CN1160209A - 卫星无线电测定 - Google Patents

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Abstract

卫星无线电测定装置，包括：一个无线电接收机，用于接收来自第一卫星的一个多频测距信号，以及来自第二卫星的又一个测距信号；推导装置，用于从所述多频测距信号推导出第一电离层延迟数据；以及估算装置，用于根据所述第一电离层延迟数据估算又一个测距信号的第二电离层延迟数据。

Description

卫星无线电测定
本发明涉及用于无线电测定的方法和装置。无线电测定包括通过使用终端和多个信标之间的测距信号测定位置和时间。在卫星无线电测定中，信标就是轨道上的卫星。
目前，存在两种全球无线电测定系统。GPS/NAVSTAR系统包括一个由美国国防部操纵并为美国国防部服务的在12小时轨道上运行的卫星星群。GLONASS定位系统则在俄国政府控制下提供类似的设备(下文中将不作进一步讨论)。
在GPS/NAVSTAR系统中，每一颗卫星均载有高度精确的原子时钟，并且所有卫星的时钟均被同步。所有卫星的轨道均被准确掌握，因而对每一卫星均能得出其瞬时位置。各卫星在其轨道上周期地从地球站接收各种信息。
各卫星广播有规律的消息，消息载有：
1.星载原子钟所示的时间；
2.卫星的位置；以及
3.状态信息。
GPS的信号格式的细节可在引入本文作为参考的“全球定位系统标准位置业务信号技术条件”1995年6月第二版中找到。
地球上的GPS接收机可以从几颗卫星得到信号。星群被设计成这样，使得差不多在地球的每一个地点几乎每时每刻都至少同时看得到四颗卫星。注意到信号从卫星到达的不同时刻，使用所接收的时钟数据和卫星位置(随信号发送的)的知识，GPS接收机就能够算出每一颗卫星的相对距离，由此从这4个相对距离算出接收机的三维位置并校准其时钟。
由电离层的变动所引起的延迟变化能够降低无线电测定测量的精度，因而，为了能够对此进行某些补偿，每一颗卫星均用两个频率(称为L1和L2)广播。军用GPS接收机可以通过两个频率的测量来估算和校正电离层的延迟，因为电离层的延迟是以频率函数的形式变化的。
虽然GPS/NAVSTAR主要供军用，但接收机也可广泛适合于民用。不过，民用接收机不能对在第一和第二频率上将信息信号加密的“P代码”解码，因而不能进行双频率电离层补偿。而且，为了限制非军事用户的业务精度，所谓“选择可用性”性能故意将较小的计时和/或位置误差引进到用C/A代码编码的信息信号中，并且只在L1频率上从各颗卫星发射。军用接收机则能够对信号解码而无这些故意误差。
对于准确知道位置的地面站，有可能判断哪一颗卫星有误差和误差多大，知道广播一个信号指出哪一颗卫星有误差以及用于GPS接收机接收的校正量，使之能够补偿由于单频率测量造成的误差，从而得出一个可靠的位置信号。通过地球同步卫星广播这样的信号在例如说US4445110中有所讲解。
但是，在所使用的校正能够借助已知位置的参考地面站计算的同时，这一校正量变得随着距离参考地面站更远因为电离层(以及其他诸如对流层的大气层)不同的关系而逐渐地减少精度。因而这种“差分GPS”技术的用途受到限制。
如果不提供工作于接收两个频率以补偿电离层变化的GPS接收机，或者接收差分GPS校正的接收机，可以广播一个包含某些有关电离层状态数据的信号。近年来，一种广域差分系统的可能性已被讨论。一个例子是由美国联邦航空管理局建议的用来提供全美国差分校正信息的广域增扩系统(WAAS)。在这种广域系统中，用于一个区域(例如欧洲或美国)中分散为各点的地图坐标方格的电离层校正数据通过一个为该区域服务的地球同步卫星广播，并且在接收机端，插入各个地图格点之间以导出用于电离层延迟校正的一个数值加到在视野内的每一个GPS卫星的单频率信号上。还广播用于补偿“选择可用性”误差的校正数据。US-A-5323322叙述一种广播电离层数据的卫星无线电测定系统。
在1993年6月举行的ION第49届年会文件“利用同步地球卫星的民用GNSS进展”，1993年10月举行的INA第18届年会文件“GNSS完整性通道的实施和未来GNSS增长的考虑”以及1994年4月举行的PLANS94年技术规划的文件“用于未来民用要求的全球导航卫星系统(GNSS)”中均有J.R.Nagle，G.V.Kinal和A.J.Van Dierenclonck建议用另外的低地球轨道、中轨道和地球同步轨道民用卫星补充GPS/NAVSTAR系统。
根据本发明的一个方面，提供一种卫星无线电测定接收机，它接收一个多频率测距信号和一个单频率测距信号，通过测量所发射的多频率测距信号的不同频率之间的相对延迟从多频率测距信号导出一个电离层的延迟数值，并根据对多频率测距信号测得的电离层延迟数值估算出用于另一个测距信号的延迟数值。
根据本发明的另一个方面，提供一个工作于两种方式的任一方式的卫星有效负载。在第一种方式中，卫星有效负载生成自管测距信号，该信号不包括从地面站接收的增扩数据。在第二种方式中，卫星额外地转发从地面站接收的增扩数据。
在本发明的另一个方面，提供一种卫星有效负载，该负载能生成一个自管测距信号并能广播从地面站接收的数据。如果没有从地面站接收到数据，则卫星有效负载生成一个用于广播的伪数据，以保持广播通道开放。
根据本发明的另一方面，提供一种用于连接到卫星入口节点的装置，该装置被安排接收增扩数据，通过卫星入口节点决定可进入的卫星的位置，决定卫星位置是否落在预定范围(随增扩数据源而变)之内以及在卫星的位置落在预定范围之内时向卫星入口节点输出增扩数据。
根据本发明的另一方面，提供一种卫星导航接收机，该接收机能接收电离层延迟数据，不过只能在进行无线电测定时使用电离层延迟数据(如果对电离层延迟数据的访问能够例如说通过一种用于将电离层延迟数据解密的代码做到的话)。
根据本发明的再一个方面，提供一种用于向卫星入口节点供应增扩数据的装置，该装置被安排加密电离层延迟数据而不加密与电离层延迟无关的差分校正数据，并将加密的电离层延迟数据和未加密的差分校正数据输出到卫星入口节点。
根据本发明的另一方面，提供一种卫星导航接收机，该接收机被安排接收电离层延迟数据和残留误差数据，并使用残留误差数据校正电离层延迟数据。
根据本发明的另一方面，提供一种差分校正网络，该网络从另一个差分校正网络接收电离层延迟数据，从导航卫星接收测距信号并由此计算出电离层延迟数据中的误差。
现在仅作为例子参照附图叙述本发明的诸实施例，在附图中：
图1是卫星无线电测定系统的一个原理图；
图2是为北美和南美服务的卫星无线电测定系统一个部分的原理图；
图3是MEO卫星的导航有效负载的方框图；
图4是导航接收机的方框图；
图5是用来表示电离层信息的地图坐标方格的略图；以及
图6是说明计算电离层穿越点的略图；
图1大概地示出卫星无线电测定系统的各部件及其之间的关系。自管测距信号Rn由一颗或多颗GNSS(全球导航卫星服务)卫星2例如GPS/NASTAR卫星和/或GLONASS卫星提供。多颗地球同步卫星6(例如所建议的Inmarsat-3号通信卫星或专用的地球同步导航卫星)各载一个导航转发器，用于从陆地导航地球站(NLES)8将差分校正和其他增扩数据A转发到导航接收机11，增扩数据A提供有关GNSS卫星2及其测距信号Rn的完整性、误差和电离层信息。
一颗或多颗中地球轨道(MEO)卫星10，例如所建议用ICO(TM)全球卫星通信系统的卫星，将地面卫星入口节点(SAN)14发射的区域增扩数据RA转发到导航接收机11合并到自管测距信号Rm与来自GNSS卫星2的测距信号Rr同步。所建议的用于ICO(TM)系统的卫星是在两个轨道平面上的6小时轨道10颗卫星的一个星群，每颗卫星载有一个通信与导航有效负载。
精确知道位置的监示站16a、16b和16c网络接收来自GNSS卫星2的测距信号Rn，与来自MEO卫星10的测距信号Rm，并根据位置之间的差别(由测距信号R和监示站16的实际位置算出)算出包含在这些测距信号之中的位置和时间信息的误差。差分校正数据由监示站16a、16降16c传输到区域控制站18，控制站18求出包括有所报告的MEO卫星10和GNSS卫星2的位置与时间的误差的增扩数据A。换句话说，监示站16可以是简单的接收机，而把差分校正放在区域控制站18进行。
测距信号R中的位置和计时误差在监示站16a、16b和16c之间不会改变。但是，从监示站16a、16b和16c接收的差分校正数据则会因为各个监示站16接收的信号的电离层延迟(视信号穿过的电离层部分的自由电子的数量而定)以及诸如由对流层反射引起的对流层延迟之类的其他延迟的不同而不同。
因此，区域控制站18应能分别求出用于测距信号Rm、Rn中的误差数值以及用于电离层区域(测距信号穿过该区域到达每一个监示站16a、16b和16c)中的电离层延迟数值的数据。这个数据传输到NLES8用于以增扩数据A的形式通过地球同步卫星6向导航接收机11发射。
此外，增扩数据被传输到区域增扩系统21a和21b的提供者可进入的服务网络20。这种区域增扩系统21a、21b可包括用于计算具体区域的差分校正数据的本地监示站。区域增扩数据RA可以例如说包括更精确的电离层数据和对有关具体区域的增扩数据A的校正数据，由服务网络20上的服务提供者输入。区域增扩数据RA可以包括一些或全部增扩数据A。区域增扩数据RA被输送到SAN14，用于经过MEO卫星10发射并由导航接收机11选择接收。
上述卫星无线电测定系统，除了提供现有的卫星测定服务例如GPS和GLONASS以外，还提供来自MEO卫星10的额外测距信号Rm。在本实施例中，测距信号Rm是双频率测距信号，类似于GPS系统中的军事用户所用信号，不过未经加密，因而可供任何用户使用。上面的无线电测定系统也通过地球同步卫星6在广大的区域上空广播增扩数据A，这个增扩数据受到MEO卫星10广播的附加区域增扩数据RA补充。
增扩数据A被编码到NLES8生成的测距信号Rg中并经过地球同步卫星6广播给导航接收机11。地球同步卫星6的位置在NLES8确定，NLES8还包括一个诸如原子时钟或者一个双频率卫星无线电测定装置之类的精确时间基准与MEO卫星10和GNSS卫星2上的时间基准同步。在NLES8发射到同步卫星6的测距信号Rg中所包含的延迟被确定并且测距信号Rg包括所计算出的位置和时间数据，使得在地球同步卫星6转发时精确表示转发的时间和同步卫星的位置。
由地球同步卫星6转发到NLES8的信号提供一个定时环路，该环路使得确定由NLES8到地球同步卫星6的延迟成为可能，也使得测量电离层效应成为可能。这样，测距信号Rg就被处理得足够精确，好像是由地球同步卫星6自管生成的一样。
上述卫星无线电测定系统可以分阶段提供相当于上面的GNSS卫星2提供的逐渐增强服务如下。阶段1-现有或以前计划的地球同步通信卫星例如Inmarsat-3号卫星用作地球同步卫星6转发测距信号和增扩数据Rg，A。阶段2-辅助的专用导航卫星被作为辅助地球同步通信卫星6送入地球同步轨道。这些专用导航导卫星能生成自管测距信号Rg。阶段3-发射MEO卫星10，提供辅助测距信号Rm和转发区域增扩数据RA。
阶段1例如根据WAAS技术规范提供广域增扩。阶段1至3提供更多的测距信号，以减少对具有选择可用性的GNSS的依赖。
系统操作例子
图2示出图1的卫星无线电测定系统在北美和南美提供导航服务的一个例子。一颗地球同步卫星6在北美和南美上空广播由一个第一区域控制站18a求出的增扩数据A。在覆盖美国的第一服务区24a，第一服务网络20a提供仅对第一服务区有效的区域增扩数据RAa，比例说有关美国上空电离层的更精确的电离层数据。区域增扩数据RAa传送到第一卫星入口节点14a并通过第一服务区24a上空的第一MEO卫星10a广播。测距信号Rg在第一服务区24a可从GNSS卫星2a和2b得到。在第一服务区24a内大于一个预定最小仰角可见的GNSS卫星2的数目和识别将随着这些卫星在其轨道上前进的时间而变化。
第一颗MEO卫星10a也将相对于第一服务区24a移动直至其仰角落到一个适于广播接收的阈值以下。第一SAN14a于是选择另一个具有高于广播接收阈值的仰角的MEO卫星10(最好是趋近第一服务区24a的那一颗)。SAN14a停止向第一颗MEO卫星发射并代之以开始向所选择MEO卫星10发射。为避免区域增扩数据RA的广播中断，SAN14a可以在交接期间向第一颗MEO卫星10a和所选择的MEO卫星10两者都发射。
南美的第二服务区24b包括一个从监示网络(该网络监示在第二服务区24b接收的测距信号)接收信息的第二区域控制站18b。来自第二区域控制站18b的信息被送到第一区域控制站18a，使得广域差分校正信息由延及南北两美洲的监示网络收集到一起。这样，测距信号的计时和位置误差就可以更精确地决定。第二服务网络20b接收来自第二区域控制站18b的信息并另外导出区域24b里的更精确的电离层信息。这个信息中继到第二SAN14b，由后者发射信息经第二MEO卫星10b向第二服务区24b广播。
此后，在广域上有效的增扩信息由对广域区具有笔直视线的地球同步卫星6广播。具有更精确的地理有效性的更详细的信息由覆盖地球表面较小地区的MEO卫星10广播。这样地球同步卫星和MEO卫星广播的信息便与这些卫星的覆盖地区相一致。
导航卫星
图3示出一颗MEO卫星10的导航有效负载。
有效负载包括一个诸如原子时钟一类的频率标准30。一个高度精确的频率信号f由频率标准30供应到振荡器32，振荡器提供一个被当作标准时间(例如UTC)的时间信号t。
时间信号t供应给导航信号发生器34。有效负载还包括一个从遥测跟踪与控制(TT&C)地面站(未示出)接收加密的TT&C数据的TT&C接口42。TT&C接口向处理器44供应跟踪信息，处理器生成包含MEO卫星10的位置推算表信息的数据。位置推算表被写入存储器46中，存储器加上误差校正以防止数据遭到外部辐射的破坏并具有一个双缓存器使得以前的位置推算表在新的位置推算表被验证之前不被新的位置推算表立即改写。位置推算表由导航信号发生器34从存储器46读出，信号发生器34使用与GPS技术规范中所述GPS/NAVSTAR卫星使用的同一族金色码对时间信号t和位置推算表进行编码。金色码是一种具有低的自相关和低的对其他金色码互相关的伪随机噪声(PRN)码。
包含有已编码的位置推算表和时间数据的中频信号IF供给上变频器36。后者将中频信号变为分别通过广播天线40和38发射的不同频率F1和F2。
频率F1和F2可以是大体上与GPS L1和L2相同的频率，以保持同现有GPS接收机的兼容性，或者可以偏离L1和L2频率以使得来自MEO卫星10的信号可以仅被改进的导航接收机11所接收。在一个实施例中，F1为1576MHz，F2为1228MHz。
导航信号发生器34的工作由处理器44控制，而状态信息则由导航信号发生器34供给处理器44。
有效负载还包括一个从SAN14接收区域增扩信息RA的馈电链接通道接口48。处理器44有选择地向存储器46供给区域增扩信息RA以掺入导航信号发生器34输出的信号中。
处理器44以自管导航和区域增扩两种方式工作。在自管导航方式中，由馈电链接通道接口48供出的数据不送到存储器46，因而MEO卫星10仅以每秒50比特的数据速率广播测距和状态信息。在区域增扩方式下，从馈电链接通道接口48接收的区域增扩数据RA供给存储器46掺入在导航信号中。这样，MEO卫星10另外广播完整性和GNSS卫星的状态信息，由服务网络20提供的差分校正信息以及指出何时卫星无线电测定不可能用每秒250比特的数据速率达到预定精确度水平的报警消息。处理器44通过由TT&C接口接收的命令在这两种方式之间转换。处理器44可以在没有区域增扩数据可用例如因为在视野内没有SAN14或者SAN14发生故障时转入自管导航方式。
换句话说，处理器44可生成伪数据用于在测距信号Rm中发射，伪数据表示没有可用的区域增扩数据到达导航接收机11。
卫星无线电测定终端
图4示出一种用于在上述卫星无线电测定系统中接收测距和增扩信号的导航接收机11的简化方框图。用户终端11包括一个用于接收包含增扩信息A和区域增扩信息RA的测距信号Rg、Rn和Rm的天线50。一个PRN解码器56将每一个测距信号R解码并输出已解码的测距信号R’和有关每一个测距信号的到达时间的计时数据ta。数据解码器58从被解码的测距信号提取包括有增扩数据A、区域增扩数据RA、每一测距信号的发射时间t以及卫星的位置推算表的数据D。无线电测定部件54接收数据D和计时数据ta，用它们算出由双频率测距信号Rm和导航接收机11的大致位置导致的电离层延迟数值，并将这一数据与包含在区域增扩数据RA和增扩数据A中的电离层数据一道输出到电离层模型建立部件60。
根据这一数据，电离层模型建立部件60算出每个测距信号R穿过电离层的电离层穿越点并以此估算由单频率测距信号R例如L1GPS信号导致的电离层延迟(因为对单频率测距信号不能直接测量电离层延迟)。电离层模型建立部件60输出对每一个单频率测距信号R的估算电离层延迟以及每一个所估算的延迟的误差界限。
无线电测定部件54接收所估算的电离层延迟并从单频率信号的到达时间ta减去它们。直接测出的由双频率测距信号导致的延迟被从这些信号的到达时间ta减去。增扩数据A和区域增扩数据RA包括测距信号中的误差信息，被用来校正每一测距信号中的位置和时间信息。增扩数据A和区域增扩数据RA还包括有指明是否有任何卫星出故障或工作不正确；来自这种卫星的测距信号R不可用于无线电测定的完整性信息。
然后，无线电测定部件54根据校正过的测距信号R以及位置P和时间T的误差的估计(根据电离层模型建立部件60指出的电离层误差界限并根据增扩数据RA、A指出的测距信号的误差界限)算出精确的位置P和时间T。如果位置P和时间T的可能误差超出一个预定数值，则无线电测定部件54可发出一个视觉的或听觉的报警信号，使用户知道输出不应当取决于某个应用。
现在参照图5和6给出电离层模型建立部件60的工作的一个说明。
由地球同步卫星6广播的增扩数据A以及由MEO卫星10广播的区域增扩数据RA包括由一组用于计算地球表面的地图坐标格G上诸点的电离层延迟的数值组成的电离层数据。地图坐标格的中心定在地球同步卫星位置的最低点N并且每一格点gi的电离层延迟数值表示该格点的垂直电离层延迟。
信息往往不是对所有的格点gi都适用，因而电离层数据包括可用该电离层数据的格点gi的地址i的一个清单，以及有关的垂直电离层延迟和这些点的每一点的延迟误差。电离层数还包括点格中心所在的最低点N的位置。
上述电离层数据的格式用来从地球同步卫星上广播，不过也用于MEO广播的电离层信息。SAN14计算出一个假想地球同步位置，使得MEO卫星10的覆盖区(卫星在该区的可见仰角大于5°)落在基于该位置的点格gi内。电离层数据向落在MEO卫星10的覆盖区里的某些或全部格点广播。于是，由地球同步卫星6和MEO卫星10广播的电离层数据具有兼容的格式。
为了精确估算对每一个测距信号R的电离层延迟，导航接收机11的电离层模型建立部件60必须算出测距信号R穿过电离层到达用户的途中穿越点PP，并将适当的电离层延迟数据应用于该穿越点。
如图6所示，测距信号R由一颗卫星例如由一颗对于导航接收机11的仰角为ε的MEO卫星10发射。测距信号R在穿越点PP穿过电离层的最大电子密度层I0。层I0的高度假定为地球表面上空400km。导航接收机11能从还包含有卫星10的位置信息的未经校正的测距信号R推出其近似位置。由这个信息以及由地球的半径r，用已知的方法算出穿越点PP的纬度和经度。
被算出的穿越点PP一般不与电离层对之有效的格点gi之一相重合。因此必须将电离层延迟的数值插到电离层信息对之有效的格点gi和gi+1之间。电离层模型建立部件60生成一个可用一个或多个参数变化以切合周围的格点gi电离层信息的模型函数，将模型函数用来插补穿越点PP的电离层延迟数值。
用于插补电离层延迟数值的适当模型已为WAAS规定好。在这个模型中，借助一个提供连续曲面的加权函数例如经度和纬度函数，将含有穿越点的网眼四角处的四个格点的电离层延迟数值用来插补穿越点的电离层延迟数值。换句话说，可以沿经度线和纬度线两个方向在各对格点之间采用线性插补法。
此外，电离层模型建立部件60可以将模型函数安装到直接测量的由双频率测距信号Rm得到的电离层延迟数据上，通过算出这些信号的穿越点PP和调整模型函数的参数，使测得的电离层延迟数值切合这些穿越点PP。
模型函数需要的不是将电离层信息和所测得的延迟数值准确切合；而是一种近似的切合，例如可以采用最小二乘方切合。
穿越点的垂直电离层延迟数值由此可以算出。但是，测距信号R通过电离层的距离l大于电离层的垂直高度h，结果就由测距信号R的路径与垂直方向构成了倾斜角α。因而，垂直电离层延迟数值要乘以一个倾斜因子，以顾及到横穿电离层的较大长度。
用户操作例子
现在将叙述为非洲提供导航服务的卫星无线电测定系统的另一实施例操作的具体例子，其中地球同步卫星6提供测距信号Rg和包括有用于GNSS卫星测距信号Rn的校正消息的增扩信息A，不过电离层校正信息在本实施例中不通过地球同步卫星6提供，因为可供应非洲的基本上是个不能胜任的信息。
但是，区域监示站由在肯尼亚的本地服务提供商提供。监示站监测来自MEO卫星10和GNSS卫星α的测距信号并另外接收地球同步卫星6广播的增扩信息A。由这个信息估算出垂直电离层延迟数值和电离层延迟误差界限，可供肯尼亚领土和领空的所有用户使用。将这个信息转发到SAN14通过其时覆盖肯尼亚的MEO卫星10广播。
靠近内罗毕的导航接收机11可见到的导航卫星是例如说下面的表1所示的那些卫星。表1
    卫星     方位角     仰角
    MEO2     184     27
    MEO9     310     12
    MEO10     40     11.5
    AOR-E GEO     269     30
    IOR GEO     91     58
    GPS2     250     73
    GPS4     355     24
    GPS13     150     27
卫星AOR-E是一颗为东大西洋地区服务的Inmarsat(TM)卫星，而卫星IOR则为印度洋地区服务。
导航接收机能根据卫星生成或转发的测距信号确定所有上面卫星的近似位置而不需要电离层校正。来自每颗卫星的测距信号中的电离层延迟的估算值则按下法求得。
电离层延迟直接对卫星MEO2、MEO9和MEO10发射的双频率测距信号算出。AOR-E地球同步卫星被视为与MEO9卫星在同一导航区。MEO9测距信号中的电离层延迟数值被用来估算AOR-E GEO测距信号中的电离层延迟(借助对MEO9卫星和AOR-E地球同步卫星之间仰角差的补偿)。对于GPS4和GPS13卫星的电离层延迟，则使用对MEO9测得的电离层延迟数值以同一方法估算。
GPS2卫星差不多就在头顶上，因而使用由肯尼亚监示站提供的电离层延迟信息，加上一个对72°实际仰角和90°之间的差的小倾斜度校正因子。电离层延迟误差界限数据应用到不能直接从双频率测距信号测出的每一个被估算电离层延迟上。
在这个例子中，导航终端11从8个不同的卫星接收测距信号，并能计算或估算对每一测距信号的电离层延迟而不需要增扩数据A中提供的电离层数据。此外，从地球同步卫星接收的完整性信息被用来确定是否有任何测距信号不应当用于卫星无线电测定。于是，无线电测定的结果既精确而又可靠。
地区增扩信息
在上面的例子中，适合于肯尼亚的电离层延迟信息是通过一颗或多颗MEO卫星转发的。每一颗MEO卫星都能在比肯尼亚宽广得多的地域上空广播，例如说，SAN14既接收肯尼亚的服务提供者提供的数据又接收其他网络提供的数据。在SAN14的发射中，来自每一个网络的数据被授予一个重复时帧中的不同时隙，以使得来自不同监示网络的信息被时分多路复用。下表2示出上面例子中每一颗卫星MEO2、MEO9和MEO10的时隙分配的例子。表2
卫星   时隙1   时隙2   时隙3   时隙4   时隙5   时隙6
MEO2   肯尼亚   非洲   其他   其他   非洲   其他
MEO9   肯尼亚   其他   欧洲   其他   其他   欧洲
MEO10   肯尼亚   其他   其他   其他   其他   其他
卫星MEO2在时隙2和5发射在整个非洲有效的区域增扩数据，这一信息附带可被肯尼亚内的导航接收机11使用。
每一时隙可以是例如说6秒时帧中的一个1秒时隙，并载有250比特数据。
时隙可以由SAN14在载有区域增扩信息的MEO卫星10的最低点越过分配给服务提供者的预定地区(例如说用经度线和纬度线边界确定)上空时分配给服务提供者。例如，每一个地区可以是北半球或南半球的一条5°经度线的狭长地带。
每一时隙可以由几个服务提供者分享，各提供者均不独自输送足以占据整个时隙的数据，以使每一时隙的全部容量均得到使用。时隙中每个服务提供者的数据均受分配给那个服务提供者的一个代码识别。一个以上的时隙可以分配给那些要求的容量多于一个时隙所能提供的容量的提供者。用于计算向服务提供者收费的收费数据根据MEO卫星10上的容量被分配给服务提供者的时间周期和根据在那个时期内所用的容量比例产生。
换句话说，从服务提供者为之提供区域增扩数据RA的服务区看，在超过一个最小仰角例如5°可见得到MEO卫星10期间，时隙可以被分配给服务提供者。
每一时隙中的区域增扩数据最好加密以确保其只能被有许可证的导航接收机解码。所有有许可证的接收机都可使用同一算法利用电离层延迟数据进行无线电测定，以使进行无线电测定符合一个共同的标准。
此外，可以要求用户购买一个灵巧卡插入导航接收机，以便能够访问MEO卫星广播的一些或全部的区域增扩信息RA。这样做，服务提供者就可将收入集中。换句话说，用户终端可以有一个输进代码的键盘，使得能够访问一个或多个区域增扩信息时隙。
由此可见，不同类型的信息可以适合于不同的用户，依其需要电离层信息的区域或其要求的精度水平而定，并且用户可以只为其需要的信息付费。
在上面的例子中，不同类型的增扩信息都是时分多路复用的。但是，不同的信息通道可以与这一技术中熟知的其他方法用时多路复用，例如用码分多路复用或频分多路复用。
每一区域增扩信息通道中的信息可包括用于识别电离层数据对之有效的地区的数据(例如国家代码)，表示电离层数据的可靠性的数据以及表示电离层数据对什么时期有效的数据。
由于导航接收机11的电离层延迟模型建立部件60能把电离层延迟信息同直接的电离层延迟测量结合起来，因此，更精确的电离层模型被用来补偿电离层延迟。再者，有关导航终端11所在地域的局部区域增扩数据RA被接收。完整性数据和误差界限数据既在区域增扩数据RA中也在增扩数据A中被接收。这样，高度精确的位置读数P和时间读数T可以被算出，同时估算这些读数的精度水平并在精度水平掉到一个预定阈值以下时发出警告。
如此精确可靠的无线电测定大大增加了卫星无线电测定的潜在用途。
例如，上述卫星无线电测定系统可用在安全性至关重要的地方，例如在低能见度条件下的飞机着落。系统还具有海运用途，它在能见度受限的情况下为港口进入提供足够的精确度。还可在火车控制(那里需要足够精度确定火车在那条轨道上运行)中找到应用。系统可提供精确的时间读数供实验室或者要求准确同步的通信系统使用。
由于所有的测距和增扩信息均通过卫星提供，因而对于建立地面差分校正系统的需要可以克服。
虽然上面的实施例均使用诸如ICO(TM)卫星一类的MEO卫星，但其他卫星星群例如那些建议用于ODYSSEY(TM)、IRIDIUM(TM)、GLOBALSTAR(TM)以及TELEDESIC(TM)卫星通信系统的也可使用。低地球轨道(LEO)卫星在其信号中会产生较大的多普勒频移，不过这可以借助接收机中的适当补偿克服。实施例中所述的卫星结构特别方便有用，不过也可使用其他的结构。例如自管导航信号发生设备可以用非同步卫星中转发导航信号的转发器来代替。区域增扩数据可以通过具有多点波束的同步或非同步卫星广播。每一点波束中的数据广播的区域有效性与各该点波束的覆盖面积相协调。
导航接收机可根据以经度与纬度的函数形式给出高度的地图数据，或者根据大气压力确定其高度，以便只要三个测距信号来确定经度、纬度和时间。

Claims (27)

1.卫星无线电测定装置，包括：
一个无线电接收机，用于接收来自第一卫星的一个多频测距信号，以及来自第二卫星的又一个测距信号；
推导装置，用于从所述多频测距信号推导出第一电离层延迟数据；以及
估算装置，用于根据所述第一电离层延迟数据估算又一个测距信号的第二电离层延迟数据。
2.权利要求1中要求的装置，还包括用于接收电离层数据的数据接收装置，根据所述电离层数据另外进行估算第二电离层延迟数据的操作的所述估算装置。
3.权利要求2中要求的装置，其中所述数据接收装置被安排从一个卫星接收所述电离层数据。
4.权利要求2或3中要求的装置，其中所述电离层数据表示相应于多个分散开的空间点的多个电离层延迟数值。
5.前面任一权利要求中要求的装置，其中所述估算装置包括模型建立装置，用于根据所述第一电离层延迟数据生成电离层延迟的空间变化的一个模型；根据所述模型进行估算所述第二电离层延迟数据的操作的所述估算装置。
6.根据权利要求2时，权利要求5中要求的装置，其中所述模型建立装置可根据所述电离层数据进行生成所述模型的操作。
7.权利要求5或6中要求的装置，其中所述模型是一个根据一个或一个以上的参数变化的函数，所述模型建立装置被安排算出所述一个或一个以上的参数，以使所述函数切合所述第一电离层延迟数据。
8.根据权利要求6时，权利要求7中要求的装置，其中所述模型建立装置被安排计算所述一个或一个以上的参数，使得所述函数另外切合所述电离层数据。
9.一种卫星无线电测定方法，包括接收来自第一卫星的一个多频测距信号；
接收来自第二卫星的又一个测距信号，由所述多频率测距信号推导第一电离层延迟数据；以及
根据所述第一电离层延迟数据估算又一个测距信号的第二电离层延迟数据。
10.一种适配被指定用于非同步轨道卫星的卫星有效负载，包括：
一个用于生成时间信号的时钟；
一个测距信号发生器，用于生成一个包含有从所述时间信号导出的定时数据的测距信号；
中继装置，用于转发由卫星从地面站接收的数据；以及
用于有选择地启动和撤出所述中继装置的装置，所述中继装置独立地启动测距信号发生器。
11.一种适配被指定用于非同步轨道卫星的卫星有效负载，包括：
一个用于生成时间信号的时钟；
一个测距信号发生器，用于生成一个包含有从所述时间信号导出的定时数据的测距信号；
中继装置，用于转发由卫星从地面站接收的数据；
用于检则不存在所述接收的数据的装置；以及
用于根据检得的所述不存在生成供发射的伪数据的装置。
12.用于提供增扩数据供卫星发射的装置，包括：
用于接收增扩数据的装置；
用于提供有关卫星位置的位置数据的装置；
用于判断位置数据是否满足一个预定判定标准的判决装置；以及
用于根据判决装置的结果有选择地使所述用于发射的增扩数据向所述卫星输出的装置。
13.一种提供增扩数据供卫星发射的方法，包括：
提供有关卫星位置的位置数据；
判决位置数据是否满足一个预定的判定标准；以及
根据所述判决步骤的结果，有选择地使所述用于发射的增扩数据向卫星输出。
14.卫星无线电测定装置，包括：
用于接收对应于多个卫星的多个测距信号的装置；以及
用于接收电离层延迟数据的装置，被安排根据所述多个测距信号并响应所述装置提供的特许数据有选择地根据所述电离层延迟数据执行无线电测定的装置。
15.权利要求14中要求的装置，还包括用于接收基本上与电离层延迟无关的差分校正数据的装置，其中所述装置被安排另外根据所述差分校正数据执行无线电测定。
16.根据权利要求14或权利要求15中要求的装置，其中所述电离层延迟数据被加密，并且所述装置包括根据所述特许数据解密所述电离层延迟数据的解密装置。
17.权利要求14至16任何一条中要求的装置，包括用于输入所述特许数据的输入装置。
18.提供用于通过卫星发射的增扩数据的装置，包括：
用于接收所述增扩数据的装置，增扩数据包括有未加密的电离层延迟数据和基本上与电离层延迟无关的未加密差分校正数据；
用于加密所述电离层延迟数据的装置；以及
用于输出通过所述卫星发射的所述加密的电离层延迟数据和所述未加密的差分校正数据的装置。
19.一种提供用于通过卫星发射的电离层延迟数据和基本上与电离层延迟无关的差分校正数据的方法，包括：
接收未加密形式的所述电离层延迟数据和所述差分校正数据；
加密所述电离层延迟数据；以及
输出所述加密的电离层延迟数据和所述未加密的差分校正数据供通过卫星发射。
20.卫星无线电测定装置，包括：
用于接收来自对应于多个卫星的多个测距信号的装置；
用于接收电离层延迟数据的装置，以及
用于接收所述电离层延迟数据中有关残留误差的残留误差数据的装置，被安排根据所述多个测距信号，所述电离层延迟数据和所述残留误差数据执行无线电测定的所述无线电测定装置。
21.权利要求20中要求的装置，其中所述残留误差信息包括有关所述电离层延迟信息的误差界限的误差界限信息。
22.用于决定卫星无线电测定系统中的残留误差的装置，包括：
用于接收来自多颗卫星的多个测距信号的装置；
用于接收电离层延迟数据和针对所述测距信号中的误差的差分校正数据(与电离层延迟无关)的装置；
用于根据所述测距信号(已根据所述差分校正数据和所述电离层延迟数校正)计算位置和时间的计算装置；以及
用于根据所述已算出的位置或时间和预定的参考位置或时间之间的差来计算所述电离层延迟数据中的误差的误差计算装置。
23.权利要求22中要求的装置，其中所述用于接收所述测距信号的装置包括分散开的多个接收站，被安排计算分别对应于所述各接收站的多个位置的所述计算装置，以及被安排根据所述算出的位置和对应于所述接收站的预定位置的相应差计算所述误差的所述误差计算装置。
24.一种卫星无线电测定接收机，包括权利要求1至8，14至17，20和21任何一条中要求的装置。
25.一种地面站，包括权利要求12、18、22或23任何一条中要求的装置。
26.一种包括权利要求10或11中要求的卫星有效负载的卫星。
27.一种卫星无线电测定系统，包括权利要求24中要求的多个卫星无线电测定接收机以及至少一个在权利25中要求的地面站。
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