Способы и устройства для навигационной системы с пониженной восприимчивостью к непреднамеренным и преднамеренным помехам

Способы и устройства для навигационной системы с пониженной восприимчивостью к непреднамеренным и преднамеренным помехам

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение относится в целом к навигационным системам и, в частности, к спутниковым навигационным системам, работающим в среде, подверженной преднамеренным и непреднамеренным помехам.

В последние годы пользователи глобальной системы определения местоположения (GSP) пользуются возможностями трехмерной навигации в режиме реального времени на ранее недоступном уровне качества. Если не считать чувствительности таких систем к непреднамеренным и преднамеренным помехам, в целом им удалось обеспечить обещанную точную спутниковую навигацию по всему миру. Тем не менее, пользователи продолжают требовать все более высокого качества навигации, особенно в отношении точности и достоверности, то есть в отношении способности навигационной системы обнаруживать ложную навигационную информацию.

К сожалению, наличие преднамеренных и/или непреднамеренных помех не позволяет в полной мере полагаться на GPS как на средство навигации, особенно для некоторых военных применений и применений в сфере обеспечения безопасности. Были разработаны различные процедуры на случай аварийных ситуаций для безопасного приземления летательного аппарата на запасных аэродромах. Однако зависимость от GPS в ее нынешнем виде может создать риск широкомасштабного нарушения воздушного сообщения и таким образом коммерческой деятельности в целом. Кроме того, все более широкое проникновение GPS в повседневную инфраструктуру, например в наземные и морские перевозки, а также в распределение электроэнергии по времени, Интернет, сотовые телефоны и финансовые операции, способствует повышению потенциальной уязвимости общества вследствие намеренного нарушения сигнала GPS в результате преднамеренной помехи.

Поскольку сигнал GPS относительно слаб (на терминалах с всенаправленной антенной пользователь принимает приблизительно 160 децибел на один ватт), требуется очень небольшая преднамеренная помеха, чтобы понизить навигационную способность. Например, достаточно недорогого передатчика помех мощностью 5 Вт, чтобы нарушить работу GPS в радиусе нескольких десятков миль, особенно если пользователь находится в зоне прямой видимости. Такая чувствительность свидетельствует против практического применения спутниковой навигации и, напротив, в пользу традиционных высокомощных средств навигации, используемых в авиации, некоторые из которых созданы ранее GPS. в том числе VOR, DME, ILS, TACAN и LORAN-C.

В настоящее время воздушные суда могут использовать GPS только в качестве вспомогательного средства навигации. Традиционных средств навигации достаточно для обычной работы и они обладают уровнем мощности, достаточным для обеспечения устойчивости к передатчикам помех, если бы с их помощью кто-то вознамерился нарушить коммерческие перевозки. Таким образом, из-за уязвимости сигнала GPS имеется мало стимулов воспользоваться значительными преимуществами спутниковой навигации, заключающимися в качестве и дешевизне. Принятые Федеральным авиационным управлением широкозонная усиливающая система (WAAS) и узкозонная усиливающая система (LAAS) обладают потенциальной возможностью обеспечивать дешевой системой посадки воздушных судов тысячи аэропортов по всей стране, что раньше было недоступно. В настоящее время Соединенные Штаты оплачивают две гражданские навигационные системы обеспечения безопасности: традиционную наземную систему и более новую и обладающую более широкими возможностями спутниковую систему.

Для борьбы с преднамеренными помехами имеется несколько способов, известных из уровня техники. Сущность этих способов заключается в (i) специальной конструкции спутника и (ii) конструкции приемника. Например, на спутнике всегда можно просто повысить общий уровень передаваемой на землю мощности. Однако за уровень мощности требуется заплатить определенную цену: каждый дополнительный ватт мощности увеличивает массу полезного груза спутника и соответственно стоимость запуска, так что значительное увеличение передаваемой мощности быстро становится слишком дорогим. Другой подход заключается в использовании более широкой полосы частот, что может обеспечить дополнительный выигрыш в отношении сигнал - помеха при обработке сигнала. Но и здесь требуется заплатить определенную цену: эффективное использование конечного спектра для множества целей требует значительного согласования во всемирном масштабе. Для GPS выделена определенная полоса частот и маловероятно, что когда-либо в обозримом будущем для нее будет выделена новая полоса частот.

Подходы к проблеме преднамеренных помех, относящиеся к конструкции приемника, в целом можно разделить на три категории: (i) формирование диаграммы направленности антенны; (ii) вырезание сигнала и (iii) усреднение. Для формирования диаграммы направленности антенны используются адаптивные многоэлементные комбинированные антенны, называемые антеннами с регулируемой диаграммой направленности (CRPA), где луч диаграммы направленности электронным образом направляется точно на спутник и тем самым исключается влияние передатчика помех. CRPA может также создавать провал в диаграмме направленности в предполагаемом направлении передатчика помех. В большинстве случаев CRPA могут быть весьма эффективными, хотя в целом они весьма дороги и громоздки. Кроме того, они обладают недостатком, заключающимся в том, что они становятся менее эффективными, когда линия визирования источника помех почти совпадает с линией визирования спутника или, что еще хуже, когда используется несколько распределенных источников помех. В этом случае законы физики создают математическое ограничение на количество и качество лучей и провалов, которые могут применяться в отношении набора источников помех для данной конструкции CPRA.

Под вырезанием понимается обработка широкополосного, докорреляционного сигнала, выполняемая в приемнике GPS. Поскольку характеристики сигнала GPS известны, то всякая избыточная мощность непосредственно наблюдается приемником в режиме реального времени и может быть вырезана посредством узкополосных режекторных фильтров, бланкирования импульсов или любыми другими более изощренными способами. Вырезание является эффективным и недорогим этапом обработки сигнала и его выполнение должно быть, как правило, общепринятой практикой. Однако самого по себе этого недостаточно для исключения всех эффектов шумовых и преднамеренных помех. Например, если источник преднамеренной помехи представляет собой широкополосный шум, приемник обнаружит наличие преднамеренной помехи, но не сможет применить вырезание для избирательного удаления какой-либо его части, если его характер заранее неизвестен. Существующие способы обработки сигнала, известные под названием пространственно-временная адаптивная обработка (STAP) и пространственно-частотная адаптивная обработка (SFAP), сочетают CRPA и вырезание в одном этапе обработки.

Способ усреднения направлен на фильтрацию как можно большего количества преднамеренных помех во время додетекторного интервала (PDI) приемника. Наиболее простая форма усреднения представляет собой выигрыш в отношении сигнал - шум в результате обработки, равный отношению докорреляционной полосы пропускания (20,46 МГц) к додетекторной полосе пропускания приемника (обычно 50 Гц). Для приемника, использующего Р(Y)-код, усреднение обеспечивает защищенность от преднамеренных помех на базовом уровне 56 дБ, да и то лишь в случае очень низкой динамики. Попытки улучшить этот уровень защищенности традиционно сталкивались с несколькими препятствиями на пути практического воплощения. Первое препятствие связано с тем, что модуляция данных, передаваемых со скоростью 50 бит в секунду, накладывается на несущую GPS. Такая модуляция фактически ограничивает величину PDI длительностью в 20 мс.

Одним способом, применяемым для попытки обойти ограничение в 20 мс для PDI, является расслоение данных. Поскольку сообщение, передаваемое GPS, меняется нечасто или предсказуемым образом, зачастую возможно использовать заранее записанные кадры для удаления большей части модуляции данных. К сожалению, в военной сфере и в сфере обеспечения безопасности на этот способ не всегда можно полагаться, поскольку заранее записанное сообщение данных не всегда соответствует фактическому передаваемому сообщению. Согласованность двух потоков данных может нарушиться под действием ряда факторов, включающих загрузку новых эфемерид, эксплуатационных ошибок и отказов системы. Любая несогласованность не способствует улучшению эксплуатационных качеств. Основное усовершенствование способа расслоения данных заключается в том, что спутники на низкой околоземной орбите (LEO) могут обеспечить глобальную упреждающую подачу битов данных GPS для устранения каких бы то ни было разрывов в работе. См., например, патентную заявку США №10/873,581, озаглавленную "Данные в режиме реального времени, способствующие повышению качества работы GPS", поданную 22 июня 2004 г.

К сожалению, вне зависимости от того, удалены ли данные из несущей GPS, остаются значительные препятствия при попытке сузить додетекторную полосу пропускания или использовании измерений низкого уровня сигнала. Сигналы GPS состоят из множества компонент, включающих в себя модуляцию псевдослучайным кодом и несущую частоту. В отсутствие непреднамеренных или преднамеренных помех приемники обычно отслеживают как код, так и несущую. В случае преднамеренной помехи большинство военных приемников прекращают отслеживание несущей и переходят к той или иной форме отслеживания только кода, при которой исходные додетекторные отсчеты длительностью 20 мс перемножаются с использованием колебаний дискриминатора скалярного произведения. Дискриминатор скалярного произведения считается в целом одним из наиболее эффективных дискриминаторов квадратичного типа. Эти отсчеты усредняются по продолжительному интервалу, достигающему порой нескольких десятков секунд, с целью устранения ошибки отслеживания кода. Наиболее широко используемое достоинство отслеживания кода на основе скалярного произведения заключается в том, что оно имеет несколько более высокую устойчивость к преднамеренным помехам по сравнению с отслеживанием только несущей. Идея заключается в том, чтобы использовать для вычитания динамики пользователя инерциальную навигационную систему (ИНС), тем самым обеспечивая усреднение зашумленных последетекторных отсчетов на продолжительном интервале. Наиболее комплексная версия устойчивого к помехам отслеживания на основе кодов называется "сверхжесткая связь" (UTC).

К сожалению сверхжестко связанные инерциальные системы являются эффективными только до определенного уровня защиты. Физические принципы, лежащие в основе таких систем, быстро ограничивает их способность противостоять значительным преднамеренным помехам. Во-первых, из-за квадратичных потерь, возникающих в дискриминаторе, требуется более длительное время интегрирования. Время интегрирования пропорционально квадрату отношения помеха - сигнал. Это означает, что при каждом удвоении мощности преднамеренных помех требуемая длительность интегрирования должна возрастать в четыре раза. Во-вторых, инерциальные приборы дают ошибки, которые со временем возрастают. Хотя некоторые инерциальные приборы могут обеспечить более высокое качество за более высокую цену, существуют практические физические пределы для промежутка времени, в течение которого инерциальный прибор может устранять динамику платформы, не требуя обновленных данных от GPS. Этот предел обычно определяется временем, которое требуется инерциальному шуму для достижения значительной части элемента кода, обычно около 5 м. При заданном качестве инерциальной системы зависимость от модуляции кода GPS дает определенный уровень преднамеренных помех, при котором ошибка по дальности превышает в процессе интегрирования некоторый порог и система становится бесполезной.

В предположении, что модуляцию данных GPS можно надежно удалить из несущей, иногда рассматривалась возможность согласованного отслеживания несущей, но такой вариант обеспечения повышенной помехозащищенности быстро отвергался. Такой поход традиционно считался непрактичным, поскольку приемник должен интегрировать несущую на стабильном интервале, причем стабильность не должна быть хуже 30 пикосекунд (промежуток времени, за который свет проходит 1 см). Трудность состоит в том, чтобы поддерживать требуемую стабильность при длительности интервала, превышающей 20 мс. В настоящее время основой подавляющего большинства GPS-приемников является типичный недорогой термостабилизированный кварцевый генератор (ТСХО). Стоимость этого элемента обычно находится в диапазоне от 10 до 20 долларов. При помощи ТСХО додетекторный интервал можно спокойно увеличить до большой доли секунды. Кроме того, ТСХО не обладает достаточной стабильностью.

Другими кандидатами являются более стабильные экзотические тактовые генераторы, такие как термостатированный кварцевый генератор или атомные часы на основе рубидиевого или цезиевого стандарта частоты, но даже эти высокостабильные тактовые генераторы вызывают такие трудности на практике, которые делают их непрактичными. Для обеспечения дополнительной помехозащищенности GPS на величину 30 дБ пользователю необходимо осуществлять интегрирование в районе 20 секунд. На этом уровне даже многие атомные часы не способны обеспечить необходимую стабильность. Вибрация, размеры и стоимость могут стать запредельными. Новый перспективный подход к созданию атомных часов микросхемного масштаба (CSOC) предполагает потенциальное сокращение через несколько лет стоимости, размеров, веса и мощности, но даже самые оптимистичные прогнозы относительно рабочих характеристик не дают достаточной стабильности частоты для обеспечения требуемой стабильности фазы на протяжении требуемого интервала. Некоторые термостатированные кварцевые генераторы (ОСХО) обладают требуемой стабильностью фазы на протяжении требуемого интервала. Однако такой ОСХО, как правило, громоздок, дорог и обладает большим энергопотреблением. Решение, основанное на таких высокостабильных эталонах времени, можно реализовать, только если не ограничивать стоимость, размеры, вес и энергопотребление, связанные с обеспечением точной регулировки температуры. Такое решение с сильной зависимостью от характеристик компонентов представляет собой сложную техническую задачу. Мощность, вибрация и стоимость становятся основными препятствиями. Требуется решение, которое могло бы обеспечить существенное улучшение рабочих характеристик при использовании стандартного недорогого ТСХО.

В военной, гражданской и коммерческой сферах существуют свои собственные проблемы, связанные с преднамеренными помехами, и способы их обойти. Военные обычно наиболее подготовлены для борьбы с преднамеренными помехами, поскольку они менее ограничены в средствах и имеют доступ к наиболее передовым технологиям. К сожалению, даже относительно маломощные источники преднамеренных помех способны нарушить работу пользовательского оборудования, находящегося от источника помех в пределах прямой видимости. В пользовательском оборудовании используется широкий спектр средств борьбы с помехами, часто в виде сочетания различных способов, включающих в себя CRPA и сверхжесткую инерциальную связь. Военные также предлагают ввести новый высокомощный сигнал в М-коде, который, как предполагается, увеличит мощность сигнала приблизительно на 20 дБ. Узконаправленные антенны с большой апертурой будут фокусировать более компактный луч на определенные области Земли с тем, чтобы сосредоточить на этих областях более высокую мощность сигнала. Однако даже если стоимость размещения такой высокомощной системы не является препятствием, пройдет еще много лет, прежде чем такая система станет доступна для использования. Поэтому требуется недорогое, немедленно реализуемое навигационное решение.

Представляется, что вышеприведенные решения, предложенные военными, если взять их в совокупности, обеспечивают разумную защищенность от многих типов преднамеренных помех, предсказываемых в ближайшем будущем. Однако эти решения могут также не оправдать ожиданий в случае реализации будущих вариантов создания преднамеренных помех, особенно, как указывалось выше, в отношении большого числа маломощных распределенных источников помех. Возможно, наибольшее значение имеет то, что описанные выше существующие решения имеют тенденцию быть дорогостоящими.

Уязвимость в гражданской сфере является значительной проблемой. Как указывалось выше, GPS уже имеет средства противостоять непреднамеренным помехам посредством добавления второй гражданской частоты. Поскольку для выполнения многих операций требуется только одна частота, то если одну частоту нельзя использовать из-за непреднамеренной помехи, другая с высокой вероятностью обеспечивает возможность работы. В качестве последнего средства воздушное судно при наличии непреднамеренной или преднамеренной помехи может уйти на запасной аэропорт.

С преднамеренными помехами дела обстоят значительно хуже. И в этом случае цель заключается в том, чтобы не позволить источникам помех систематически нарушать воздушное движение, что нарушило бы повседневную коммерческую деятельность. Коммерческий характер гражданской авиации требует, чтобы любое решение проблемы преднамеренных помех было экономически целесообразным. Предложение об установке на гражданских воздушных судах дорогостоящего пользовательского оборудования, взятого у военных, было воспринято отрицательно. До сих пор единственным жизнеспособным решением было продолжение эксплуатации существующих навигационных средств, таких как VOR, DME и ILS, которые работают на повышенной мощности. Поскольку спутниковые решения, такие как WAAS, не дают лицам, использующим авиацию, никаких дополнительных преимуществ, так как при этом существующие наземные средства также продолжают работать, у авиакомпаний имеется мало стимулов для перехода к спутниковой навигации.

Коммерческие пользователи также заинтересованы в сигнале, не искаженном помехами. Помимо возрастающей зависимости от GPS различных коммерческих функций в обществе, в том числе синхронизации Интернета, энергосистем, сотовых телефонных сетей и финансовых операций, существует также потенциальная угроза для интенсивности сигнала GPS, связанная с нормативной деятельностью, которая исходит от сверхширокодиапазонной (UWB) технологии. Хотя у UWB имеются большие перспективы, существует явная возможность помех, если диапазон GPS не будет надежно защищен с нормативной точки зрения. Если учесть, что иногда может потребоваться время для обеспечения согласованности нормативных актов, было бы желательно иметь доступ к экономичным техническим "предохранительным мерам", которые позволили бы пользователям защитить свои вложения в критическую инфраструктуру на основе GPS во время решающего перехода к сосуществованию с устройствами UWB.

В целом существующие системы и способы обеспечения помехозащищенности являются неудовлетворительными. Требуется навигационная система, которая обеспечивает высокую точность и надежность навигации при наличии шумовых и (или) преднамеренных помех, тем самым обеспечивая значительную и эффективную помехозащищеность в ближайшем будущем для широкого спектра применений, относящихся к GPS и спутниковой навигации, в том числе в военной, гражданской и коммерческой сферах.

Краткая сущность изобретения

Системы и способы, реализуемые в соответствии с настоящим изобретением, используют в целом сеть наземных опорных станций и спутников на низкой околоземной орбите (LEO) в сочетании с одним или несколькими спутниками GPS. Устанавливаются первые геометрические характеристики спутника GPS, находящегося в пределах общей видимости опорной станции и пользователя. Устанавливаются вторые геометрические характеристики спутника LEO, находящегося в пределах общей видимости опорной станции и пользователя. Наземная станция вырабатывает вспомогательные сигналы в режиме реального времени посредством проведения измерений фазы несущей для сигналов со спутников GPS и LEO. Эта вспомогательная информация передается через спутники LEO к приемнику пользователя на высокой мощности с тем, чтобы проникнуть сквозь окружающие преднамеренные помехи. Приемник пользователя обеспечивает синхронизацию с фазой несущей спутника LEO, демодулирует вспомогательную информацию, затем применяет измерения фазы несущей и вспомогательную информацию для обеспечения продолжительных согласованных измерений сигналов GPS. Тем самым система восстанавливает сигналы GPS, которые в противном случае были бы потеряны из-за преднамеренных помех. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает значительное улучшение помехоустойчивости при стоимости, размерах, весе и энергопотреблении, сравнимых с теми, что имеются у обычных GPS-приемников.

В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения навигационная система включает в себя опорный приемник; приемник пользователя; спутник глобальной системы определения местоположения (GPS), находящийся в пределах общей видимости опорного приемника и приемника пользователя, причем указанный опорный приемник и указанный приемник пользователя принимают зондирующий сигнал несущей частоты от спутника GPS; первый спутник на низкой околоземной орбите (LEO), находящийся в пределах общей видимости опорного приемника и приемника пользователя, причем опорный приемник и приемник пользователя выполнены с возможностью вычисления соответствующих первого и второго измерения зондирующего сигнала несущей частоты LEO; приемник пользователя выполнен с возможностью приема через спутник LEO первого измерения от опорного приемника и применения первого и второго измерений для построения априорной оценки фазы сигнала для зондирующего сигнала несущей частоты GPS, принятого приемником пользователя, причем эта априорная оценка используется в качестве основы для продолжительного интегрирования зондирующего сигнала несущей частоты в приемнике пользователя.

Краткое описание чертежей

Дальнейшее описание настоящего изобретения сопровождается нижеследующими чертежами, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и которые включают в себя:

Фиг.1 - схематический общий вид примерной архитектуры приемника пользователя в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - схематический общий вид с изображением работы системы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематический общий вид сети опорных станций в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - функциональная блок-схема приемника в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг.5 - функциональная блок-схема приемника и антенны с управляемой диаграммой направленности (CRPA).

Фиг.6 - функциональная блок-схема приемника и электронного модуля многолучевой антенны с управляемой диаграммой направленности в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 примерная конфигурация приемника в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения.

Фиг.8 - схематический общий вид примерного процесса расслоения данных.

Фиг.9 - схематический общий вид примерного процесса переноса времени.

Фиг.10 - функциональная блок-схема примерного низкоорбитального (LEO) коррелятора.

Фиг.11 - функциональная блок-схема примерного коррелятора GPS.

Фиг.12 - функциональная блок-схема примерного процесса навигации.

Фиг.13 - функциональная блок-схема процесса удлинения интервала.

Фиг.14 - функциональная блок-схема обобщенного фильтра Калмана.

Фиг.15 - блок-схема последовательности операций с изображением примерного процесса обновления.

Фиг.16 - график с изображением примерного цикла ошибок.

Фиг.17 - схематический общий вид навигационной системы с движущейся опорной станцией.

Фиг.18 - схематический общий вид системы, иллюстрирующий связи между LEO.

Подробное описание

Нижеследующее подробное описание имеет исключительно иллюстративный характер и не должно восприниматься в качестве ограничения изобретения или применения или использования изобретения. Кроме того, отсутствует какое-либо намерение связывать изобретение какими-либо явно выраженными или подразумеваемыми теоретическими соображениями, изложенными выше в разделах, относящихся к области техники, уровню техники и сущности, или в нижеприведенном подробном описании.

В настоящем документе изобретение может быть описано с точки зрения функциональных и/или логических компонентов и различных этапов способа. Следует иметь в виду, что такие компоненты могут быть реализованы в виде любого количества аппаратных, программных и/или аппаратно-программных компонентов, выполненных с возможностью выполнять определенные функции. Например, в варианте выполнения изобретения могут применяться различные компоненты интегральных схем, такие как элементы памяти, антенны, элементы обработки цифровых сигналов, логические элементы, просмотровые таблицы или тому подобные компоненты, которые могут выполнять различные функции под управлением одного или нескольких микропроцессоров или других управляющих устройств. Кроме этого, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может использоваться в сочетании с любым числом протоколов передачи данных и что система, описанная в настоящем документе, является лишь одним приведенным в качестве примера применением изобретения.

Для краткости традиционные способы, относящиеся к обработке сигналов, передаче данных, передаче сигналов, глобальным системам позиционирования, спутникам, управлению сетями и других подобным функциональным аспектам систем (и отдельным рабочим компонентам систем), могут подробно не описываться в настоящем документе. Кроме того, соединительные линии, приведенные на различных чертежах, содержащихся в настоящем документе, предназначены для представления примерных функциональных связей и/или физических соединений между различными элементами. Следует заметить, что в практически реализуемом варианте выполнения может иметься множество альтернативных или дополнительных функциональных связей или физических соединений.

На Фиг.1 приведен общий вид компонента приемника пользователя в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, а на Фиг.2 - общий вид навигационной системы 200, на примере которой можно проиллюстрировать работу настоящего изобретения. Как показано на Фиг.2, пользователь 202 пытается использовать один или несколько спутников 206 GPS, находясь в среде 204, подверженной преднамеренным и (или) непреднамеренным помехам. В системах, известных из уровня техники, наличие преднамеренных помех в среде 204 ограничивает или даже исключает использование спутников 206 GPS. Однако в соответствии с настоящим изобретением пользователю 202 через спутник 222 на низкой околоземной орбите (LEO) передается вспомогательная информация 220, 224, которая способствует восстановлению сигналов 208 GPS.

За пределами зоны преднамеренных помех размещены и установлены одна или несколько опорных станций 210, так чтобы они находились в пределах прямой видимости для спутников 206 GPS и не подвергались воздействию непреднамеренных или преднамеренных помех (в том числе непреднамеренных и преднамеренных помех, имеющих место в среде 204). Вспомогательная информация 220 от опорного приемника или приемников 210 передается на один или несколько спутников 222 на низкой околоземной орбите (LEO). Сигнал 224 со спутников LEO предпочтительно передается с достаточно высокой мощностью с тем, чтобы перекрыть мощность преднамеренной помехи в среде 204, так чтобы его мог принять пользователь 202. Вспомогательная информация 220, 224, ретранслируемая спутниками 222 LEO, принимается приемником 100 пользователя, как показано на Фиг, 1, а затем применяется к сигналу GPS с тем, чтобы позволить приемнику 100 пользователя специальной конструкции восстановить пригодный для использования сигнал GPS, несмотря на преднамеренные или непреднамеренные помехи.

Приемник 100 пользователя, приведенный на Фиг.1, обеспечивает поток данных в режиме реального времени по всем следящим каналам, чтобы с высокой точностью обеспечить поступление вспомогательной информации в корреляторы в режиме реального времени, например с точностью на уровне сантиметров. Эта способность обеспечивать позиционирование и синхронность на уровне сантиметров позволяет приемнику согласованно отслеживать сигналы GPS в течение продолжительных периодов.

В отличие от традиционных способов обеспечения помехоустойчивости в настоящем изобретении основной упор делается на компонент, относящийся к синусоидальному сигналу несущей частоты GPS, нежели на псевдослучайный код. Для этого способа не имеет значения, используется ли гражданский код С/А или военные коды P(Y) или М. Эти коды используются для дифференциации спутниковых сигналов и инициализации работы. Помимо этого синусоидальная несущая обеспечивает существенные характеристики, предоставляя одновременно (i) значительно улучшенную помехоустойчивость, благодаря устранению квадратичных потерь, и (ii) значительно улучшенную точность, обеспечивая точное определение дальности в условиях преднамеренных помех.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения вводится избыточность в виде по меньшей мере двух опорных станций и двух спутников LEO, так чтобы выход из строя любой части системы не повлиял на ее работу. Более конкретно, как показано на Фиг.3, в двухплечевом варианте изобретения 300 используется пара спутников LEO 222(a) и 222(b) и опорных станций 210(а) и 210(b), чтобы обеспечить постоянную доступность опорной информации для спутников 206 GPS, находящихся в пределах видимости пользователя 202.

Спутники 222 LEO могут быть любыми спутниками, находящимися на низкой околоземной орбите. В предпочтительном варианте выполнения система включает в себя совокупности спутников 222 LEO, так чтобы над головой пользователя 202 был, по существу, всегда по меньшей мере один спутник. Совокупности спутников LEO, пригодные для настоящего изобретения, включают в себя, например, спутники, предлагаемые системами Iridium и Globalstar. Обе эти совокупности спутников LEO предназначены для телефонии, а поскольку в телефонии средняя скорость передачи данных примерно в 100 раз выше номинальной для GPS скорости 50 бит в секунду, этот избыток можно преобразовать в дополнительную мощность передачи. Иными словами, если скорость передачи данных спутника 222 LEO сделать сравнимой со скоростью передачи данных GPS, то мощность сигнала LEO будет на 20 дБ больше мощности сигнала GPS. Если включено множество нисходящих линий связи, что соответствует множеству телефонных звонков, то мощность можно повысить еще больше. Например, если на одну нисходящую линию связи выделено 10 телефонных звонков, то вспомогательный сигнал 224 будет приблизительно на 30 дБ более мощным, чем сигнал GPS. Это означает, что вспомогательный сигнал обладает на 30 дБ более высокой помехоустойчивостью.

Передачу сигналов GPS осуществляет в двух диапазонах: L1 с частотой 1575,42±12 MHz и L2 с частотой 1227,604±12 MHz. Передача в системе Iridium осуществляется в диапазоне от 1616,0 до 1626,5 МГц, а в системе Globalstar - в диапазоне от 2483,5 до 2500,0 МГц. Приемник, способный принимать как сигналы спутника GPS, так и сигналы спутника LEO, обеспечивает высокоточную систему определения местоположения, синхронизации и связи, известную под названием iGPS. Система защиты от помех iGPS может работать с любой частотой GPS или с обеими частотами.

В предпочтительном варианте выполнения используется аналогичный помехоустойчивый приемник iGPS на обеих опорных станциях 210 и в местонахождении 202 пользователя. Примерный приемник 400, основанный на архитектуре программного приемника, приведен на Фиг.4. Благодаря повышенной вычислительной мощности в расчете на кристалл и на единицу стоимости и новым полупроводниковым технологиями, таким как высокоскоростные, маломощные радиочастотные конструкции на кремнегерманиевой основе, программные приемники становится все более просто создать. Результатом является более низкая стоимость, сокращенный срок разработки, меньшие размеры, вес и мощность и в первую очередь чрезвычайная гибкость в отношении соединения компонентов друг с другом и построении более крупных систем. Следует понимать, что в специализированных вариантах изобретения технологии программных приемников может оказаться недостаточно и что может потребоваться конструкция, оптимизированная на основе иных критериев.

Как показано на Фиг.4, приемник 400 включает в себя многочастотную антенну 402, используемую для приема сигналов 401 со спутников. Антенна 402 соединена с одним или несколькими фильтрами 404 предварительного выбора, усилителем 406 и АЦ-преобразователем 408. Синтезатор 413 принимает сигнал от терморегулируемого кварцевого генератора (ТСХО) 410 и соединен, как показано на чертеже, с компьютером 414, инерциальным прибором 412 и АЦ-преобразователем 408. Компьютер 414 принимает исходные данные измерений от инерциального прибора 412, а также входные данные от синтезатора 413 и АЦП 408 для получения выходных данных, характеризующих местоположение, высоту и время (420). Частота дискретизации АЦП 408 предпочтительно выбирается при помощи способа, изложенного в следующей публикации: Mark L.Psiaki, Steven P.Powell, Нее Jung, and Paul M.Kintner, Jr., "Design and Practical Implementation of Multi-Frequency RF Front Ends Using Direct RF Sampling." ION-GNSS, Long Beach, September, 2004. Таким образом, система преобразует в основную полосу частот все представляющие интерес диапазоны.

Правильный выбор частоты дискретизации обеспечивает приемлемое спектральное разделение, охватывающее интервал Найквиста от нуля до половины частоты дискретизации. В предпочтительном варианте выполнения, например в таком, который можно применять в гражданской авиации, антенна 402 является антенной с фиксированной диаграммой направленности (FRPA), что позволяет избежать дороговизны, громоздкости и сложности антенны с управляемой диаграммой направленности (CRPA). Для военных применений - особенно для использования на военных платформах - более желательно, чтобы антенна 402 представляла собой CRPA.

Существует два способа реализации CRPA. Первый - это комплексный подход, приведенный на Фиг.5. В целом, число антенных входов 401 на входном каскаде приемника 400 увеличивается до желательного числа антенных элементов CRPA. С антеннами 401 соединено множество соответствующих АЦП 408, инверторов 406 и фильтров 404. Затем в программном обеспечении, встроенном в компьютер (или в процессор цифровых сигналов) 504, осуществляется STAP/SFAP-обработка 502, как показано на чертеже.

Второй подход заключается в том, чтобы между антенной решеткой и приемником iGPS вставить электронный модуль многолучевой регулируемой антенны (MBS АЕ). Такой вариант выполнения приведен на Фиг.6. Этот модуль немного изменен, чтобы повторять STAP/SFAP-обработку 502 с сигналами LEO так же, как и сигналами GPS. При этом диапазон системы Iridium лежит очень близко к диапазону L1 GPS.

Внутри помехоустойчивого программного приемника iGPS обработка начинается с фильтра 404 предварительного выбора для каждого диапазона GPS (L1 и (или) L2) и для сигнала LEO (такого как Iridium или Globalstar). Поскольку программный приемник 400 может быть сконструирован таким образом, чтобы выполнять непосредственное преобразование с понижением частоты, желательно чтобы фильтры имели резкие границы. Примером требуемых электрических компонентов может служить специализированный радиочастотный чип IBM IBM43GAENGP0001. Этот приемник содержит интегральную кремнегерманиевую микросхему, которая обеспечивает полосу пропускания, автоматическую регулировку усиления (АРУ) и функции непосредственной радиочастотной дискретизации.

В предпочтительном варианте выполнения конструкция приемника обеспечивает выполнение измерений для различных диапазонов в один и тот же интервал дискретизации относительно одной и той же шкалы времени. После преобразования сигнала в цифровую форму архитектура не позволяет ввест