DE3426851C1

DE3426851C1 - Satelliten-Navigationssystem

Info

Publication number: DE3426851C1
Application number: DE3426851A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. 8031 Weßling Starker
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: STARKER, SIEGFRIED, DIPL.-ING., 82234 WESSLING, DE
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1984-07-20
Publication date: 1985-10-17
Also published as: FR2568017B1; JPS6140578A; GB8516917D0; JPH083522B2; FR2568017A1; GB2162013B; GB2162013A; US4652884A

Description

Die Erfindung betrifft ein Satelliten-Navigationssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bzw. zu der Navigation von Fahrzeugen muß die eigene Position und Geschwindigkeit in einem gegebenen Bezugssystem bestimmt werden. Als Bezugspunkte werden gewöhnlich Funkbaken mit genau bekannten, festen Positionen verwendet. Mit zunehmender Genauigkeit der. Positionsbestimmung von Satelliten wird es möglich, auch Satelliten als Bezugspunkte für eine hochgenaue Ortung und Navigation zu nutzen. Durch eine Verwendung von Satelliten ergeben sich wesentliche Vorteile, weil durch Benutzen höherer Frequenzen größere Positions-Meßgenauigkeiten erreicht werden können, weil durch Abdeckung großer Teile der Erdoberfläche großräumigere und damit wirtschaftlichere Systeme, möglich werden und weil aufgrund der dreidimensionalen Satellitenbezugspunkte eine dreidimensionale und damit vollständige Positionsbestimmung möglich ist, so daß viele Nutzeranforderungen erfüllt werden können.

Im Unterschied zu terrestrischen Funkbaken ist allerdings ein besonderer zusätzlicher Aufwand erforderlich, da sich die Satellitenpositionen fortlaufend ändern und da Betrieb und Synchronisation hochstabiler Zeitzeichensender an Bord von Satelliten besondere Maßnahmen erfordern. Ein Empfänger von Satelliten-Ortungssignalen muß daher fortlaufend auch eine Information über die Satellitenposition und den Stand der Borduhr zum Zeitpunkt der Positionsaussendung erhalten, damit er aus den empfangenen Signalen seine eigene Position bestimmen kann.

Für die Nachrichtenübertragung zwischen Schiffen und Landstationen werden derzeit äquatoriale erdsynchrone Satelliten völlig unabhängig von bestehenden Navigationssystemen verwendet. Für die Übertragung von Notrufen wurden Experimente mit polar umlaufenden Satelliten und mit äquatorialen erdsynchronen Satelliten durchgeführt. Zur Informationsverteilung durch geostationäre Satelliten und zur gleichzeitigen Abfrage von Fahrzeugpositionen sind bereits Vorschläge unterbreitet worden.

Unter Satellitennavigation im speziellen Sinn wird im allgemeinen die Bestimmung der Eigenposition und nötigenfalls auch der Eigenbewegung eines Fahrzeugs mit Hilfe von Satelliten verstanden. Die Eigenposition wird dabei grundsätzlich wie bei terrestrischen Funkortungssystemen durch die Laufzeit und/oder von Laufzeitän-

derungen elektromagnetischer Wellen zwischen Fahrzeug und mehreren Referenzpunkten bestimmt. Um eine zwei- oder dreidimensionale Positionsbestimmung durchführen zu können, sind, je nachdem, ob Zwei- oder Einwegverfahren angewendet werden, Messungen zu zwei bis vier Referenzpunkten erforderlich, die zur Erzielung großer Meßgenauigkeiten relativ zum navigierenden Fahrzeug außerdem noch eine günstige, geometrische Anordnung haben müssen. Da sich diese günstigen, geometrischen Anordnungen für die ganze Erdoberfläche mit erdsynchronen Satelliten nicht befriedigend realisieren lassen, werden für erdumspannende Satelliten-Navigationssysteme durchwegs umlaufende, nicht erdsynchrone Satelliten benutzt, deren Bahnen niedriger liegen als die von Synchronsatelliten.

Das bekannteste und bisher einzige operationelle Satelliten-Navigationssystem dieser Art ist das sogenannte TRANSIT-SYSTEM. Bei diesem System besteht ein Raumsegment aus fünf polaren Satelliten, welche ein Zeitsignal auf zwei verschiedenen Frequenzen zusammen mit den eigenen Bahndaten aussenden. Sich langsam bewegende Fahrzeuge können durch Messung bzw. Ausnutzung des Dopplereffektes über einen im Abstand von zwei bis zehn Stunden stattfindenden bekannt, daß es sehr starke Ähnlichkeit zu dem US-System NAVSTAR-GPS aufweist.

Allen bisher bestehenden und geplanten Satelliten-Navigationssystemen ist gemeinsam, daß eine größere Anzahl gleichartiger umlaufender Satelliten neben Ortungssignalen in Form von Zeitmarken verschiedene, satellitenspezifische Informationen, nämlich Zusatzinformationen, die zum Auswerten dieser Zeitsignale zu Ortungs- und Navigationszwecken erforderlich sind, abstrahlen, welche von Zeit zu Zeit durch eine Bodenkontrolleinrichtung korrigiert und dann neu in den Satelliten eingespeichert werden. Dazu kommen noch Informationen zur Akquisition weiterer Navigationssatelliten und zur Ausbreitungskorrektur oder die Abstrahlung des Ortungssignals auf einer zweiten Trägerfrequenz. Ferner sind die bisher bekannten und vorgeschlagenen Systeme auf die Eigenpositions- und Geschwindigkeitsbestimmung von Fahrzeugen beschränkt und untereinander inkompatibel, da ein Nutzer zum Empfang von Navigationssatelliten verschiedener Systeme unterschiedliche Ausrüstungen benötigt. Aufgrund des durch diese Funktionen bedingten hohen Aufwandes für jeden einzelnen Navigationssatelliten sind die Kosten eines zu errichtenden internationalen

Durchgang jeweils in größeren Zeitintervallen ihre Po- 25 globalen Gesamtsystems entsprechend hoch, da für eine sitionen bestimmen. Damit aber an jedem Ort der Erd- ausreichende globale Bedeckung 18 bis 24 solcher Satel-

oberfläche jederzeit ausreichend viele Satelliten für eine Positionsbestimmung empfangen werden können (bei dreidimensionaler Einwegortung sind beispielsweise vier gleichzeitig sichtbare Satelliten erforderlich), muß eine größere Anzahl solcher Satelliten in verschiedenen Bahnebenen fortlaufend die Erde umkreisen. Bei einem derzeit in den USA im Aufbau befindlichen System, dem sogenannten NAVSTAR-GPS (Global Positioning Syliten benötigt werden.

Durch die Erfindung soll daher ein kostengünstigeres Satelliten-Navigationssystem geschaffen werden, bei welchem insbesondere die Kosten hinsichtlich der Navigationssatelliten erheblich reduziert sind und mit welchem ferner auch noch einige zusätzliche Informationen, wie aktuelle Warnungen und Notrufe, übertragen sowie eine Kommunikation oder auch ein Zusammenar-

stem), das etwa 1987 bis 1988 in Betrieb genommen 35 beiten mit anderen Systemen ausgeführt werden kön-

werden soll, waren bisher beispielsweise 24 solcher Navigationssatelliten geplant, die vor kurzem aus Kostengründen auf 18 reduziert wurden. Bei europäischen Alternativsystemen, die unter den Bezeichnungen NAV-SAT und GRANAS geführt werden und die sich gegenwärtig erst in der Studienphase befinden, wird die gleiche Anzahl von Navigationssatelliten erforderlich sein. Bei den beiden geplanten europäischen Systemen wird eine Reduzierung der Gesamtkosten gegenüber dem amerikanischen NAVSTAR-GPS-System dadurch angestrebt, daß der Aufwand für die einzelnen Satelliten reduziert und dafür ein etwas höherer bodenseitiger Aufwand in Kauf genommen wird. In beiden Fällen sind Navigationssatelliten ohne satellitenseitig hochstabile Oszillatoren vorgeschlagen worden, die bei dem US-Navigationssystem NAVSTAR-GPS einen erheblichen Kostenfaktor darstellen.

Statt dessen werden die für Einweg-Entfernungsmessungen erforderlichen, synchronen Zeitsignale am Bonen. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Satelliten-Navigationssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Satelliten-Navigationssystem sind die Funktionen bisheriger Navigationssatelliten auf umlaufende und auf erdsynchrone oder quasierdsynchrone Satelliten, sogenannte Synchronsatelliten verteilt; hierbei ist eine beträchtliche Verbilligung des Gesamtsystems dadurch erreicht, daß die Funktion und damit der Aufbau der Navigationssatelliten weitestgehend vereinfacht ist und daß einige wenige spezielle erdsynchrone oder quasi-erdsynchrone Satelliten, die sogenannten Synchronsatelliten, alle darüber hinausgehenden Aufgaben einschließlich einiger zusätzlicher Funktionen übernehmen, und zwar solcher Funktionen, welche bisher existierende Satelliten-Navigationssysteme noch nicht erfüllen können. So können beispielswei-

den erzeugt und zusammen mit den erwähnten Zusatz- 55 se mit dem erfindungsgemäßen System aktuelle War

informationen von einer größeren Anzahl über die Erde verteilter Bodenstationen zu den Navigationssatelliten und von dort zum navigierenden Fahrzeug übertragen. Durch Aufbau und Betrieb des umfangreichen und komplexen Bodensystems geht ein Großteil der satellitenseitigen Einsparungen wieder verloren. Auch bei dem europäischen System GRANAS vorgesehene Vereinfachung dieser Bodenstationen durch Eigenpositionsbestimmung der Satelliten ändert an den Gesamtkosten voraussichtlich wenig, weil damit gleichzeitig wieder ein etwas höherer Satellitenaufwand nötig wird. Von einem weiteren Satelliten-Navigationssystem GLONAS, welches gegenwärtig die Sowjetunion aufbaut, ist lediglich nungen oder Zusatzinformationen an mit entsprechenden Empfangs- und Auswerteeinrichtungen ausgerüstete Fahrzeuge verteilt werden; Notrufe können vorzugsweise automatisch übertragen werden, und eine Kommunikation zwischen Nutzern und einer Bodenkontrollstation ist mit dem erfindungsgemäßen System in besonders einfacher Weise möglich.

Durch das erfindungsgemäße Satelliten-Navigationssystem kann die Funktion der unvermeidlich großen Anzahl der bisher umlaufenden, speziellen Navigationssatelliten noch weitgehender als bei den geplanten amerikanischen oder europäischen Systemen, wie NAV-STAR oder GRANAS, auf das unbedingt Notwendige,

nämlich auf die Aussendung eines Zeitsignals, reduziert werden. Bei dem erfindungsgemäßen System genügt es, wenn die Information über die Bahndaten aller Satelliten zusammen mit den erwähnten Zusatzinformationen an die Nutzer über einen einzigen, zweckmäßigerweise erdsynchronen oder quasi-erdsynchronen Satelliten verteilt wird, der dann dauernd oder zumindest sehr lange im Sichtbereich einer Bodenkontrollstation verbleibt.

Wenn ein solcher Synchronsatellit zusammen mit der oben angeführten Information ein Zeitsignal abstrahlt, das, einmal auf der Trägerfrequenz (/i) gesendet, vom Nutzer empfangen werden kann und das, auf einer anderen Frequenz (/2) gesendet, die Navigationssatellitensignale synchronisiert, so ist mit dieser einfachen Grundanordnung im Überdeckungsbereich des Synchronsatelliten nicht nur eine Positionsbestimmung, sondern auch die Durchführung weiterer navigationsbezogener Funktionen möglich, die nachfolgend beschrieben werden.

Da mit einem erdsynchronen oder quasi-erdsynchronen Satelliten nur ein Teil der Erdoberfläche versorgt werden kann, werden für ein global aufgebautes System gemäß der Erfindung mindestens drei derartige Synchronsatelliten zur globalen Informationsverteilung benötigt

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die wichtigsten Funktionen des erfindungsgemäßen Systems während einer Positionsbestimmung eines Nutzers,

Fig.2 ein Einweg-Entfernungsmeßverfahren zur Vermessung von Satellitenbahnen und zum Vergleich etwaiger Borduhren mit einer Bodenuhr, wobei von den vereinfachten Navigationssatelliten nur noch eine Trägerfrequenz abgestrahlt wird,

F i g. 3 eine Eigenpositionsbestimmung eines Nutzers mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems, wobei Bodentransponderstationen an die Stelle von einfachen Navigationssatelliten treten,

F i g. 4 die Durchführung einer Überwachung und die Abgabe eines Notrufes mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems und

F i g. 5 ein die gesamte Erdoberfläche überdeckendes System gemäß der Erfindung mit mindestens drei Synchronsatelliten mit zugehörigen Bodenkontroll- und Monitorempfangsstationen.

In Fig. 1 sind die wichtigsten Funktionen des erfindungsgemäßen Satelliten-Navigationssystems während einer Positionsbestimmung eines Nutzers P darstellt. In F i g. 1 sind ein erdsynchroner oder quasi-erdsynchroner Satellit, ein sogenannter Synchronsatellit M, sowie drei umlaufende einfache Satelliten, sogenannte Navigationssatelliten JVi bis A/3, dargestellt. Der Nutzer P, welcher in Form eines navigierenden Schiffes wiedergegeben ist, befindet sich auf der als Kreisfläche wiedergegebenen Erdoberfläche E, auf welcher ferner eine Bodenkontrollstation K und dieser zugeordnete Monitorstationen m angedeutet sind. Ferner sind die verschiedenen Verbindungen zwischen dem Synchronsatelliten M, den drei Navigationssatelliten A/i bis A/3, dem Nutzer P sowie der Bodenkontrollstation K durch verschiedene ausgezogene bzw. gestrichelte, mit entsprechenden Bezeichnungen versehene Linien schematisch angegeben.

Der Nutzer P empfängt auf einer Frequenz f\ Zeitsignale von den drei Navigationssatelliten A/i bis AZ₃ und von dem Synchronsatelliten M; die Signale sind durch zueinander orthogonale Kodes, welche an den einzelnen »Verbindungslinien« genauer angegeben sind, voneinander unterscheidbar. Das Signal von dem Synchron-Satelliten M enthält außerdem alle für eine Positionsbestimmung und für eine weitere Navigation erforderliche Information /_s. Diese Information I_s stammt von der Bodenkontrollstation K, welche die Information l_s fortlaufend auf einer weiteren Frequenz /3 zum Synchronsatel-Uten M sendet. Gleichzeitig wird auf der Frequenz /3 ein Zeitsignal mit einem Kode Km zum Synchronsatelliten M gesendet, wodurch der Zeitbezug zwischen einer in der Kontrollstation K untergebrachten Bodenuhr und der Zeit des Synchronsatelliten M sichergestellt wird.

Wenn die Navigationssatelliten Λ/ι bis AZ₃ das auszusendende Zeitsignal mit Hilfe eines stabilen, im jeweiligen Satelliten untergebrachten Bordoszillators erzeugen, so kann bei dem erfindungsgemäßen System die Stabilität der Bordoszillatoren etwa eine Größenordnung schlechter sein als beispielsweise bei dem geplanten amerikanischen Navigationssystem NAVSTAR-GPS, da bei dem erfindungsgemäßen Navigationssystem die Aktualisierung der Satelliten- und Uhrenparameter in wesentlich kürzeren Zeitabständen erfolgen kann, während dies bei dem System NAVSTAR-GPS im allgemeinen nur in einem 24-Stunden-Rhythmus möglich ist. Grundsätzlich können jedoch von dem erfindungsgemäßen Navigationssystem auch Navigationssatelliten anderer Systeme mitbenutzt werden, wenn die als Trägerfrequenz verwendete Frequenz f\ und die Zeitkodes K^ (für /= 1, 2, 3,..., n) aufeinander abgestimmt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Navigationssystem können die sogenannten Uhrenoszillatoren in den einzelnen Navigationssatelliten N\ bis A/3 vollkommen eingespart werden. Die Steuerung der Zeitsignale der Navigationssatelliten kann von dem Synchronsatelliten M aus erfolgen, indem die Zeitkodes Km auf einer weiteren Sendefrequenz /2 ausgesendet werden. Ein regenerativer Transponder in dem jeweiligen Navigationssatelliten N-, (wobei /= 1,2,3,..,, n-1, η ist) hat dann lediglich dafür zu sorgen, daß der empfangene Kode Kn und der gesendete Kode K_n gleichzeitig beginnen. Da der Nutzer P die Position aller Navigationssatelliten N; zu jedem Zeitpunkt dank der Information I_s kennt, kann der Nutzer P auch ausrechnen, mit welcher Verspätung die Aussendung des Kodes Kni von dem Satelliten A/; gegenüber der Aussendung des Kodes Km von dem Synchronsatelliten M erfolgt ist. Durch Vornehmen einer entsprechenden Korrektur an den gemessenen Einweg-Laufzeiten erhält der Nutzer Pdann einen Meßwertsatz, der genauso ausgewertet werden kann wie ein Satz Meßwerte, der von vier Satelliten mit exakt gleichlaufenden Borduhren erhalten worden wäre.

Im Unterschied zu herkömmlichen bzw. geplanten Systemen kann in dem Synchronsatelliten M ein hochstabiler Oszillator entfallen, wenn direkt die von der Bodenkontrollstation Kbeim Synchronsatelliten Meintreffenden Zeitsignale zur Steuerung des Zeittaktes aller Navigationssatelliten N₁- benutzt werden. Damit ist auf einfache Weise die zeitliche Kohärenz aller Navigationssignale im Bereich einer Bodenkontrollstation K bzw. eines Synchronsatelliten M sichergestellt, womit gleichzeitig alle bisherigen in Verbindung mit Borduhren auftretenden Schwierigkeiten entfallen sind.

Die Vermessung der Satellitenbahnen des Synchronsatelliten Mund der Navigationssatelliten A//sowie der Vergleich etwaiger Borduhren mit einer Bodenuhr in

der Kontrollstation K erfolgt zweckmäßigerweise nach dem bekannten Einweg-Entfernungsmeßverfahren, welches schematisch in F i g. 2 dargestellt ist. Vier synchronisierte Monitor-Empfangsstationen m messen die Ankunftszeit der Zeitsignale von den einzelnen Satelliten, nämlich dem Synchronsatelliten M und den verschiedenen Navigationssatelliten N₁-, bezüglich einer Bodenreferenzzeit und teilen das Meßergebnis der Kontrollstation K mit, welche hieraus die Satellitenbahnen und eventuelle Abweichungen einer Bordzeit berechnet.

Um Fehlereinflüsse der Ionosphäre messen und korrigieren zu können, werden bei bestehenden Systemen von den umlaufenden Navigationssatelliten jeweils Zeitsignale mit zwei verschiedenen Frequenzen ausgesendet. Bei dem erfindungsgemäßen Navigationssystem genügt es jedoch, wenn die Navigationssatelliten N,- ihr Zeitsignal nur noch auf einer einzigen Frequenz f\ abstrahlen, da der aktuelle Einfluß der Ionosphäre jederzeit durch auf zwei Frequenzen abgestrahlte Zeitsignale des Synchronsatelliten M bestimmt werden kann. Diese Information kann sich ein Nutzer im Bedarfsfall durch einen Empfang der zweiten Frequenz h direkt beschaffen. Im allgemeinen dürfte es jedoch ausreichend und auch wirtschaftlicher sein, wenn ein Nutzer seine Ausbreitungskorrekturen mit den Werten durchführt, die bei den Monitorstationen m und bei der Bodenkontrollstation K laufend anfallen und ihm zusammen mit der Information f_s (siehe Fig. 1) fortlaufend mitgeteilt werden.

Aufgrund der Einführung eines Synchronsatelliten M brauchen somit die verschiedenen Navigationssatelliten Ni nur eine Frequenz abzustrahlen, und der Nutzer braucht nur diese eine Frequenz zu empfangen; trotzßig kleinräumige, genaue Navigation relativ zu vorhandenen Fixpunkten erforderlich ist, beispielsweise für Flugzeuge im Flughafenbereich, für Schiffe im Hafen- und Küstenbereich sowie für Landfahrzeuge. Bei der Mitbenutzung solcher Bodentransponderstationen Ti ist besonders vorteilhaft, daß hier größere Sendeleistungen verfügbar sind, daß die Entfernungen zwischen Sender, d. h. den Bodentranspondern Ti, und dem Nutzer P geringer sind, daß bei einer nicht zu großen Entfernung

ίο zwischen den Transponderstationen Ti Ionosphäreneinflüsse praktisch wegfallen und daß für bestimmte Gebiete eine gleichbleibend optimale Anordnung und damit Geometrie von festen Referenzpunkten geschaffen werden kann.

Eine weitere Verwendungs- und Einsatzmöglichkeit, welche bei den bestehenden und den geplanten Satelliten-Navigationssystemen nicht gegeben ist, sind eine Überwachung und das Absetzen eines Notrufes. Die Überwachung kann durch eine Bodenkontrollstation K einfach in der Weise erfolgen, daß die zu überwachenden Fahrzeuge in einem bestimmten Rhythmus aufgerufen werden, damit sie auf einer weiteren Trägerfrequenz, beispielsweise /4, ihre Position zusammen mit der jeweiligen Fahrzeugkennung ausstrahlen. Diese Aussendung der Position zusammen mit der Fahrzeugkennung erfolgt zweckmäßigerweise völlig automatisch. Der Aufruf erfordert obendrein verhältnismäßig wenige Adressenbits im Rahmen der von der Bodenkontrollstation K ausgesendeten Information I_s. Dadurch ist erreicht, daß die zu überwachenden Fahrzeuge nacheinander in einem von der Bodenkontrollstation K zu bestimmenden Rhythmus ihre Position bekanntgeben. Hierbei können Empfänger dieser von jedem Fahrzeug ausgesendeten Positionsdaten sowohl benachbarte

dem kann jedoch eine Ausbreitungskorrektur entspre- 35 Fahrzeuge als auch nahegelegene Überwachungsstatio-

chend dem bekannten Zweifrequenzverfahren durchge- nen B oder besonders die Bodenkontrollstation K sein,

führt werden. welche die Positionsdaten mit der Fahrzeugkennung auf

In dem erfindungsgemäßen Navigationssystem kön- dem Umweg über den Synchronsatelliten M nach einer

nen alle Funktionen der verschiedenen Navigationssa- dort vorgenommenen Umsetzung auf einer weiteren

telliten N-, auch von einzelnen Bodenstationen ausge- 40 Trägerfrequenz, beispielsweise /5, erhält. Auf demselben

führt werden. In diesem Zusammenhang sind Bodenstationen mit regenerativen Transpondern von besonderem Interesse, welche das von einem Synchronsatelliten M empfangene Zeitsignal lediglich in der Frequenz und im Kode umsetzen und dann wieder abstrahlen. Da die Position dieser einzelnen Bodenstationen in einem erdfesten Koordinatensystem konstant bleibt, ist es nicht notwendig und insbesondere auch nicht zweckmäßig, diese Positionen über den Synchronsatelliten fortlaufend zu übertragen. Deshalb werden Position und Kennung der einzelnen Bodentransponder (Ti) zweckmäßigerweise auf das jeweilige Zeitsignal dieses Transponders in bekannter Weise aufmoduliert. Anhand von F i g. 3 wird eine Eigenpositionsbestim-Nachrichtenkanal können dann auch Notrufe zur Bodenkontrollstation K übertragen werden.

Neben den bisher beschriebenen und in Betracht gezogenen schmalbandigen Informationsübertragungen, welche mit einer sogenannten Spread-Spectrum-Technik und sehr schwach gebündelten, fahrzeugseitigen Antennen durchgeführt werden können, ist in vielen Fällen auch eine breitbandigere Kommunikationsstrecke zwischen den Nutzern P in Form von Fahrzeugen und der Bodenkontrollstation K erforderlich. Hierbei muß dann auf dem jeweiligen Nutzerfahrzeug Pein stärker gebündeltes Antennendiagramm auch bei den verschiedensten Fahrzeugbewegungen möglichst genau und ohne Unterbrechung auf den sogenannten Kommunikations-

mung eines Nutzers P mit Hilfe eines Synchronsatelliten 55 Satelliten ausgerichtet bleiben. Dies kann dann ebenfalls M beschrieben, wenn der Nutzer seine Positionskoordi- mit Hilfe des von einem Synchronsatelliten Mausgesennaten durch Empfang von Signalen von drei Boden- deten Navigationssignals gelöst werden, indem die

Richtung des ankommenden Signals bestimmt und als Bezugsrichtung für die automatische Antennensteue-

transpondern T\ bis T3, nämlich fi+Kn, ί\Λ·Κτ₂ und f\ + K-n, und eines Signals /1 + Km von dem Synchronsatelliten M bestimmt. Falls der Nutzer P seine Position nur zweidimensional ermitteln will bzw. zu ermitteln braucht, reicht es aus, wenn er die Signale von den drei Bodentranspondern T\ bis T3 empfängt; in diesem Fall muß dann allerdings mindestens einer der drei Transponder 71 bis Γ3 die vom Synchronsatelliten M erhaltene Information /_smit ausstrahlen.

Eine Installation solcher Bodentransponderstationen Ti ist überall dort von Interesse, wo eine verhältnismä-

rung verwendet wird. Dieses Nachsteuern der sogenannten Kommunikationsantenne ist besonders einfach, wenn der Synchronsatellit auch die Funktion des Kommunikationssatelliten ausübt; sie läßt sich jedoch auch mit einem verhältnismäßig geringen Mehraufwand realisieren, wenn ein anderer erdsynchroner Satellit als Kommunikationssatellit dient, dessen ungefähre Position, bezogen auf den Synchronsatelliten M, bekannt ist. Alle bisher beschriebenen Funktionen des erfin-

dungsgemäßen Satelliten-Navigationssystems sind jeweils auf den Bereich der Erdoberfläche beschränkt, der von einem Synchronsatelliten M abgedeckt werden kann. Zur Überdeckung der gesamten Erdoberfläche E sind jedoch mindestens drei Synchronsatelliten M; mit zugehörigen Bodenkontrollstationen K, und Monitor-Empfangsstationen m-,j erforderlich. Hierzu sind in F i g. 5 schematisch drei Synchronsatelliten M\ bis M%, eine größere Anzahl umlaufender Navigationssatelliten Ni bis N_n sowie auf der Erdoberfläche E drei Kontroll-Stationen K\ bis K$ und eine Anzahl Monitor-Empfangsstationen m\2 bis /η 23 dargestellt. Hierbei sind die Monitorstationen m^, m'\x, m^, m\$ und JJi₂A 17123 zweckmäßigerweise so angeordnet, daß sie jeweils zwei Synchronsatelliten M, M₂; Mi, M3 bzw. M₂, M% empfangen und die Meßwerte an jeweils zwei der Bodenkontrollstationen K\ bis Ki liefern. Hierdurch ist dann der bestmögliche Anschluß der einzelnen Teilsysteme untereinander erreicht. Aus Redundanzgründen" und wegen der Informationsübergabe von einem Teilsystem zum nächsten, d. h. von einer Bodenkontrollstation K₁ und der ihr zugeordneten Monitor-Empfangsstationen my, wird anzustreben sein, daß die Anzahl der Synchronsatelliten Mi größer als drei gewählt wird und daß die Bodenkontrollstationen K,- möglichst jeweils zwei Synchronsatelliten M-, erfassen.

Mit Synchronsatelliten, welche exakt stationär über einem Punkt des Äquators stehen, können allerdings nur Gebiete bis etwa 80° nördlicher und südlicher Breite erfaßt werden. Um mit dem erfindungsgemäßen Navigationssystem auch die Polgebiete mit Informationen zu versorgen, können entweder einige der Navigationssatelliten Mi welche auf polaren, d. h. über den Pol führenden Bahnen, umlaufen, mit speziellen Transpondern zur Übertragung der von dem Synchronsatelliten empfangenen Information I_s ausgerüstet werden oder die Synchronsatelliten Mi weisen bezüglich des Äquators geneigte Bahnen auf. In dem zuletzt angeführten Fall befinden sich dann die Synchronsatelliten M/ zeitweise über der nördlichen und zetiweise über der südlichen Erdhalbkugel und führen relativ zu einem festen Punkt auf der Erdoberfläche verschiedene Bewegungen aus. Dies als quasi-synchron bezeichneten Bahnen sind im Hinblick auf die Erfassung von Polgebieten optimierbar und in der Literatur bereits ausführlich beschrieben worden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Satelliten-Navigatiohssystem zur Übermittlung von kodierten Zeitmarken sowie von zusätzlichen Informationen zum Zwecke der Positionsbestimmung, Ortung, Navigation u.a., dadurch gekennzeichnet, daß eine größere Anzahl umlaufender Satelliten, sogenannte Navigationssatelliten (Ni) oder Bodenstationen (Ti), lediglich ein Zeitsignal mit Kodekennung abstrahlen und daß die Verteilung aller zur Positionsbestimmung, Ortung und Navigation erforderlichen Informationen einschließlich aller Daten über die umlaufenden Navigationssatelliten (Ni) und Bodenstationen (Ti) durch einige wenige erdsynchrone oder quasi-erdsynchrone Satelliten, sogenannte Synchronsatelliten (M) erfolgt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Information von den Synchronsatelliten (M) zusammen mit einem Zeitsignal genau auf der Frequenz (/1) erfolgt, auf welcher die Navigationssatelliten (N) ihre Zeitsignale aussenden.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitbezug zwischen den verschiedenen Satellitensignalen dadurch hergestellt wird, daß jeder der Synchronsatelliten (M) seinen Zeitkode auf zwei verschiedenen Frequenzen (f\ und &) aussendet, wobei mit der einen Frequenz (/1) die Zeitübertragung zum Nutzer und mit der anderen Frequenz (/2) die Zeitübertragung zu den einfachen Navigationssatelliten ^/Vy durchgeführt wird.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussendung des Zeitsignals von den einfachen Navigationssatelliten (Ni) nur auf einer einzigen Trägerfrequenz erfolgt und für eventuell erforderliche Korrekturen aufgrund ionosphärischer Einflüsse oder Störungen lediglich die auf den zwei verschiedenen Frequenzen (/1 und /2) abgegebenen Signale der Synchronsatelliten (M) genutzt werden.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Navigationssatelliten (N) die von einem Synchronsatelliten (M) empfangenen Daten und Zusatzinformationen weiter übertragen, wenn dies beispielsweise für die Versorgung von Polgebieten notwendig ist.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusammenarbeiten mit umlaufenden Bakensatelliten anderer Systeme durch Anpassung der einen Frequenz (/1) und von verschiedenen Zeitkodes (Kn) durchführbar ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Funktionen der Anzahl Navigationssatelliten (Ni) auch von Bodenstationen (Tj) erfüllt werden können, die in gleieher Weise von einem Synchronsatelliten (M) gesteuertwerden.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer automatischen Überwachung einzelne Fahrzeuge durch von einer Bodenkontrollstation über einen der Synchronsatelliten (M) in Verbindung mit dem Navigationssignal ausgesendete Information (Q nacheinander aufforderbar sind, damit sie ihre Position und Kennung auf einer weiteren Trägerfrequenz (/4) aussenden.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem der Synchronsatelliten (M) abgestrahlte Zeitsignal seitens eines navigierenden Fahrzeugs zur automatischen Aufrechterhaltung einer Kommunikationsverbindung genutzt wird, und zwar derart, daß die Richtung des eintreffenden Navigationssignals durch Peilung bestimmt und das gebündelte Antennendiagramm einer Kommunikationseinrichtung des navigierenden Fahrzeugs mit Hilfe der gemessenen Richtungswerte dem jeweiligen Synchronsatelliten (M) nachgeführt wird.

10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein globales Navigationssystem mindestens drei erdsynchrone oder quasi-erdsynchrone Satelliten (M) mit zugehörigen Bodenkontrolleinrichtungen (K) aufweist, die jeweils selbständig regional betreibbar sind, und daß eine größere Anzahl umlaufender Satelliten (Ni) von allen Teilsystemen in Form der Synchronsatelliten (M) mit ihren zugehörigen Bodenkontrolleinrichtungen gemeinsam genutztwerden.