该高精度的相关的结果用于校正该粗略估计值。然而，这种方法仍然需要足够的C/N，从而能够粗略地处理该解调信号。如果粗略处理在第一级不能执行，则LNB之后和解调器之前的调制信号的精确信号码型必需是已知的，以便能够对模拟基准信号执行相关。
最后，不用说，相关技术的所有组合也是可能的，以便进一步提高相关增益。实际上，可以使用包含预定的信号码型的扩频基准信号，其中使解扩信号再次与预先存储的预定的信号码型进行互相关，或者进行自相关。
因此，在接收站内使用相关接收机的所有情况下的优点在于附加的相关增益和/或处理增益可以补偿信噪比的不足，因此在不增加天线尺寸的情况下接收基准信号。
在不同的接收站之间提供时间同步有多种可能性。一种可能性是提供高精确度的GPS时间传输。全球定位系统(GPS)不仅是导航系统，而且还是时间传输系统。GPS时间传输的当前精确度对于洲间的距离为10至20纳秒的数量级，而在洲内为2至3纳秒。已经提出各种GPS时间传输技术，例如在1991年7月的IEEE会议记录第79卷第7期，WlodzimierzLewandowski和Claudine Thomas的“GPS时间传输”(GPS TimeTransfer)中。另一种时间传输技术是通过通信卫星的所谓的双向时间传输，例如在1991年7月的IEEE会议记录第79卷第7期Dieter Kirchner的“通过通信卫星的双向时间传输”(Two-Way Time Transfer viaCommunication Satellites)中详细说明的。与普通的单向操作模式不同，在双向技术中，在时间传输中涉及的站必需通过卫星交换定时信号，因此需要接收站和发送站，例如，类似于图2所示的结构。通常这意味着比单向方法更昂贵的设备和更精致的操作过程。而且，因为双向模式是点对点的技术，用户必需成对地工作，并需要交换它们的测量数据。与单向方法相比，双向时间传输技术的主要优点在于因为站之间路径的互逆，消除了路径延时，因此不必计算，所以知道卫星与用户位置不是可获取精确度的限制因素。因为这一事实，双向方法潜在的是最精确的时间传输方法，因此可能有双向时间传输方法的一些应用。
根据本发明的另一个方面，提出一种在现有技术中未知的时间同步方法。这种新的时间同步方法以这样的认识为基础利用由参考卫星的参考测距信息，由公共的时间基准与该公共时间基准的同步误差的校正相组合提供时间同步。因此，除了必需确定其位置的卫星之外，需要预先已经精确地知道其位置的另一个参考卫星。如果可以使用这样的参考卫星，则可以看到，一个接收站相对于中央发送站的同步误差对于这两个卫星来说是近似相同的。这意味着，通过使用其位置是已知的参考卫星的测距测量补偿时间同步误差，甚至可以使用通常不够精确的时间同步的公共时间基准。
根据本发明，相对于卫星携带的转发器天线的脚印中心定位该接收站有多种可能性。在任何情况下，目的都在于定位接收站从而实现所述测距信息计算的最佳精确度。通常的情况可以是一个发送站和四个接收站的结构，其中发送站已经包括一个接收站。对于这种结构，如果三个接收站均匀地放置在一个圆上而且发送站在中间，从而形成相对于卫星的等边三角形，则可以实现最佳的计算精确度。
应当理解，本发明并不限制于携带转发器的卫星，但是通信卫星的测距仅仅是本发明的一个优选方面。通常，可以根据本发明确定任何航空器的坐标，所述航空器携带通信信道的部件，允许测量该部件和多个接收站之间的传输时延。这意味着，这样的部件可以是转发器，也可以是转发器、反射器等。而且，在本发明中术语“航空器”涵盖任何移动的或者可移动的物体。
根据本发明的另外一种解决方案，提供一种控制单元和操作控制单元的方法，用于控制携带通信信道的部件的航空器的位置。卫星的控制站的功能用术语概述为遥测、跟踪和命令(TTC)。TTC处理如下功能从地面接收控制信号以初始化操纵，并交换设备操作的状态或模式。
向地面发送测量结果、与卫星操作、设备操作和和命令执行的验证的相关信息。
使得能够测量地面至卫星的距离，并且可能测量径向速度，以便允许卫星的定位。
总之，本发明的上述目的是通过下述特征解决的，根据上述主题以相关性顺序列出了这些特征1.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的测距系统，包括在地球上的不同位置的多个接收站，其中每个接收站被安排用于从所述部件接收基准信号；同步装置，用于提供多个接收站之间的同步时间基准；计算装置，根据每个接收的基准信号的传播时间和同步时间基准计算所述测距信息；其中至少一个接收站包括用于接收基准信号的相关接收机。
2.根据主题1的测距系统，其中所述部件是向多个接收站发送基准信号的发射机。
3.根据主题1和2之一的测距系统，其中所述部件是转发器，并且其中至少一个发送站通过所述转发器发送负载信号和基准信号。
因此，允许航空器和多个接收站之间互连的任何部件都是可能的。这意味着，可以使用发射机和转发器。假设是一个卫星，则在不存在上行链路时使用该发射机，而使用该转发器互连上行链路路径和下行链路路径。
4.根据主题1至3之一的测距系统，其中使用相关接收机的接收增益使包含相关接收机的至少一个接收站的天线尺寸最小化。
这意味着，本发明还能够以低成本的接收部件使用接收站。而且，如上所述，相关接收机允许将相应的接收站放置在卫星的所述部件的脚印之外，以获得所述测距信息计算的更好的精确度。
根据本发明所有种类的相关接收机都是可行的，这些相关接收机生成一种相关增益以改善基准信号的信号噪声比。具体而言，可以使用下述种类的相关接收机5.根据主题1-4之一的测距系统，其中在相关接收机中存储预定的信号码型，用于检测在基准信号中包含的相应的预定的信号码型。
6.根据主题5的测距系统，其中以调制形式存储所述预定的信号码型，用于检测在调制基准信号中的相应的预定的信号码型。
7.根据主题5的测距系统，其中以解调形式存储所述预定的信号码型，用于检测在解调基准信号中的相应的预定的信号码型。
8.根据主题1-7之一的测距系统，其中相关接收机是扩频接收机，基准信号是扩频信号。
本发明的另外一个重要的方面是多个接收站的时间同步。在地球同步卫星测距的情况下，时延仍然相对地短(大约250毫秒)，所以对于短的时间周期该时钟同步需要非常稳定。更具体地说，同步的精确度应当至少低于10纳秒。时间同步的优选技术是9.根据主题1-8之一的测距系统，其中该同步装置提供高精度的GPS时间传输。
10.根据主题1-8之一的测距系统，其中该同步装置提供双向的时间传输。
11.根据主题1-8之一的测距系统，其中该同步装置提供公共时间基准，并且其中利用参考航空器的参考测距信息校正所述公共时间基准的同步误差。
不用说，负载信号和基准信号可以是在通信信道上传输的信息流的一部分。
12.根据主题1-11之一的测距系统，其中该负载信号和基准信号是一个或多个数字传输流的一部分。
对于测距系统描述的主题2-12也可以应用于其它种类的主题。其它种类的主题是13.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的测距方法，包括步骤由在地球上的不同位置的多个接收站相互独立地从所述部件接收基准信号；提供在多个接收站之间的同步时间基准；根据每个接收的基准信号的传播时间和该同步时间基准计算所述测距信息；其中至少一个接收站执行接收该基准信号的相关操作。
14.根据主题13的测距方法，其中所述部件向多个接收站发送基准信号。
15.根据主题13和14之一的测距方法，其中所述部件向多个接收站中继所述基准信号。
16.根据主题13-15之一的测距方法，其中利用相关接收机的接收增益使包括相关接收机的至少一个接收站的天线尺寸最小化。
17.根据主题13-16之一的测距方法，其中在相关接收机中存储预定的信号码型，用于检测在基准信号包含的相应的预定的信号码型。
18.根据主题17的测距方法，其中以调制形式存储所述预定的信号码型，用于检测在调制基准信号中的相应的预定的信号码型。
19.根据主题17的测距方法，其中以解调形式存储所述预定的信号码型，用于检测在解调基准信号中的相应的预定的信号码型。
20.根据主题13-19之一的测距方法，其中相关接收机以扩频技术为基础，基准信号是扩频信号。
21.根据主题13-20之一的测距方法，其中通过高精度的GPS时间传输提供时间同步。
22.根据主题13-20之一的测距方法，其中通过双向的时间传输提供时间同步。
23.根据主题13-20之一的测距方法，其中通过公共时间基准提供时间同步，并且其中利用参考航空器的参考测距信息校正所述公共时间基准的同步误差。
24.根据主题13-23之一的测距方法，其中负载信号和基准信号是一个或多个数字传输流的一部分。
25.提供携带通信信道部件的航空器的测距信息的接收站，包括一个相关接收机，用于从所述部件接收基准信号；和同步装置，用于提供所述接收站和在地球上的参考点之间的同步时间基准。
26.根据主题25的接收站，其中利用相关接收机的接收增益使所述接收站的天线尺寸最小化。
27.根据主题25-26之一的接收站，其中在相关接收机中存储预定的信号码型，用于检测在基准信号所包含的相应的预定的信号码型。
28.根据主题27的接收站，其中以调制形式存储所述预定的信号码型，用于检测在调制基准信号中的相应的预定的信号码型。
29.根据主题27的接收站，其中以解调形式存储所述预定的信号码型，用于检测在解调基准信号中的相应的预定的信号码型。
30.根据主题25-29之一的接收站，其中相关接收机是扩频接收机，基准信号是扩频信号。
31.根据主题25-30之一的接收站，其中同步装置提供高精度的GPS时间传输。
32.根据主题25-30之一的接收站，其中同步装置提供双向的时间传输。
33.根据主题25-30之一的接收站，其中同步装置提供公共时间基准，并且其中利用参考航空器的参考测距信息校正所述公共时间基准的同步误差。
34.用于操作接收站的方法，所述接收站用于提供携带通信信道部件的航空器的测距信息，该方法包括步骤从所述部件接收基准信号；和提供在地球上的所述接收站和参考点之间的同步时间基准。
35.根据主题34的方法，其中利用相关接收机的接收增益使所述接收站的天线尺寸最小化。
36.根据主题34-35之一的方法，其中在相关接收机中存储预定的信号码型，用于检测在基准信号所包含的相应的预定的信号码型。
37.根据主题36的方法，其中以调制形式存储所述预定的信号码型，用于检测在调制基准信号中的相应的预定的信号码型。
38.根据主题36的方法，其中以解调形式存储所述预定的信号码型，用于检测在解调基准信号中的相应的预定的信号码型。
39.根据主题34-38之一的方法，其中相关接收机是扩频接收机，基准信号是扩频信号。
40.根据主题34-39之一的方法，其中同步装置提供高精度的GPS时间传输。
41.根据主题34-39之一的方法，其中同步装置提供双向的时间传输。
42.根据主题34-39之一的方法，其中同步装置提供公共时间基准，并且其中利用参考航空器的参考测距信息来校正所述公共时间基准的同步误差。
43.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的处理站，包括传播时间数据接收装置，从地球上的不同位置的多个接收站接收传播时间数据；其中所述接收站安排用于从所述部件独立地接收基准信号，其中在多个接收站之间提供同步时间基准，并且其中至少一个接收站包括用于接收所述基准信号的相关接收机。
44.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的处理方法，包括从地球上的不同位置的多个接收站接收传播时间数据；其中所述接收站安排用于从所述部件独立地接收基准信号，其中在多个接收站之间提供同步时间基准，并且其中至少一个接收站包括用于接收所述基准信号的相关接收机。
45.航空器，包括一个通信信道的部件，用于向地球上的不同位置的多个接收站发送或者中继基准信号；
其中在多个接收站之间提供同步时间基准，并且其中所述基准信号安排由相关接收机接收。
46.一种操作航空器的方法，包括步骤在该航空器提供通信信道的部件；其中安排该部件向地球上的不同位置的多个接收站发送或者中继基准信号，和其中在多个接收站之间提供同步时间基准；并且其中所述基准信号被安排由相关接收机接收。
47.传输单元，包括第一传输装置，通过由航空器携带的转发器向多个接收站发送基准信号，其中所述基准信号被安排由相关接收机接收，和同步装置，用于提供该传输单元和多个接收站之间的同步时间基准。
48.根据主题47的传输单元，其中根据在所述传输单元和多个接收站的每个接收站之间的基准信号的传播时间和所述同步时间基准计算所述航空器的测距信息。
49.根据主题48的传输单元，包括第二传输装置，用于向所述转发器发送命令信号以便根据测距信息改变所述航空器的操作状态或者模式。
50.一种操作传输单元的方法，包括步骤通过由航空器携带的转发器向多个接收站发送基准信号，其中所述基准信号被安排由相关接收机接收，和提供该传输单元和多个接收站之间的同步时间基准。
51.根据主题50的方法，其中根据在所述传输单元和多个接收站的每个接收站之间的基准信号的传播时间和所述同步时间基准计算所述航空器的测距信息。
52.根据主题51的传输单元，向所述转发器发送命令信号以根据测距信息改变所述航空器的操作状态或者模式。
应当理解，不仅可以以所述的组合而且可以以其它的组合或者单独地应用上面描述的本发明的所有方面。
现在将通过例子并参考附图来描述本发明，在附图中图1表示三边测量的基本结构；
图2表示四边测量的实际结构；图3表示具有补偿由接收装置引入的时延的发送站和接收站；图4表示根据MEPG-2标准的传输流的图；图5表示根据伪测距的四边测量的实际结构；图6表示具有补偿由接入装置引入的时延的独立的发送和接收装置；图7表示携带覆盖全球的转发器的卫星；图8表示携带转发器具有几个窄波束覆盖区域的的卫星；图9表示在不同的测距站之间降低空间距离的效果；图10表示携带转发器的卫星，具有点波束和相关接收机形成的覆盖区域；图11表示卫星天线的天线方向图；图12表示下行链路EIRP和在接收站接收的信号的C/N比之间的关系；图13表示处理站与远端接收站之间的互连；图14-17表示不同的时间传输技术；图18表示与一个卫星有关的不同接收站的时间同步误差的测量；图19表示与两个不同的卫星有关的不同接收站的时间同步误差的测量；图20表示与两个不同的卫星有关的伪距离测量的基本结构；和图21表示根据图20的基本结构的一个接收站的处理装置。
图1-图12已经在本说明书的前言部分中描述了。
图13表示处理站和多个远端接收站的互连。根据图5可以假定这些接收站的伪测距结构。因此，假设站1303、1304和1305是接收站，其中站1302是一个发送/接收站。根据图3可以设计站1302的内部装置，而根据图6可以设计站1303、1304和1305的内部装置。在发送/接收站1302内集成处理站1301是有利的，其中在接收站1303、1304和1305与处理站1301之间提供电信链路1306、1307和1308。处理站1301从每个接收站接收传播时间数据，以便计算相应卫星的测距信息。根据上面描述的公式(1)-(6)执行计算。
由于至少一个接收站包括一个相关接收机，可以独立于脚印区域固定该传播时间，所以可以获得所述测距信息计算的更高的精确度。而且，可以根据期望的传播时间数据在处理站内引入模糊性和似然性检查。
图14-图17表示根据全球定位系统(GPS)的不同的时间传输技术。
图14表示时间传播方法的原理。这种方法是最简单的和最不精确的，但是具有全球的覆盖区域，并且除了由接收机提供的数据之外不要求其它的数据。接入GPS时间的精确度取决于观测的本地条件，主要取决于接收机天线坐标的质量和要求的数据量。如果天线坐标的不确定度是10米，则对于13分钟的跟踪来说这一精确度是在100纳秒的范围内。
图15表示时钟传输的方法。对于具有10纳秒或者更低的高精度时间比较来说时间传输是重要的。通过连续地观测同一卫星或者卫星组，在地球上任意的不同位置上的时钟A和B可以与小于12小时的延迟的观察时间比较。这获得的优点是在其最大高度上观测卫星，因此降低了对折射模型的敏感性。然而，这种方法受卫星时钟不稳定性的影响，该不稳定性在12小时内大约5纳秒。
图16表示GPS共同观测方法，站A和站B或者更多的站在相同的时间接收同一卫星的信号，并相互发送数据来比较它们的时钟。这种方法的主要优点是卫星时钟误差不产生任何影响，因为GPS时间误差在差值中消失了。共同观测模式的最高精确度是大约1纳秒。
图17表示在短基线上的VLBI技术。这种方法使用很长的基准干涉测量法(VLBI)技术，并可以应用于与在100公里数量级的基线上低于1纳秒的精确度进行时间比较。
除了GPS时间传输方法之外，将根据图18-21描述根据本发明另一方面的另一种时间同步方法。这种时间同步方法的基本设想是为不同接收站提供公共的时间基准，其中该公共时间基准的同步误差由参考卫星的参考测距信息校正，其空间坐标是准确地知道的。
图18表示不同接收站对于一个卫星的时间同步误差的测量。再次假设根据图5的伪测距结构，其中在一个轨道位置上提供具有卫星1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G和1H的卫星簇。如可以从图18所示的测量结果看出的，在站III和站II之间不相关时间同步误差。然而，根据本发明的认识，一个站对于不同卫星的时间误差是近似相同的。这个结果在图19中表不。
图19表示不同的接收站对于两个不同的卫星的时间同步误差的测量。再次参考图5，选择同一轨道位置内的卫星1A和1B，其中测量站III在时间上测距误差。如可以在左侧看出的，测距误差是基本上相同的，其中在右侧表示两个测量之间的差值。
图19的结果如下如果知道两个卫星之一的位置，假如说是卫星1B，可以推导出每个接收站和发送站之间的同步误差。已知这个同步误差，就可以校正卫星1A的测量的伪距离数据。这种测量的最终结构表示在图20中。
图20表示对于两个不同卫星的伪距离测量的基本结构。假设站I是具有发送和接收装置的主站。
另一方面，其它站都是接收站，其中仅通过举例表示站III。假设在站I的位置上知道卫星1A的位置。则通过下述步骤由接收站III执行伪距离测量在第一步骤，通过卫星1A和2A从站I向接收站III发送两个预定的信号码型。在下一步骤，接收站III根据轨道1和轨道2的伪距离测量值向站I发送传播时间数据。因为根据该假设，在站I的轨道1的距离是已知的，可以如根据图19所说明的执行校正计算。因此，可以计算卫星2A的测距信息，并可以参考卫星1A利用已知的同步误差进行校正。
因此，可以在有限精确度的任意公共时间基准的基础上提供伪测距测量，其中利用参考卫星1A的参考测距信息校正所述公共时间基准。因此，可以建立不依靠GPS的伪测距系统。
图21表示根据图18的基本结构的一个接收站的处理装置。如可看到的，可以非常简单地建立该接收装置，这导致接收站的廉价结构。每个接收站包括两个类似的接收装置，这两个接收装置包括连接到接收天线2107、2108的LNB 2101、2104、下变频器2102、2105和解调器2103、2106。由频率和定时设备2109控制这些部件，所述频率和定时设备2109还包括一个公共的数据库，例如一个简单的GPS接收机。在数据收集单元2110内收集数据，用于确定轨道1和轨道2的传播时间数据。
权利要求
1.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的测距系统，包括在地球上的不同位置的多个接收站，其中每个接收站被安排用于从所述部件接收基准信号；同步装置，用于提供多个接收站之间的同步时间基准；计算装置，根据每个接收的基准信号的传播时间和同步时间基准计算所述测距信息；其中至少一个接收站包括用于接收基准信号的相关接收机。
2.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的测距方法，包括步骤由在地球上的不同位置的多个接收站相互独立地从所述部件接收基准信号；提供在多个接收站之间的同步时间基准；根据每个接收的基准信号的传播时间和该同步时间基准计算所述测距信息；其中至少一个接收站执行接收该基准信号的相关操作。
3.提供携带通信信道部件的航空器的测距信息的接收站，包括一个相关接收机，用于从所述部件接收基准信号；和同步装置，用于提供所述接收站和在地球上的参考点之间的同步时间基准。
4.用于操作接收站的方法，所述接收站提供携带通信信道部件的航空器的测距信息，该方法包括步骤从所述部件接收基准信号；和提供在地球上的所述接收站和参考点之间的同步时间基准。
5.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的处理站，包括传播时间数据接收装置，从地球上的不同位置的多个接收站接收传播时间数据；其中所述接收站安排用于从所述部件独立地接收基准信号，其中在多个接收站之间提供同步时间基准，并且其中至少一个接收站包括用于接收所述基准信号的相关接收机。
6.用于确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的处理方法，包括从地球上的不同位置的多个接收站接收传播时间数据；其中所述接收站安排用于从所述部件独立地接收基准信号，其中在多个接收站之间提供同步时间基准，并且其中至少一个接收站包括用于接收所述基准信号的相关接收机。
7.航空器，包括一个通信信道的部件，用于向地球上的不同位置的多个接收站发送或者中继基准信号；具中在多个接收站之间提供同步时间基准，并且其中所述基准信号安排由相关接收机接收。
8.一种操作航空器的方法，包括步骤在该航空器提供通信信道的部件；其中安排该部件向地球上的不同位置的多个接收站发送或者中继基准信号，和其中在多个接收站之间提供同步时间基准；并且其中所述基准信号被安排由相关接收机接收。
9.传输单元，包括第一传输装置，通过转发器向多个接收站发送基准信号，其中所述基准信号被安排由相关接收机接收，和同步装置，用于提供该传输单元和多个接收站之间的同步时间基准。
10.一种操作传输单元的方法，包括步骤通过转发器向多个接收站发送基准信号，其中所述基准信号被安排由相关接收机接收，和提供该传输单元和多个接收站之间的同步时间基准。
全文摘要
本发明涉及一种确定携带通信信道部件的航空器的测距信息的测距系统。为了提供一种确定携带转发器的卫星的测距信息的测距系统及其方法，该系统和方法在使用转发器的窄点波束时在不增加另外费用的情况下能够获得足够的精确度，根据本发明的一种测距系统包括在地球上的不同位置的多个接收站，其中每个接收站安排用于从所述部件接收基准信号；用于在多个接收站之间提供同步时间基准的同步装置；根据每个接收到的基准信号的传播时间和同步时间基准计算所述测距信息的计算装置；其中至少一个接收站包括用于接收基准信号的相关接收机。
文档编号G01S5/14GK1511265SQ02810551
公开日2004年7月7日 申请日期2002年1月15日 优先权日2001年3月29日
发明者居伊·阿勒, 居伊 阿勒 申请人:Ses阿斯特拉有限公司