用于提供具有全球覆盖的空中交通管制的系统和方法与流程
本发明涉及用于提供具有全球覆盖的空中交通管制的系统和方法，尤其是涉及使用卫星来提供空中交通管制的系统和方法。更具体地说，本发明涉及使用优化的卫星星座来利用模拟调幅双边带传输在vhf频率范围内提供具有全球覆盖的天基空中交通管制的系统和方法。
背景技术：
1、空中交通管制(atc)是空中交通管制员通过引导航空器并且提供支持和信息来向航空器的飞行员提供的服务。为了这个目的，地球的领空被国际民航组织(icao)划分为飞行情报区(fir)。这些飞行情报区中的每个都由区域管制中心(acc)服务，acc也被称为空中航线交通管制中心。飞行情报区一般包括区域管制中心所在的国家的领土上方的领空或其一部分。它还可以包括国际水域。飞行情报区可以被进一步划分为扇区(sector)。
2、atc系统基于vhf或uhf范围内的、地面站和航空器之间的模拟通信。其中，使用rf载波的模拟调幅。对于飞行情报区的每个扇区，分配特定的通信频率。
3、对于国际水域，可能发生飞行情报区的扇区不能被位于负责飞行情报区的国家中的地面站覆盖，或者根本不能被地面站覆盖。在这种情况下，所有的航空器都必须另外配备特殊的远程通信设备。这种远程通信设备可以要么使用hf(短波)装置，要么使用卫星。在两种情况下，这些远程通信系统不使用vhf频带，并且必须可与正常的vhf设备并行使用。
4、ep3758253a1描述了使用卫星来在地理扇区内提供天基空中交通管制的系统和方法。所述系统包括多个卫星，这多个卫星被配置为以被分配给地理扇区的vhf或uhf范围内的通信频率、使用模拟调制rf信号来与地理扇区中的航空器通信。卫星在同一轨道中基本上彼此相距一定距离移动，所述轨道是中地球轨道或低地球轨道，例如赤道轨道。在每个时间，只有一个卫星在被分配给地理扇区的通信频率上活跃地传输。为了这个目的，所述多个卫星中的一个在它到达预定位置时被切换为活跃以用于与航空器通信，并且活跃至那时的卫星同时被关闭。然而，利用这样的系统，只有在卫星的地面轨迹附近的有限数量的地理扇区可以被服务。
5、us6556808b1描述了一种卫星通信系统，该卫星通信系统包括遵循地球上的固定地面轨迹的非对地静止轨道卫星星座以及地面终端，地面终端对于单个地面轨迹中的卫星中的至少一个具有基本连续的可见性。利用这样的系统，地面终端只需要具有有单个扫描运动轴线的天线，因为它们不必在两个维度上扫描整个太空。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种用于通过使用每个航空器中存在的未修改的标准vhf设备来提供从卫星到位于全球任何位置处的任何地理扇区中的空中交通管制，而无需额外的远程通信设备或航空器内部的其他特定的额外的通信设备。
2、所述目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的进一步发展在从属权利要求中指示。其中，产品权利要求也可能进一步受到从属方法权利要求的特征的限制，反之亦然。
3、根据第一方面，提供一种用于在地理扇区内提供空中交通管制的系统，vhf或uhf范围内的通信频率被分配给所述地理扇区。所述系统包括多个卫星，所述多个卫星被配置为以预定通信频率、使用模拟调制rf信号来与地理扇区中的航空器通信。卫星在中地球轨道或低地球轨道中移动。各个卫星的轨道是相互不同的，但是具有相同的地面轨迹，在所述地面轨迹上，各个卫星彼此相距一定距离移动。所述系统以如下方式被配置，即，所述多个卫星中的一个在它到达预定位置时被切换为活跃以用于与航空器通信，活跃至那时的卫星同时被关闭，以使得在每个时间，只有一个卫星在被分配给地理扇区的预定通信频率上活跃地传输。
4、地理扇区可以例如是如由icao定义的飞行情报区或其一个扇区。vhf和uhf是由国际电信联盟(itu)国际标准化的频率范围。对于民用航空无线电导航服务和航空移动无线电通信服务，保留从108到137mhz的频率范围，以使得所述系统优选地在该频率范围内操作。对于军事用户，使用137和144mhz之间的vhf频带中或225和400mhz之间的uhf频带中的频率。一般来说，本文中描述的系统可以通过使用模拟调制rf信号来提供从太空到位于全球任何地方的地理区域中的服务。
5、在第一方面的实现形式中，卫星在恒星日期间围绕地球的转数是以如下方式选择，即，地面轨迹使得能够对位于地球表面上的任何地方的任何地理扇区提供空中交通管制。
6、在第一方面的进一步的实现形式中，卫星的轨道被同步到对于地球旋转一周的一个恒星日的地球旋转周期。其中，轨道周期to优选地被选择为：
7、
8、转数nr是整数，δto是用于补偿由于地球的引力场中的不均匀性、太阳风和地球围绕太阳的旋转而导致的轨道偏差的修正项。
9、在第一方面的进一步的实现形式中，其中卫星的轨道的升交点的赤经相互偏移预定角度，优选地相互偏移：
10、
11、其中ns是卫星的数量。
12、在第一方面的进一步的实现形式中，两个接连的卫星之间的真近点角偏移预定角度，优选地偏移：
13、
14、在第一方面的进一步的实现形式中，轨道的倾角是以地球的极地地区能被服务的方式选择的，其中倾角优选地为75°或更大，更优选地，倾角为86.4°。
15、在第一方面的进一步的实现形式中，卫星的数量和海拔是以如下方式选择，即，在每个时间，卫星中的至少一个(优选地至少两个)在预定的地理区域内具有最小仰角和最大仰角之间(优选地5°和60°之间)的预定义范围内的仰角。
16、在第一方面的进一步的实现形式中，卫星配备有多于一个的vhf和/或uhf天线以并行地为至少两个地理扇区服务。
17、在第一方面的进一步的实现形式中，vhf和/或uhf天线被布置成对称配置，从而与卫星从北到南或从南到北的飞行方向无关地以相同的方式照射扇区，和/或vhf和/或uhf天线被布置成允许卫星对地球保持恒定的朝向的配置。
18、在第一方面的进一步的实现形式中，卫星对地球保持恒定的朝向。
19、在第一方面的进一步的实现形式中，卫星进一步被配置为执行数字通信，优选地经由vhf数字链路。
20、在第一方面的进一步的实现形式中，卫星被配置为通过使用发射频率的偏移来执行多普勒预补偿。
21、在第一方面的进一步的实现形式中，其中多普勒预补偿在不同的通信模式之间是不同的。
22、在第一方面的进一步的实现形式中，定义地区的地理上固定的网格，并且对于这些地区中的每个，只有一个卫星活跃地传输，其中地区内的南北方向上的最大距离等于飞行方向上的卫星之间的距离，和/或地区的大小适应相对于纬度的特定地理位置，和/或地区被形成为三角形和/或矩形区域，和/或以如下方式相对于地面轨迹定义地区，即，向相应地区的卫星活跃地传输的仰角不超过60°，和/或以如下方式相对于地面轨迹定义地区，即，被分配给从北到南移动的卫星的地区和被分配为从南到北移动的卫星的地区形成叉指结构，和/或以如下方式定义地区，即，对于不同的服务，地区具有不同的大小和/或形式，和/或以如下方式定义地区，即，与vdl一起使用的地区包括六角形结构。
23、根据第二方面，提供一种用于在地理扇区内提供空中交通管制的通信方法，vhf或uhf范围内的预定通信频率被分配给地理扇区。所述方法包括在多个卫星和地理扇区中的航空器之间、以预定通信频率、使用模拟调制rf信号来建立通信链路。卫星在中地球轨道或低地球轨道中移动。各个卫星的轨道是相互不同的，但是具有相同的地面轨迹，在所述地面轨迹上，各个卫星彼此相距一定距离移动。所述多个卫星中的一个在它到达预定位置时被切换为活跃以用于与航空器通信，活跃至那时的卫星同时被关闭，以使得在每个时间，只有一个卫星在被分配给地理扇区的预定通信频率上活跃地传输。
24、应理解，本发明的实施例也可以是从属权利要求或以上实现形式与相应的或其他的独立权利要求或以上方面的任何组合。
技术特征：
1.一种用于地理扇区(102)内提供空中交通管制的系统(100)，vhf或uhf范围内的预定通信频率被分配给所述地理扇区(102)，
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述卫星在恒星日期间围绕地球的转数(nr)是以如下方式选择的，即，所述地面轨迹(gt)使得能够对位于地球表面(101)上的任何地方的任何地理扇区(102)提供空中交通管制。
3.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其中
4.根据权利要求1至3之一所述的系统(100)，其中所述卫星(120)的轨道的升交点的赤经(raar)相互偏移预定角度，优选地相互偏移：
5.根据权利要求1至4之一所述的系统(100)，其中两个接连的卫星(120)之间的真近点角(ta)偏移预定角度，优选地偏移：
6.根据权利要求1至5之一所述的系统(100)，其中所述轨道的倾角是以地球的极地地区能被服务的方式选择的，其中所述倾角优选地为75°或更大，更优选地所述倾角为86.4°。
7.根据权利要求1至6之一所述的系统(100)，其中所述卫星(120)的数量和海拔是以如下方式选择的，即，在每个时间，所述卫星(120)中的至少一个、优选地至少两个在预定地理区域内具有最小仰角(βmin)和最大仰角(βmax)之间、优选地5°和60°之间的预定义范围内的仰角(β)。
8.根据权利要求1至7之一所述的系统(100)，其中所述卫星(120)配备有多于一个的vhf和/或uhf天线以并行地为至少两个地理扇区服务。
9.根据权利要求8所述的系统(100)，
10.根据权利要求1至9之一所述的系统(100)，其中所述卫星(120)对地球保持恒定朝向。
11.根据权利要求1至10之一所述的系统(100)，其中所述卫星(120)进一步被配置为执行数字通信，优选地经由vhf数字链路。
12.根据权利要求1至11之一所述的系统(100)，其中所述卫星(120)被配置为通过使用发射频率的偏移来执行多普勒预补偿。
13.根据权利要求12所述的系统(100)，其中所述多普勒预补偿在不同的通信模式之间是不同的。
14.根据权利要求1至13之一所述的系统(100)，其中定义地区(r1a至r6b)的地理上固定的网格，并且对于这些地区(r1a至r6b)中的每个，只有一个卫星(120)活跃地传输，其中
15.一种用于在地理扇区(102)内提供空中交通管制的通信方法，vhf或uhf范围内的预定通信频率被分配给所述地理扇区(102)，
技术总结
本发明涉及用于提供具有全球覆盖的空中交通管制的系统和方法。一种用于在被分配VHF或UHF范围内的预定通信频率的地理扇区内提供空中交通管制的系统包括被配置为以预定通信频率、使用模拟调制的RF信号来与地理扇区中的航空器通信的多个卫星。卫星在中地球轨道或低地球轨道中移动。各个卫星的轨道相互不同、但是具有相同的地面轨迹，在地面轨迹上，各个卫星彼此相距一定距离移动。系统(100)是以如下方式被配置，即，所述多个卫星中的一个在它到达预定位置时被切换为活跃以用于与航空器通信，活跃至那时的卫星同时被关闭，以使得在每个时间，只有一个卫星在分配给地理扇区的预定通信频率上活跃地传输。
技术研发人员：T·博格
受保护的技术使用者：罗德与施瓦兹两合公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23