1984年9月,美国联邦通讯委员会向国际电信联盟(ITU)递交了一份被命名为Geostar的新型无线电定位卫星系统(RDSS)的轨道设置和卫星特性的报告,根据国际频率登记委员会在1984年10月公布的这一系统的情况获知:正在研制中的这种“无线电定位”卫星系统是一种太空、地面或空中的信息传输系统,它通过卫星将移动的终端与地面站的计算机连接起来,可以完成下列任务:

· 导航定位。

· 无线电定位(将位置信息反馈给中心站)。

· 紧急情况定位。

· 向飞行员发出地形预报。

· 当正在飞行的飞机之间存在相撞的潜在危险时发出警告。

· 双向数字信息传送。

· 进场着陆引导。

· 地面信息基地间的相互沟通。

Geostar系统由三部分组成:配有计算机的地面站;相对地球占据固定轨道的两颗或更多颗人造卫星;由飞机、地面运载工具甚至个人携带的收发机。

最小的Geostar系统包括一个地面站和两颗人造卫星。其中一颗卫星把地面站输出的信息转送给用户并且将输入信息反馈给地面站;另一颗卫星把来自于用户的输入信息转送给地面站(如图1所示)。依赖光点电子波束,小型Geostar系统能够为接近于地球五分之一面积的区域服务。如果在太空设置六颗卫星和在地面建造三个地面站,那么由此组成的Geostar系统的有效服务区域就可覆盖除地球极纬区域外的任何地带(如图2所示)。

11.1.1

11.1.2

低成本的无线电收发机

Geostar系统配置的收发机既结构简单又成本低廉。所有收发机都使用同样带宽的无线电信道发射信息和接收信息。这种形式的信道能够接纳大量用户的原因有三个:

(1)每台收发机大部分时间都是“静默”的,只有在发射信息的瞬间才产生脉冲串。

(2)收发机采用“展开频谱”(spread spectrum)式传输方式。这种方式允许许多信息同时占用同一信道而互不干扰。

(3)卫星具有覆盖各个不同地区的光点电子波束。

因为所有的业务服务工作都是由在计算速度和存储容量方面可获得较大经济效益的专用大型计算机设施来完成,所以收发机的价格和用户的使用费用都比较低;计算机还能把每项业务交易与费用联系起来一同记入用户的账目中。

像其他航空电子设备一样,由飞机携带的收发机既可装在仪表板内,也可装在电子设备舱内。供人使用的最轻的收发机是便携式的并配备具有电键盘和液晶读数装置的计算器。这种收发机的电源是笔式照明(pen-light)电池组。

系统工作方式

每一台收发机都有其唯一的数字识别代码。代码由制造厂家设定,每一次转输的信息中都必须包含该代码。

通过选择位于每一输出信息前的收发机数字地址,地面站能够向所有收发机——或是一组,或是单独的一台传送信息。

Geostar系统由访问信号启动。从地面站每秒钟向系统发送许多次访问信号,并通过卫星转输给相关的所有收发机。收发机的常态是静寂的。

下面三种事件中的任一事件发生都能使收发机转入主动状态:预置延迟时间的截止;用户提出请求;地面站发来带有收发机辨识地址的“召唤”信息。当这三种事件中的任意一种事件发生使收发机进入主动状态时,收发机就以一种短促的突发应答信号对紧接着的输入信息作出响应。应答信号包括该收发机唯一的辨识代码,用户希望发送的有关信息以及误差检查代码和误差修正代码。应答完毕后,接收机自动关闭。

从非定向性天线发射的收发机信号至少通过两颗Geostar卫星传输给地面站,在那里,信号到达的时间与地势高度信息合在一起存入地面站的计算机内,以使地面站确定地面运载工具所带的、船载的和便携式的收发机的三度空间位置。

带有最小限度收发设备的飞机的高度位置是通过飞行员记录其巡航高度信息而获知的。对于配备有精密编码高度计的飞机,其高度气压表指示的高度作为收发机应省信息的一部分传送给地面站,并在地面站与当地高度气压表调定的现行数据相结合,以便进行飞机三度空间位置的计算。

地而站计算出的收发机的位置作为一种信息通过一颗卫星转输给具有该收发机辨识代码地址的用户。所有信息都通过正应答方式传输,这样可以判明这些信息是否都已正确地被接收,并且可以杜绝错误代码的混入、如果地面站收到一个没有接收到有关信息的通知,那么整个应答传输过程就自动重复一次。

Geostar系统完成一次传输过程需0.6秒钟,如果要重复一次就需延长0.7秒钟。

定位精确度评估

在Geostar系统中,高度定位误差常起因于仪表板上的高度表测量误差。如果是地面用户情况,则常起因于存储在地面站的数字式地形图的标定误差。经、纬度定位误差的大小取决于收发机应答和地面站接收信息的时间误差,每5微秒的应答或接收时间差,就可造成从卫星到接收机大约一米的距离误差。

由于卫星的轨道两两之间在经度上至少分隔30°,所以采用三角测量法测定收发机的经度位置可获得良好的精度。在标准情况下,Geostar系统可将收发机的经度位置精确至几米的误差范围。

除了紧靠赤道的区域外,三角测量法对确定收发机的纬度位置也是处处适宜的。在中纬,计算出的标准纬度误差是几米。在距赤道8公里处,纬度定位误差约为2公里;在距赤道160公里处,纬度定位误差在100.米以下。

因为Geostar系统是双向交互式系统,所以它应用并不昂贵的设备就能达到较高的定位精度;因为测位是以位置固定的基准收发机为基准,所以它消除了其他卫星定位系统的大部分误差(如电离层传播的中继偏差、受地球重力平面影响而导致的卫星位置偏差)。

如果采用信道话频通讯方式,就不可能实现像Geostar RDSS这样高精度、低成本、低功率损耗和非定向性天线的完美结合。的话频通道宽度所能达到的定位精度比16.5 MHz宽度的独立数字式通道的定位精度差大约3000倍,话频传送系统所需的平均电功率也是等效数字式信息传送系统的几百倍。

可观的系统容量

从理论上来说,类似于Geostar这样的无线电定位系统,只要不断地增加天线的直径,用大量光点电子波束覆盖给定的区域,其传输容量就可无限制的增长。

用一束光点电子波覆盖一个给定的区域当然最简单,但其传输容量却不能很大。如果我们把中继卫星的天线直径扩大两倍,而用四束光点电子波覆盖同样的区域,地面站就能够通过四束光点电子波中的某—束把需要传输的信息发送给一个特定用户(只要地面站知道该用户的大致位置),这样地面站就能够同时向四个用户传输信息,那么系统的传输容量就提高了四倍,而卫星工作所需的总功率却仍保持不变。这正是中继卫星天线设计的出发点之一。

将航空领域内可想象的最大负荷情况与Geostar型的RDSS中一束光点电子波的容量相比较有利于合理设计系统容量。以美国为例,在美国登记注册的大约有2600架班机、11000架非航线涡轮飞机和23400架活塞式飞机,在高峰期,共有大约12400架飞机在美国领空飞行,根据统计资料可知,飞机的典型飞行时间为90分钟。

飞机以巡航速度爬升和下降时其定位速率就要增加;在600米以下的高度飞行定位速率要进一步增加;在150米以下高度飞行,定位速率要增加到每0.5秒钟一次。

不管什么时候,地面站一旦探查到飞机面临潜在的碰撞威胁,计算机就自动控制系统增加定位速率。通过这种地面站的计算机程控,还可向飞行H发出碰撞警告。

为了使每一个飞行员清楚其飞机的环境状态,座舱内的Geostar收发机能够检读中继数据信道并向飞行员显示出他附近所有配备Geostar收发机的飞机的位置参数和速度。

系统负荷的上限是在这样一种极端情况下出现:每一架飞机都配备有Geos Ur收发机,每一架飞机飞行终了时都借助Geostar仪器进场和着陆。在典型的飞行剖面图情况下,每架飞机的平均定位速率是每90分钟定位520次,或者说,每10秒钟一次。

高峰情况下,大约每秒钟需定位1200次;即算是所有的12400架飞机都同时在空中,Geostar系统也能满足所需的定位要求。事实上,这个负荷量仅为Geostar系统容量的百分之几。

如果一切进展顺利的话,Geostar系统可望在1987年投入使用。

[《国际航空》,瑞士,1985年6月号]