用于航空飞行器的提高精度的飞行器定位系统技术方案

本系统有多个地面增强站１０和至少一个卫星８，以从一个用户飞行器２的无线电发射器接收编码的发射信号。卫星８将从用户直接接收到的信号和从地面增强站１０延时接收到的信号发送给基站１４，那里设有计算机根据各信号到达的时间差计算航空用户的位置。地面增强站１０提供了此纯卫星或纯地面型系统低的几何上的精确度削弱率，将飞行器２上使用的比较简单的发射器和在地面增强站１０及卫星８上使用的转发器相结合，显著地降低该系统的成本。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞行器的定位系统，尤其是涉及使用在空中交通管理设施中的飞行器定位系统，该系统基于应用卫星和地面站的组件，其定位精度优于那些完全基于只用于卫星上或只用于地面站的组件所提供的定位精度。由于空中交通日益增多，人们希望减少飞行之间的飞行间隔距离，并且由此增加国家所控制的空域管理的有效能力。在美国空中交通的控制系统是以空中交通的安全作为首要的运行准则。在这样的运行环境及准则下，飞机定位的不精确性就直接地意味着在飞行之间需要有大距离的飞行间隔。此外，现有的系统主要是以雷达为基础的系统，它需要在飞行上使用必须由飞行员调节到识别飞行的预定码上的转发器。如果飞机上装备了C波段转发器，则利用转发器的信号将其高度信号发射给一个问讯雷达，但是这种高度信号除依赖于雷达转发器外还依赖于将高度编码的有效性。雷达的作用距离不能贯穿整个美国，但是通常它集中在高稠密的居住地区或频繁定线飞行的地区。结果就使得在雷达作用范围不能到达、并仅由飞行员依靠定位报告其位置的地区中，空中交通控制系统在其容量上被严格受到限制。最后使得必须在飞机之间加大间隔距离。在现有的空中交通控制系统中，飞机的位置被传送到一个空中交通控制人员，他根据自己面前的增强型雷达显示器提供分离及碰撞的警报。虽然可以利用某些计算机化的碰撞警报系统，但由于雷达系统的定位精度及飞机运行的包络迹常会引起误警报，故这种系统在高度拥挤的交通区域不是很有用的。因而差的定位精度既降低了空中交通系统的容量也降低了在拥挤的空域中利用计算实现碰撞警报的能力。卫星型飞行器定位系统，例如在1982年11月16日公布的美国专利US4359，733描述的地球卫星系统已经提出了着手解决现有空中交通控制系统的精度及容量问题，并于装设适当电子设备的飞机提出了根据计算机得出的确定飞机位置的信息，自动向飞行员报告潜在碰撞。然而，该系统通常装备了相当昂贵的航空设备及既复杂又昂贵的卫星系统，以提供所需的服务。此外，虽然它们与雷达型系统相比能够提供改善的精度，并且能够使用几个卫星复盖基本全美国大陆，但是由于从飞行器发射信号得到的位置线的双曲线的小相交角，使该系统遭受到几何上精密度的削弱(GDOP-GeometricDilutionofPrecision)对于同步地球通信卫星中继器系统而言，GDOP系数典型大于100。使用地面型中继器构成的系统在升高的平面中会遭受到相似的GDOP问题，因为该系统位置线的交角也是小的。这些GDOP的量值需要大于所需的飞机之间的距离。由上所述可以明显地看出，无论是完全基于一个卫星或多个卫星的系统还是完全基于一个或多个地面站的系统，都不能满足下一代空中交通控制系统的定位精确度和费用的要求。这样的系统应能在最大程度上减少航空和宇航部件的费用和复杂性，并在提供复盖全美国大陆时还需要地面站的个数相对地少。本专利技术提供对于卫星型的飞行器定位系统(VLS)(例如一份美国专利申请，申请号为06/901，086，申请日为86年8月27日，专利技术人为沙基(Sagey)等人，已转让给休斯(Hughes)飞机公司，这里用作引证文件)所做的改进。本专利技术的基本的VLS系统依靠个数相当少的简单转发卫星，它们从航空飞行器上的发射器接收编码信号，并再将它们再发送到一个公共基站。航空用户的位置可从被卫星延迟的信号的到达时间差(TDOA)得出。本专利技术涉及采用无人管理的地面增强站，它将从航空飞行器接收的信号准确地延时后再发送出去。地面增强站把这样的信号再发送给卫星，该信号具有识别正在再发射的这个具体的地面增强站的附加数据信号。这些卫星起着“弯管”(“bentpipe”)转发器的作用，它将这些信号再发射给公共地面基站，这些基站能够根据卫星与地面增强站的几何关系及已收到信号的TDOA(到达时间差)计算航空飞行器位置。在使用上述系统时，由于将地面型系统的相当陡的恒定时间延迟线迭加到卫星拖低车南嗟被旱暮愣ㄊ奔溲映傧呱希蚨氏衷谕耆孛嫘拖低郴蛲耆占湫拖低持械南嗟贝蟮募负紊暇范鹊南魅酰℅DOP)显著地减小，借此对正在发射信号的飞行器的位置提供了更精确的测量。本专利技术的混合系统在至少一个地面增强站及三个卫星上使用飞机信号的接收及再发射，与仅由位于一个或多个卫星上的中继器(repeaters)组成的系统相比，用以提供明显减少的GDOP值。此外，如果飞机是在至少二个地面增强站的范围内，与用户飞机是在仅有的一个地面增强站的范围内时的情况相比，则能得到进一步地减少了GDOP系数。最高的精确度(和最低的GDOP)发生在包围一个机场的终端控制区域(TCA)的大约7个地面站的超过预定(即剩余导航数据)的系统中。公共基站的计算机就能选择一组信号，这组信号可为最低GDOP产生最佳几何关系。本专利技术在每个飞机上使用了一种简单的及价廉的发射器，它被设计成配有对它那个飞机专用的码。该发射器还被设计成其在飞机的整个运行时间中都工作，包括飞机在飞机场滑行道上滑行时间。然而在滑行运行中，在一个优选的实施例中工作比被选得相当长一些。为了在来自于多个飞机的交错信号之间获得高区域分辨率及好的鉴别性能，所有的信号为采用分散频谱伪噪声调制的窄脉冲。这个波形是完全与上述申请号为06/901，086的专利申请中使用的波形一致的。因此，本专利技术的发射器提供了专门识别每个运行中飞机的措施，但是这种发射器的简单化避免了在系统内运行飞机不必要的费用。飞机上还可以装备一个碰撞报警接收器，它能接收设计用来向飞行员报告在他的飞机与其它飞机之间正在形成潜在的撞机冲突的警报信号。碰撞报警系统也可以设置给飞行员提供避免碰撞的处理方法建议的措施。这样一种碰撞避免信号可以根据在系统中对所有飞机的位置及预定位置的计算及存在基站中心计算机中的各种碰撞避免判据程序得出。由航空用户发射的信号由在发射器视线范围中的一个或多个卫星及多个地面站接收。发射器的频率选择得能在航空飞行器、卫星及地面站之间提供可靠的通信视线。该系统的卫星部分设置了相对简单的卫星，最好是位于同步高度上的卫星，它装有一个“弯管”转发器系统用于将从航空飞行器收到的信号不以任何方式加以处理地转发给一个远程的地面基站。这些卫星采用各种措施被跟踪及确定它们的精确位置。例如采用专用跟踪站或卫星跟踪网络。卫星将从航空飞行器接收到的信号以窄波束发射给地面基站上的天线。在该地面基站上装设了多个窄波束接收天线，它们中的每个天线均对准了相应的卫星，所以这些卫星可以全部工作在一个相似的频率上而不会互相干扰，或者相反地，对每个卫星可分配以不同的频率，并且用单个的宽波束天线接收后再进行信号的分离。遍及全美国设立了许多地面增强站，用以提供航空飞行器的作用距离及接收航空飞行器上发射器的发射信号。每个地面增强站然后再将从航空飞行器上接收到的信号以新的频率发射出去(允许同时地进行发射与从一个或多个飞机上的接收)，并在该信号中加入了地面站的识别信号。再发射的时间精确地受到控制，以致能保存测量系统的完整性。然后地面基站根据已知的卫星的及各个地面增强站的位置，由航空用户到卫星直接发射信号到达的时间差(TDOA);及经由地面增强站的延时信号，对航空用户的位置进行计算。本专利技术的飞行器定位系统的定位精确度显著增强，这是因为与所有卫星或所有地面型的方案有关的几何上的精确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对空中用户的飞行器（２）的位置进行定位的飞行器定位系统，该系统包括：一个发射器（４４），它位于用户飞行器（２）上并能周期性地发射该所述的用户飞行器专用的信号；多个地面站；以及至少一个卫星，其特征在于：所述各地面站包括多个地面增强 站（１０），它们能够从所述用户飞行器（２）接收所述信号并且在一个预定的时间延迟后将它们再发射出去；所述卫星（８）能包够接收从所述的用户飞行器（２）发射的所述信号和从所述地面增强站（１０）再发射的所述信号，所述卫星（８）还能够再发射一个由 所述的这些接收到的信号组成的复合信号；以及所述地面站（１０）包括一个地面基站（１４），它能够从所述卫星（８）接收所述复合信号，并设有计算机装置（８８）用以根据直接从用户飞行器（２）发射到卫星（８）的信号和经过地面增强站（１０）转发到卫星 （８）的延时信号的到达的时间差来计算所述用户飞行器（２）的位置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：塞奇威廉姆E，
申请(专利权)人：休斯航空公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]