CN101460861B

CN101460861B - 通用化的高性能导航系统

Info

Publication number: CN101460861B
Application number: CN200780018051.5A
Authority: CN
Inventors: 克拉克·E·科恩; 戴维·A·惠伦; 罗伯特·W·布伦利; 巴顿·G·费雷尔; 格雷戈里·M·格特
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: CN101460861A; US7554481B2; US20080169958A1

Abstract

提供了一种使用近地轨道(LEO)卫星的通用化的高性能导航系统。在一个实施例中，一种执行导航的方法包括：从LEO卫星接收LEO信号；从LEO信号解码导航信号；分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距信号；确定与第一和第二测距源相关联的校准信息；以及使用导航信号、第一和第二测距信号以及校准信息来计算位置。在另一实施例中，一种从LEO卫星提供LEO信号的方法包括：在多个发送间隙上提供多个发送信道，其中发送信道包括一组通信信道和一组导航信道；产生与导航信号对应的第一伪随机噪声(PRN)测距覆盖区；将第一PRN测距覆盖区施加到第一组导航信道；以及将通信信道和导航信道组合为LEO信号。该方法还包括：从LEO卫星广播LEO信号。还提供了近地轨道(LEO)卫星数据上行链路。一种方法包括向LEO卫星广播数据上行链路信号。还提供了用于导航信号的局部干扰的各种方法。在操作区域上广播调制噪声信号以提供与导航信号对应的多个干扰突发串。将干扰突发串配置成在操作区域中基本上屏蔽导航信号。

Description

通用化的高性能导航系统

技术领域

本发明一般地涉及导航，更具体地涉及基于卫星的导航技术。

背景技术

导航系统的性能可以由该系统提供的导航测量结果(measurement)中的误差分布(例如，准确度)确定。系统性能还可取决于当不应当使用该系统时该系统向用户提供及时警报的能力(例如，完备性(integrity))。也可以通过导航系统从冷启动起花费多长时间取得其第一个位置定位(fix)(例如，到第一个定位的时间)来测量性能。另外，系统性能可取决于指定性能参数落入指定限度内的时间段(fraction)或特定情形(例如，可用性)。

不幸的是，由各种现有的导航系统提供的导航信号常常没有提供令人满意的系统性能。具体地说，这种导航信号的信号功率、带宽和几何支持(geometrical leverage)通常不足以满足许多要求苛刻的使用场景的需要。

例如，基于全球定位系统(GPS)信号的现有导航方法常常提供不足以容易地穿过建筑物或城市峡谷(urban canyon)的信号功率或者几何图形(geometry)。这样的信号也可能在恶劣环境中易于受到干扰，并且可能阻止它们在生命安全(safety-of-life)应用中的使用。例如，基于蜂窝电话或电视信号的其它导航方法典型地缺乏垂直(vertical)导航信息。

发明内容

根据本发明的一个实施例，一种执行导航的方法包括：从近地轨道(LEO)卫星接收LEO信号；从该LEO信号解码导航信号；分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距(ranging)信号；确定与第一和第二测距源相关联的校准信息；以及使用导航信号、第一和第二测距信号、以及校准信息来计算位置。

根据本发明的另一实施例，一种导航装置包括：天线，被适配为从LEO卫星接收LEO信号，并且分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距信号；接收机处理器，被适配为将LEO信号下变频(downconvert)以供进一步处理；以及导航处理器，被适配为从LEO信号解码导航信号，并被适配为使用导航信号、第一和第二测距信号、以及与第一和第二测距源相关联的校准信息来计算该导航装置的位置。

根据本发明的另一实施例，一种导航装置包括：用于从LEO卫星接收LEO信号的部件；用于从LEO信号解码导航信号的部件；用于分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距信号的部件；用于确定与第一和第二测距源相关联的校准信息的部件；以及用于使用导航信号、第一和第二测距信号、以及校准信息来计算位置的部件。

根据本发明的另一实施例，一种从LEO卫星提供LEO信号的方法包括：在多个发送间隙(slot)上提供多个发送信道，其中发送信道包括一组通信信道和一组导航信道；产生与导航信号对应的第一伪随机噪声(PRN)测距覆盖区(overlay)；将第一PRN测距覆盖区施加到第一组导航信道；将通信信道和导航信道组合为LEO信号；以及从LEO卫星广播该LEO信号。

根据本发明的另一实施例，一种LEO卫星包括：天线，被适配为从该LEO卫星广播LEO信号；和处理器，该处理器被适配为：在多个发送间隙上提供多个发送信道，其中发送信道包括一组通信信道和一组导航信道，产生与导航信号对应的第一PRN测距覆盖区，将第一PRN测距覆盖区施加到第一组导航信道，以及将通信信道和导航信道组合为LEO信号。

根据本发明的另一实施例，一种LEO卫星包括：用于在多个发送间隙上提供多个发送信道的部件，其中所述发送信道包括一组通信信道和一组导航信道；用于产生与导航信号对应的第一PRN测距覆盖区的部件；用于将第一PRN测距覆盖区施加到第一组导航信道的部件；用于将通信信道和导航信道组合为LEO信号的部件；以及用于从LEO卫星广播LEO信号的部件。

根据本发明的另一实施例，一种提供到LEO卫星的数据上行链路的方法包括：使用从LEO卫星接收的LEO信号、从第一测距源接收的第一测距信号、和从第二测距源接收的第二测距信号来确定位置信息；使用本地时钟参考(clock reference)和LEO卫星时钟参考来确定定时提前(timing advance)参数；准备要向LEO卫星广播的、包括上行链路数据的数据上行链路信号；使用定时提前参数将数据上行链路信号与LEO卫星同步；以及向LEO卫星广播该数据上行链路信号。

根据本发明的另一实施例，一种数据上行链路装置包括：天线，被适配为：从LEO卫星接收LEO信号，分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距信号，并向LEO卫星广播数据上行链路信号；以及处理器，被适配为：使用LEO信号、第一测距信号和第二测距信号来确定位置信息，使用本地时钟参考和LEO卫星时钟参考来确定定时提前参数，准备要向LEO卫星广播的、包括上行链路数据的数据上行链路信号；以及使用定时提前参数将数据上行链路信号与LEO卫星同步。

根据本发明的另一实施例，一种数据上行链路装置包括：用于使用从LEO卫星接收的LEO信号、从第一测距源接收的第一测距信号和从第二测距源接收的第二测距信号来确定位置信息的部件；用于使用本地时钟参考和LEO卫星时钟参考来确定定时提前参数的部件；用于准备要向LEO卫星广播的、包括上行链路数据的数据上行链路信号的部件；用于使用定时提前参数将数据上行链路信号与LEO卫星同步的部件；以及用于向LEO卫星广播数据上行链路信号的部件。

根据本发明的另一实施例，导航信号包括由LEO卫星提供的LEO信号的至少一部分，一种执行导航信号的局部干扰(localized jamming)的方法包括：将噪声源滤波到多个频带中以便在所述频带中提供多个滤波后(filtered)的噪声信号，其中导航信号散布(spread)在LEO信号的多个信道上，其中所述信道分布在所述频带和多个时隙上；产生与由LEO卫星使用的调制序列对应的PRN序列以将导航信号散布在所述信道上；使用PRN序列调制滤波后的噪声信号以提供多个调制噪声信号；以及在操作区域上广播该调制噪声信号以提供与导航信号对应的多个干扰突发串(bursts)，其中干扰突发串被配置为在操作区域中基本上(substantially)屏蔽(mask)导航信号。

根据本发明的另一实施例，导航信号包括由LEO卫星提供的LEO信号的至少一部分，一种被配置为执行导航信号的局部干扰的干扰装置包括：噪声源，被适配为提供噪声信号；多个滤波器，被适配为将噪声信号滤波到多个频带中以在所述频带中提供多个滤波后的噪声信号，其中导航信号被散布在LEO信号的多个信道上，其中所述信道分布在所述频带和多个时隙上；PRN序列产生器，被适配为提供由LEO卫星使用的调制序列以将导航信号散布在所述信道上；多个振荡器，被适配为使用PRN序列调制滤波后的噪声信号以提供多个调制噪声信号；以及天线，被适配为在操作区域上广播所述调制噪声信号以提供与导航信号对应的多个干扰突发串，其中所述干扰突发串被配置为在操作区域中基本上屏蔽导航信号。

根据本发明的另一实施例，导航信号包括由LEO卫星提供的LEO信号的至少一部分，一种被配置为执行导航信号的局部干扰的干扰装置包括：用于将噪声源滤波到多个频带中以在所述频带中提供多个滤波后的噪声信号的部件，其中导航信号被散布在LEO信号的多个信道上，其中所述信道分布在所述频带和多个时隙上；用于产生与由LEO卫星使用的调制序列对应的PRN序列以将导航信号散布在所述信道上的部件；用于使用所产生的PRN序列调制滤波后的噪声信号以提供多个调制噪声信号的部件；以及用于在操作区域上广播所述调制噪声信号以提供与导航信号对应的多个干扰突发串的部件，其中所述干扰突发串被配置为在操作区域中基本上屏蔽导航信号。

本发明的范围由权利要求限定，通过引用将权利要求合并到这一部分中。通过考虑对一个或多个实施例的以下详细描述，将向本领域技术人员提供对本发明的实施例的更完整的理解及其另外的优点的实现。将对附图进行介绍，所述附图将首先被简要描述。

附图说明

图1提供了根据本发明实施例的集成的高性能导航和通信系统的概述。

图2提供了根据本发明实施例的图1的系统的进一步的概述。

图3图示了根据本发明实施例的图1的系统的全部操作配置。

图4图示了根据本发明实施例的用于实现近地轨道信号的方法。

图5图示了根据本发明实施例的与近地轨道信号相关联的自相关函数。

图6图示了根据本发明实施例的用于将近地轨道信号的军用导航分量解码的处理。

图7图示了根据本发明实施例的导航装置的相关器(correlator)的框图。

图8图示了根据本发明实施例的用于将近地轨道信号的商用导航分量解码的处理。

图9图示了根据本发明实施例的用于将近地轨道信号的商用导航分量解码的替换处理。

图10图示了根据本发明实施例的用于将近地轨道信号的民用导航分量解码的处理。

图11图示了根据本发明实施例的在近地轨道信号的导航分量与GPS编码(code)之间的比较。

图12图示了根据本发明实施例的可用于执行导航信号的局部干扰的干扰装置的框图。

图13提供了根据本发明实施例的图12的干扰装置的操作的频域和时域表现(representation)。

图14图示了根据本发明实施例的产生伪随机噪声的处理。

图15图示了根据本发明实施例的从信道选择池(channel selection pool)构建模范围(modulo range)的均匀(uniformly)分布的整数的处理。

图16图示了根据本发明实施例的将信道选择池转换为随机非重叠(non-overlapping)信道的列表的处理。

图17图示了根据本发明实施例的由图16的处理产生的跳频(frequencyhopping)型式。

图18图示了根据本发明实施例的被配置为接收导航信号并且采样导频信号以进行下变频的接收机处理器的框图。

图19图示了根据本发明实施例的被配置为执行测距处理的导航处理器的框图。

图20图示了根据本发明实施例的由图19的导航处理器使用的各种状态变量定义。

图21图示了根据本发明实施例的被配置为执行信号跟踪的跟踪模块的框图。

图22-29图示了根据本发明各种实施例的用于在不同环境中执行导航的导航系统的各种用途。

图30图示了根据本发明实施例的用于近地轨道卫星上行链路的通用化的帧结构。

图31图示了根据本发明实施例的用于同步近地轨道卫星数据上行链路的地面基础设施(ground infrastructure)。

图32图示了根据本发明实施例的低电平(level)数据上行链路信号的实现。

图33图示了根据本发明实施例的用于支持近地轨道卫星数据上行链路的发射机的框图。

图34图示了根据本发明实施例的被配置为支持数据上行链路的近地轨道卫星的各种组件的框图。

通过参照以下详细描述最佳地理解本发明的实施例和它们的优点。应当认识到，相同的参考标号用于标识在一幅或多幅图中图示的相同元件。

具体实施方式

根据在此讨论的各种实施例，使用近地轨道(LEO)卫星的导航系统可以用于实现各种导航信号以提供高完备性导航。来自LEO卫星和其它非LEO发射机(例如，空载的和/或陆地的)的被动测距信号可以被集成到该系统中。

监控站的参考网络(reference network)可以估计时钟偏差(bias)、信号结构、以及发射机位置或者从中发送被动测距信号的各种平台的星历表(ephemeris)。可以通过利用LEO卫星的数据链路或其它数据链路将此估计信息(也被称作校准信息)传送到各种导航装置。

可以将导航装置配置为将广播信息与几种不同类型的信号混合在一起以执行高准确度导航。所广播的LEO信号可以用军用、商用和民用导航信号来实现，以便允许在不同的导航信号之间划分用户并且使得能够分担基础设施的成本。还可以提供集成的扩展频谱、低侦听和检测可能性(LPI/D)的数据上行链路。

现在参照附图，其中所示仅仅出于说明本发明的实施例的目的，而不是为了限制本发明，图1提供了根据本发明实施例的集成的高性能导航和通信系统100(也称作iGPS系统)的概述。系统100可以包括导航装置102(也称作用户设备、用户装置和/或用户导航装置)，导航装置102用适当的硬件和/或软件来实现，以便接收和解码来自各种空间和陆地测距源的信号以执行导航。这样的信号可以包括例如来自GPS、LEO(例如铱星或全球星(Iridium orGlobalstar))、广域增强系统(Wide Area Augmentation System)(WAAS)、欧洲同步导航覆盖服务(European Geostationary Navigation Overlay Service)(EGNOS)、多功能卫星增强系统(MSAS)、Galileo(伽利略)、准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System)(QZSS)、和/或移动卫星企业(Mobile SatelliteVentures)(MVS)卫星的卫星广播。这样的信号也可以包括来自于蜂窝塔、电视塔、WiFi、WiMAX、国家车辆基础设施集成(National Vehicle InfrastructureIntegration)(VII)节点和其它合适的源的陆地广播。

在图1中所示的例子中，可以将导航装置102配置为从传统的导航卫星接收全球定位系统(GPS)信号106(例如，受保护和/或不受保护的GPS信号)。另外，导航装置102还可以从各种近地轨道(LEO)卫星108接收信号104。在这一点上，可以将每个LEO信号104(也被称作iGPS信号)配置为包括通信信号104A、军用导航信号104B、商用导航信号104C和民用导航信号104D的复合信号。这种实现允许LEO卫星108同时服务于军用、商用和民用用户，并且允许这样的用户分担操作系统100的成本。

在一个例子中，可以由已被改装和/或重新配置以支持在此描述的系统100的现有通信系统(例如，铱星或全球星)的卫星来实现LEO卫星108。此外，如图1中所示，可以将LEO卫星108实现为支持在各种LEO卫星108之间的交叉链路(crosslink)信号110。

使用GPS信号106和/或LEO信号104，导航装置102可以将它的位置(相应地，相关联的用户的位置)计算到高准确度。一旦确定，可以随后使用在此描述的扩展频谱数据上行链路将所计算的位置数据(和可能期望的其它数据)上行传输(uplink)到LEO卫星108。

如可能在特定实施例中期望的那样，还可以将导航装置102配置为接收其它空间和陆地测距源的广播并且使用其它空间和陆地测距源的广播来执行导航。另外，可以利用被实现为例如微机电系统(MEMS)装置的惯量测量单元(IMU)来配置导航装置102以便提供如在此描述的干扰保护。

可以以任何期望的、可适合于特定应用的配置来实现导航装置102。例如，在各种实施例中，可以将导航装置102实现为手持导航装置、基于车辆的导航装置、基于飞行器的导航装置、或其它类型的装置。

图2提供了根据本发明实施例的系统100的进一步的概述。具体地，图2图示了在环绕地球的轨道中的LEO卫星108和GPS卫星202。图2还图示了系统100的基础设施子系统的各个方面。例如，系统100可以包括被配置为接收LEO信号104或其它测距信号的参考网络204、GPS地面基础设施206、和LEO地面基础设施208。将认识到：在系统100的各种实施例中还可以提供另外的空载和/或陆地组件。

图3图示了根据本发明实施例的系统100的全部操作配置。将认识到，尽管图3中图示了多种子系统，但在系统100的所有实施例中无需提供这样的子系统的全部。

如图3中所示，LEO卫星108相对于导航装置102和各种图示的陆地子系统呈现(exhibit)快速角运动(angle motion)。有利的是，这种快速角运动可以帮助陆地子系统解决周期模糊度(cycle ambiguity)。另外，相对于传统导航信号106，可以用高功率来实现LEO信号104。因此，LEO信号104也可以允许穿过障碍物(interference)或建筑物。

LEO信号104可以包括到各种地面终端的测距和数据链路。如图3中所示，这样的终端可以包括地理上分散的参考网络204和导航装置102(在这个例子中被图示为蜂窝电话手持机、MEMS装置和汽车)。

还图示了多种卫星，包括GPS卫星202、伽利略卫星306、WAAS卫星302和QZSS/MSV卫星304，其任何一个可以根据各种实施例而被配置为向参考网络204和导航装置102广播测距和数据下行链路。

将认识到，为了清楚的目的，一些测距信号没有在图3中示出。例如，在一个实施例中，可以将所有图示的卫星配置为向所有的导航装置102和参考网络204广播。

如也在图3中示出的那样，可以由参考网络204和导航装置102监控来自多个测距信号源310的多种测距信号318。可以将参考网络204配置为将每个测距信号源310特征化以提供与每个测距信号源相关联的校准信息。这样的信息可以经过合适的数据上行链路320而被传给LEO卫星108，由LEO卫星108编码为LEO信号104的军用、商用，或导航信号104B/104C/104D中的一个或多个，并作为LEO信号104的一部分而被广播到导航装置102。为了与使用LEO信号104执行的测距测量结合起来执行导航，导航装置102可以随后使用校准信息来解释(interprete)测距信号318。

通常，多种发射机可以提供定时和(以及因此测距)数据。在这一点上，对于通用化的测距源，其相关联的测距信号可以由参考网络204和导航装置102接收。参考网络204可以确定与测距信号相关联的校准信息，并通过利用LEO卫星108的数据上行链路和/或通过到导航装置的陆地链路向导航装置102遥测传送(telemeter)这样的校准信息。

例如，图3图示了由被实现为WiFi节点的一个测距信号源310接收GPS信号106。如果在GPS接收机内实现测量WiFi信号的预定义属性的定时(timing)(如果乘以光速则等效于距离(range))的能力，则该接收机可以同时测量所接收的WiFi和GPS信号时间(times)。可以对这些量之间的差进行计算、做时间标记(time tagged)，并将其传送到参考网络204以提供与WiFi节点相关联的校准信息。参考网络204可响应于接收GPS信号106和其它类型的测距信号318而确定另外的校准信息。在每种情况下，参考网络204可以通过LEO卫星104经由上行链路320和LEO信号104(例如，经由基于空间的链路)向导航装置102遥测传送与WiFi节点相关联的实时校准信息。也可以经由陆地链路将校准信息提供给导航装置102。有利的是，如果在各种陆地节点之间存在网络316(例如因特网)，则每个测距信号源310不一定需要在参考网络204的所有节点的视野内。

如所讨论的，可以将LEO卫星108实现为通信卫星(例如，铱星或全球星卫星)，所述通信卫星已经如在此描述的那样被改装和/或重新配置以支持系统100的导航特征。下面的表1和表2分别标识了根据各个实施例而可被用作LEO卫星108的铱星和全球星通信卫星的各种属性：

表1

基于GSM的蜂窝电话架构
	FDMA和TDMA两者
41.667kHz信道划分
	10.5MHz下行链路分配
在25000sps上的40％根升余弦QPSK调制
	90ms帧
时隙：(1)向下单工(4)向上8.28ms双工(4)向下8.28ms双工

表2

基于CDMA IS-95蜂窝电话架构
	FDMA和TDMA两者
1.25MHz信道划分
	16.5MHz下行链路分配
弯管(Bent-Pipe)转发器(Transponder)

在使用铱星通信卫星来实现LEO卫星108的一个例子中，用合适的软件可以给铱星通信卫星的飞行计算机重新编程以便利于导航信号的处理。在使用全球星通信卫星来实现LEO卫星108的另一例子中，卫星弯管架构使得地面设备能够被升级以允许多种新的信号格式。

在使用通信卫星来实现LEO卫星108的实施例中，可以将通信卫星配置为支持通信信号以及导航信号。在这一点上，可以实现这样的导航信号以解决(account for)各种因素，例如多径抑制(multipath rejection)、测距准确度、互相关(cross-correlation)、对干扰和干涉(interference)的抗性、以及安全性，包括选择性访问、反欺骗(anti-spoofing)、和低侦听可能性。

图4图示了根据本发明实施例的用于实现LEO信号104的方法。具体地说，图4的块410、420、430图示了由LEO卫星108发送和接收以便为通信和导航信号提供支持的信号的结构，其中使用现有的铱星通信卫星来实现LEO卫星108。在块410、420和430中，在水平轴示出频率，在页面内外(inand out of page)示出时间，而在垂直轴示出功率谱密度。

在一个实施例中，可以将LEO卫星108配置为支持被实现为多个发送间隙402和多个接收间隙404的多个信道，所述多个发送间隙402和多个接收间隙404在90ms帧宽度上以时分多址(TDMA)方式配置，并且还在10MHz频率宽度上以频分多址(FDMA)方式配置。在这一点上，将认识到，每个信道可以与在特定频带中提供的帧的特定发送或接收间隙相对应。例如，在一个实施例中，LEO卫星108可以被实现为利用每帧提供4个时隙的240个频带来支持大约960个信道的发送(例如，240个频带x4个时隙＝960个信道)。

如块410所示，发送间隙402和接收间隙404中的一些可以与现有通信相关联(例如，在图4中被示出为电话呼叫(call)440)。所使用的发送间隙402可以与经由由LEO卫星108发送的LEO信号104的通信信号104A提供的数据相对应。

将认识到，在块410中所示的实施例中，多个发送间隙402保留不用。根据本发明的各种实施例，如在此描述的，可以利用(leverage)未使用的发送间隙402的未使用的通信能力来支持导航信号。

如块420中所示，在每个保留不用的发送间隙402中可以引入伪随机噪声(PRN)的测距覆盖区422。测距覆盖区422可以在逐个信道的基础上以低平均功率运行，但是汇集的(aggregate)测距覆盖区422呈现高功率以克服干扰。相比之下，块430示出了使用由LEO卫星108提供的最大功率点波束(spotbeam)实现的测距覆盖区422。

在一个实施例中，可以使用跳频和直接序列(direct sequence)PRN的组合实现测距覆盖区422。对于频率跳跃分量，可以在伪随机基础上对每个突发串选择频率子集。然后，在每个突发串内，也在伪随机基础上选择数据位。

在一个实施例中，在发送间隙402中可以给电话呼叫440高于测距覆盖区422的优先权，并且测距覆盖区422受偶然丢失或破坏的突发串的影响较小。在另一实施例中，在发送间隙402中可以给测距覆盖区422高于电话呼叫440的优先权，并且电话呼叫440类似地受偶然丢失或破坏的突发串的影响较小。

在一个实施例中，可以利用受到频谱管理(regulation)的尽可能宽的带宽来实现测距覆盖区422。在这种情形下，可以使用所有可用信道，并且可以采用频分多址、时分多址和码分多址(CDMA)的各种方法来创建下行链路信号，所述下行链路信息往往看上去像平坦的(flat)白噪声，除非用户知道所述码。该平坦性提供了很适合于准确度、抗干扰性和多径抑制的信号。通过使用合适的加密算法可以使互相关最小化，其中通过导航装置102中的快速数字信号处理而使得所述加密算法成为可能。

在一个实施例中，可以将LEO信号104实现为对时间t的复(complex)信号s(t)，如下面的等式所示：

s (t) = A \underset{n}{Σ} Σ_{m = 1}^{N} p_{nm} h (t - nT) e^{j 2 π f_{0} (m - 1) t / N}

在上面的等式中，A是信号幅度，n是符号索引(index)，p是被给出为±1的直接序列伪随机噪声值，h是符号脉冲响应，m是信道频率索引，f₀是扩展频谱广播跨度(span)，N是形成扩展频谱广播跨度的信道频率的数目。

在利用全球星卫星实现LEO卫星108的另一实施例中，可以在1.25MHz信道中与电话业务(telephony traffic)正交的每个信道上提供低功率直接序列码。

图5图示了根据本发明实施例的自相关函数502，其可以由导航装置102实现以锁定到LEO信号104。在图5中，τ是自相关自变量(argument)，R是基本40％根升余弦符号脉冲响应的自相关函数，N是LEO卫星108的频谱分配所允许的信道的数目(例如，在一个实施例中最大240个)，f₀是所允许的频率跨度(与N乘以(by)信道间隔(spacing)有关，使得在一个实施例中f₀＝[41.667kHz]N)，是每个信道的卫星相位偏差。

另外，图5提供了使用不同比例(scale)的自相关函数502的图示504和510。在图示504中，自相关函数502的包络(envelope)506被示出为由25ksps直接序列数据的有效相关长度形成。在该实施例中，通过被分开41.667kHz的宽带信道的汇集来形成自相关。例如，对于10MHz宽的广播，有效直接序列码片(chip)长度可以是Y码的长度，即30m。为了比较，示例GPS粗/捕获(coarse/acquisition)(C/A)码512和示例GPS军用(M)码514也被叠加在图示510上而被示出。如图示510中所示，可以与GPS M-码514的旁瓣(side lobe)一样容易管理自相关函数502的旁瓣。在这一点上，自相关函数502的旁瓣被高度衰减或者可清楚地辨别。

如前面所述，LEO信号104可以包含各种导航信号，包括军用导航信号104B、商用导航信号104C和民用导航信号104D。因此，可以将导航装置102配置为解码这些信号中的一个或多个以执行导航。

例如，图6图示了根据本发明实施例的将LEO信号104的军用导航信号104B解码的处理。将认识到，导航装置102可以响应于接收LEO信号104而执行图6的处理。

在各种应用中，期望将军用导航信号104B实现为高功率信号以克服可能的干扰。相应的，如图6的步骤1中所示，LEO信号104可以包括被配置为承载(carry)军用导航信号104B的若干并行信道602(在图6被示出为12个信道)。在一个实施例中，可以使用伪随机处理来确定对于来自LEO卫星108的每个广播突发串激活的特定信道602。在图6的步骤中还示出，对于信道602上的每个并行突发串示出了正交相移键控(QPSK)符号(symbol)604，并且时间进入页面。用PRN直接序列编码来调制QPSK符号604，并且QPSK符号604还基于它们在LEO信号104中的频率偏移(offset)而呈现偏差和旋转。

在图6的步骤2中，通过旋转每个突发串到基带，减去(substract off)信道间偏差，并且剥离(strip off)PRN直接序列型式(pattern)来将PRN编码解扩，以提供承载与军用导航信号104B相关联的数据的一组突发串，如由修改过的QPSK符号606所表示的那样。

在图6的步骤3中，根据一组M个可能的正交宏符号(macro symbol)608来解调低比特速率数据。如果存在来自QPSK调制的四分之一周期模糊度(ambiguity)，则组合的模糊度和宏符号可能不是完全的正交。一旦估计数据，硬(hard)判决算法就剥离所估计的数据，只留下未调制的载波610。

在图6的步骤4中，在整个突发串上并随后在每个信道上对所述载波求平均。结果，可以提供瞬时跟踪误差的同相(in phase)和正交测量结果(measurement)612。随后使用导航装置102的锁相环(PLL)来跟踪卫星载波。

图7图示了根据本发明实施例的可用于执行图6的处理的导航装置102的相关器的框图。数字控制的振荡器702产生将进入的LEO信号104(例如，通过导航装置102的天线接收)下变频为基带信号714的载波。将基带信号714提供给执行精确(punctual)码载波跟踪的上面的路径704。还将基带信号714提供给执行早减晚(early minus late)检测的下面的路径706。

在下面的路径706中，一组合成器708和PRN产生器710复制LEO信号104的每个信道。在上面的路径704中，复制信号712与基带信号714混合以分别为每个信道去除所有码和相位旋转。假设(hypothesis)产生器716计算与每个可能的宏符号608和四分之一周期模糊度相关联的信号(如果有的话)。处理器718使用最大后验(MAP)算法来提供识别哪个宏符号假设最有可能的数据估计值(estimate)720。如所示的，将数据估计值720传送到下面的路径706以便在早减晚检测中使用。为了在上面的路径704中执行精确检测，处理器718剥离所述数据并将所得到的突发串输出到随着时间对汇集的突发串积分的求和块722以达到同相和正交跟踪误差724。

在下面的路径706中，通过早减晚块726和数据产生器块728(使用从上面的路径704接收的数据估计值720)来进一步调制复制信号712。如所示的，将所得到的调制信号加在一起以形成复合早减晚副本(replica)信号730，其与基带信号714混合并被发送到求和块732以进行时间求平均，以便提供给早减晚鉴别器734。因此，给定载波锁定和足够的求平均间隔，早减晚鉴别器734提供瞬时跟踪误差的量度(measure)。

图8图示了根据本发明实施例的将LEO信号104的商用导航信号104C解码的处理。将认识到，导航装置102可以响应于接收LEO信号104而执行图8的处理。

如所示的，图8的处理与图6的处理相似，其中图8的步骤1-4通常对应于图6的步骤1-4。然而，将认识到，在图8的处理中，与图6的信道602相比，使用较少的信道802(例如在图示的实施例中，2个信道)。因为使用的信道802的数目较少，与军用导航信号104B相比，可以用较低的功率和较低的带宽来实现LEO信号104的商用导航信号104C。

图9图示了根据本发明实施例的将LEO信号104的商用导航信号104C解码的替换处理。如所示的，图9的处理与图8的处理相似，其中图9的步骤1-2通常对应于图8的步骤1-2。然而，在图9的步骤3中，假定下行链路数据(例如，校准信息)可以由导航装置102以不同于LEO信号104的方式(例如，从到参考网络204或图3所示的一个或多个节点310的链路)接收。然后，进一步的处理可以在分别与图8的步骤3和4相似的图9的步骤4和5中执行。有利的是，在图9的处理中插入步骤3可以在室内环境中提供更高灵敏度。在这一点上，导航装置102可以从参考网络204的一个或多个参考站接收下行链路数据的可靠表示(representation)，而不需导航装置102执行下行链路数据和/或四分之一周期剥离(stripping)，由此减少导航装置102所需的处理和改善信号处理增益。

图10图示了根据本发明实施例的用于将LEO信号104的民用导航信号104D解码的处理。在各个实施例中，民用导航信号104D的使用可能通常集中于只有载波(carrier-only)的导航。结果，民用导航信号104D可以用相对窄的带宽(例如，大约1MHz)来实现并且可以是公知的。因此，可以实现用于民用导航信号104D的信道1002而没有显著的频谱扩展。在这一点上，将认识到，与图6、8和9的每一个图中的步骤1所图示的信道602和802相比，图10的步骤1所图示的信道1002被更紧密地(closely)分组。将认识到，将从前面讨论过的图6的操作步骤1-4来理解图10的步骤1-4的操作。

考虑到上面的讨论，将认识到，在某些实施例中，可以用下面表3中标识的以下属性来实现LEO信号104的军用、商用、和民用导航信号104B、104C、104D。

表3

信号	功率	带宽
			军用	最大	最大
商用	中等	高
			民用	中等	中等

在本发明的另一实施例中，可以将系统100实现为在特定操作区域中允许军方使用军用导航信号104B而同时拒绝敌方使用商用和/或民用导航信号104C和104D，而在操作区域外不会损害(compromise)商用和民用导航信号104C和104D的使用。

例如，在一个实施例中，商用导航信号104C的解码可以以在操作区域上使用所分配的加密密匙为条件，所述加密密匙可被允许过期。在另一实施例中，可以在操作区域上选择性地中断由LEO卫星108进行的商用导航信号104C的广播(例如，可以单独关闭来自LEO卫星108的单个点波束)。

在另一实施例中，可以在操作区域中局部干扰商用导航信号104C和/或民用导航信号104D。在这一点上，图11图示了在军用导航信号104B、民用导航信号104D、和GPS C/A码512以及GPS M-码514之间的比较。

如图11所示，为军事目的，可以通过干扰C/A码带(code band)来干扰GPS C/A码512。如也在图11中示出的，可以在功率谱密度和带宽两者上将民用导航信号104D看作军用导航信号104B的子集。如果用FDMA和TDMA两者来实现测距覆盖区422，则可以看到，如图11中所示，在跳频突发串中指明(manifest)民用导航信号104D。

图12图示了根据本发明实施例的干扰装置1200的框图，其可以用于执行民用和商用导航信号104C和104D的局部干扰。如图12中所示，由滤波器1204处理白噪声源1202(例如，使用布朗运动创建)以提供具有近似地与LEO卫星108的发送信道对应的带宽的噪声信号1206。

将军用接收机装置1208、产生器1210和振荡器1212/1214配置为提供与由公布的预定义民用PRN序列确定的民用导航信号104D的瞬时频率对应的多个信道1216。信道1216用于调制噪声信号1206，然后使用另外的图示的组件将噪声信号206上变频(upconvert)，以便精确地以作为LEO信号104的一部分而从LEO卫星108接收的民用导航信号104D的时间、持续时间和频率发射干扰突发串。将认识到，如在特定实现中可能希望的那样，上面的方法也可以用于提供商用导航信号104C的干扰。

图13提供了根据本发明实施例的图12的干扰装置的操作的频域和时域表示。如图13中所示，通过干扰装置1200提供的各个噪声突发串1302集中在与民用导航信号104D对应的窄频带1304上。有利的是，军用导航信号104B分量(由暗色矩形1306表示)没有被有效地改变并且完全可用于军用操作。

现在将相对于图14-17描述在LEO卫星108处的测距覆盖区422的产生。在这一点上，可以通过LEO卫星108的适当处理器执行相对于图14-17描述的各种处理。另外，可以利用适当的软件和硬件来配置LEO卫星108以便以QPSK格式调制和广播通信信号(例如，电话突发串)。

图14图示了根据本发明实施例的用于产生伪随机噪声的方法。图14中所示的实施例使用基于计数器的伪随机数产生器1400。在这一点上，将计数器值1402与128位加密业务密钥1404组合以提供128位密码。通过将计数器值1402与密码1406相关联，可以构建测距覆盖区422的各种PRN要素(element)。在一个实施例中，使用高级加密标准(Advanced EncryptionStandard)(AES)处理可以将计数器输入1402和密码每个都实现为128位的字。

如图14中所示，每个计数器值1402可以包括类型标志1412，该类型标志将每个计数器值1402标识为指定信道选择(例如，如果类型标志1412被设置为“1”)还是指定直接序列码片(例如，如果类型标志1412被设置为“0”)。如果类型标志1412被设置为信道选择，则计数器值1402的其它位可以指定通过信道选择池1408的哪些信道来广播数据突发串码片。如果类型标志1412被设置为直接序列，则计数器值1402的其它位可以对应于码片块索引1414(例如，指定要广播的直接序列码片1410中的一个特定直接序列码片)和突发串计数1416(例如，指定要广播的特定直接序列码片1410的帧号码)。

在一个实施例中，密码(cipher)1406可以用于从指引(direct)跳频的信道选择随机号码池1408中选择值。在另一实施例中，密码1406可以用于选择填充(full up)QPSK数据位的直接序列码片1410。

图15图示了根据本发明实施例的从信道选择池1408构建模范围(modulorange)的均匀分布的整数的处理。将认识到，图15的处理可以与前面相对于图14描述的信道选择池1408结合使用。

图16图示了根据本发明实施例的用于将信道选择池1408转换为随机非重叠信道的列表的处理。通过根据在下表4中提供的值来对M和N(如图16中所示)选择不同的参数，图16的处理可以用于军用导航信号104B、商用导航信号104C和民用导航信号104D。

表4

信号	功率(N)	带宽(M)
			军用	大	240
商用	1或2	>100
			民用	1或2	8-32

图17图示了根据本发明实施例的图16的处理产生的跳频型式(pattern)。如图16中所示，对于连续(succesive)发送突发串提供各种随机信道选择(与对应的发送频率相关联)。将认识到，使用LEO卫星108和导航装置102提前知道的公共密匙(例如，128位密匙)以伪随机的方式来产生每个频率和码片。

图18-21图示了根据本发明的各种实施例可以实现的导航装置102的各个方面。例如，图18图示了根据本发明实施例的被配置为接收信号并且采样信号以进行下变频的导航装置102的接收机处理器1800的框图。如图18中所示，天线1802接收的导航信号由多频带滤波器1804滤波(以预选期望的频带)，由放大器1806发大，并且由采样保持电路1808采样以提供原始数字RF样本1816。

接收机处理器1800还包括可用于同步采样保持电路1808的振荡器1810和合成器1812。在各种实施例中，可以选择采样保持电路1808的采样率以防止被混叠(aliase)的预先选择的频带之间的重叠(overlap)。

接收机处理器1800还包括被实现为具有被同步到接收机的公共时钟的测量时间标签的3轴MEMS陀螺仪和加速度计的IMU 1814，并且可以用于提供原始数字运动样本1818。将认识到，可以替换地使用其它接收机实现方式以便利于单步或多步下变频。

图19图示了根据本发明实施例的被配置为执行测距处理的导航装置102的导航处理器1900的框图。如图19中所示，希尔伯特变换块1902将原始数字RF样本1816转换成复样本1904。提供多个跟踪模块1906。每个跟踪模块1906与在复样本1904中提供的不同信号相关联，并且可以用于跟踪卫星或陆地测距源。

导航处理器1900基于由惯量处理器1916和扩展卡尔曼(Kalman)滤波器1914处理的原始数字运动样本1818，给跟踪模块1906提供前馈(feed forward)命令1908。辅助信息1908将跟踪模块1906驱动到波长的一小部分。来自跟踪模块1906的原始码和载波相位测量结果1910被读进导航处理器1912，由扩展卡尔曼滤波器1914处理，并且被组合以提供位置定位1918。

图20图示了根据本发明实施例的导航处理器1900的扩展卡尔曼滤波器1914采用的各种状态变量定义。

在图20中，等式2002是积分和转储(dump)相关器的模型。通过将实际相位与由滤波器预测的相位之间的差在时间T上求平均而给输出跟踪误差Δy建模。等式2004是整个导航系统的连续时间更新模型，包括惯量、时钟、和基于陆地和空间两者的所有定时和测距源。估计器状态矢量变量是累积的(cumulative)相关器相位、用户位置、速度、姿态、加速度计偏差、陀螺仪偏差、距离偏差、距离偏差率、时钟偏差、以及时钟偏差率。等式2006是载波相位观测模型，其考虑到几何和大气误差而示出了从参考地点到用户的时间传递前馈。

图21示出根据本发明实施例的跟踪模块1906之一的框图。跟踪模块1906接收前馈命令1908以预先设置(prepostion)正由跟踪模块1906跟踪的特定测距信号的码和载波相位两者。作为第一处理步骤，下变频器1950将在复样本1904中提供的载波旋转到基带。接着，将经下变频的信号1952分割并传递给匹配的早减晚滤波器1954和匹配的精确滤波器1956。

所考虑的每个测距信号的信号波形被预先存储在用户存储器中，或者任选地经由利用LEO卫星108的数据链路或网络(例如，蜂窝、WiFi、WiMAX或VII)节点而被刷新。数据链路更新使得能够扩展所述架构以便与实际上(virtually)任何发送的信号一起使用。该脉冲响应(与用于GPS卫星的PRN码类似)形成了匹配的滤波器处理的基础。通过保留参考信号的确定性的(deterministic)部分，可以调整诸如蜂窝、WiFi、WiMAX、VII或电视之类的陆地信号的脉冲响应。将包含非确定性特征诸如未知数据的信号的任何部分在参考信号中无效掉(null out)。然后，给这些匹配滤波器中的每一个提供参考信号结构的脉冲响应以便在所述匹配滤波器/相关器中实现。结果，滤波器1954和1956分别提供早减晚跟踪误差1958和精确跟踪误差1960的同相和正交表示。

根据本发明的各种实施例，可以使用各种数据结构来对测距源进行编码。例如，在一个实施例中，由下面的代码来表示测距信号：

Struct ranging_signal{ /*通用化的测距源参数*/

impulse_response broadcast_signal； /*测距源的信号结构*/

double broadcast_frequency； /*测距源频率*/

position broadcast_location； /*测距源的相位中心*/

time broadcast_clock； /*测距源的时钟偏差*/

}；

在上面的代码中，将信号参考波形编码为脉冲响应参数，其时间原点依赖于广播时钟。广播频率是测距源的载波频率。广播位置被编码为空间交通工具(vehicle)的精确星历表以及陆地测距源的笛卡尔静止坐标。时钟校正针对对照基于协调世界时(UTC)(例如，由美国海军天文台(the United States NavalObservatory)(USNO)提供)的系统时间来校准测距源。

在各种实施例中，可以将合适的地面站配置为近乎实时地破译(decipher)由LEO卫星108采用的新的测距信号代码。在这一点上，这种地面站可以提供经破译的代码给导航装置102，从而允许导航装置102使用实际上任何协同的或非协同的信号来执行导航。

图22-29图示了根据本发明各种实施例的用于在不同环境服务中执行导航的系统100的各种用途。例如，图22图示了根据本发明实施例的用于提供室内定位的系统100的用途。在这一点上，将认识到，在图22中，导航装置102可以位于建筑物或其它结构内部。

如图22中所示，导航装置102(例如，手持的用户导航装置)可以直接从LEO卫星108接收LEO信号104以及从节点310接收另外的测距信号318。也如所示的，参考网络204的参考站也可以接收测距信号318。如前面讨论的，可以用合适的硬件或软件来配置参考网络204以确定校准信息，该校准信息与每个测距信号源310相关联，通过数据上行链路320而被传递到LEO卫星108，由LEO卫星108编码为LEO信号104，并作为LEO信号104的一部分而被广播到导航装置102。然后，为了与使用LEO信号104执行的测距测量结合起来执行导航，导航装置102可以使用该校准信息来解释测距信号318。结果，导航装置102可以利用LEO信号104和测距信号318来执行导航。

军用导航信号104B(例如，由LEO卫星108作为LEO信号104的一部分提供)和测距信号318(例如，由诸如蜂窝或电视信号源之类的测距信号源310提供)可以被实现为高功率信号，当导航装置102位于室内环境中时，该高功率信号能够穿过建筑材料以到达导航装置102。相应地，通过在图22所示的方法中使用这样的高功率信号，导航装置102可以在室内执行导航并且从冷启动开始快速地捕获(acquire)。

图23图示了根据本发明另一实施例的用于提供室内定位的系统100的用途。将认识到，图23中所示的实现方式通常与前面讨论的图22的实现方式对应。然而，在图23所示的实施例中，导航装置102也可以任选地与参考网络204通信或者通过网络316与节点312或314通信。

另外，可以将系统100配置为采用如在这里针对图8描述的限度上的(on-tether)商用信号处理。在这种情形下，通过在测距信号318上发送在商用导航信号104C中编码的导航数据的副本，可以使用较低功率的商用导航信号104C来获得增大的处理增益。因为使用图8的处理来去处导航数据，因此可以显著减小跟踪环带宽。

在一个实施例中，导航装置102可以通过形成每个测距源k的伪距(pseudorange)的矢量，然后关于对用户位置x和用户时钟偏差τ的初始猜测(guess)进行线性化，来确定它的最终位置定位。

ρ_{k} = {| | x_{user} - x_{source} | |}_{2} + τ = {| | {\overset{&OverBar;}{x}}_{user} - x_{source} | |}_{2} - {\hat{e}}^{T} {δx}_{user} + τ

{δρ}_{k} = ρ_{k} - {| | {\overset{&OverBar;}{x}}_{user} - x_{source} | |}_{2} = - {\hat{e}}^{T} {δx}_{user} + τ

δρ = [\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ . \\ - E \\ . \\ . \\ 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} {δx}_{user} \\ τ \end{matrix}]

使用最小二乘的方法来改进用户位置估计值：

\min_{[\begin{matrix} {δx}_{user} \\ τ \end{matrix}]} {| | δρ - [\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ \cdot \\ - E \\ \cdot \\ \cdot \\ 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} {δx}_{user} \\ τ \end{matrix}] | |}_{2}

在另一实施例中，系统100可以被实现为提供高准确度、高完备性导航。在这一点上，图24图示了根据本发明实施例的用于使用GPS信号106以及双频带LEO信号104和104’执行导航的系统100的用途。具体地，图24示出了怎样可以与两个不同的LEO信号104和104’(例如，来自不同LEO卫星108和108’的不同频带中的不同LEO信号)一起使用单频L1 GPS信号以提供高水平的导航性能。在图24所示的实施例中，GPS信号106以及LEO信号104和104’的载波足够用于导航——不需要使用来自所述信号的码相位。然而，在另一实施例中，使用码和载波两者来从可得到的可观测量中导出最大信息。

在图24中，参考网络204的站可以监控GPS信号106以及LEO信号104和104’，并收集连续的载波相位信息以执行GPS卫星202和LEO卫星108的精确轨道确定。通过使用不同的LEO信号104和104’，可以去除电离层的影响，产生免受电离层影响的载波相位信号。通过利用LEO卫星104和104’的大角运动，可以估计(例如，如椭圆面(ellipsoid)2402所示的)所有GPS卫星202以及LEO卫星104和104’的周期模糊度。

在图24中，可以用在上面针对图22-23类似地描述的方式来确定导航装置102(例如，在本实施例中的飞行器)的位置。具体地，下面的记号提供了第k伪距测量结果(measurement)以便确定在时期(epoch)m处的用户位置x和对流层天顶延迟(zenith delay)DZ以及作为连续变量b建模的所有卫星距离偏差。

同样，使用最小二乘的方法来求解用于位置调整、时间偏差和测距偏差的矢量的等式体系。即便使用GPS信号106的测量是单频率并且遭受电离层偏差，所得到的解也没有电离层相关性。因为使用LEO信号104和104’的测量是免受电离层影响的(ionosphere free)并且因为LEO卫星104和104’呈现快速角运动(与GPS卫星202的实际上静止的运动相比)，所以除了在时钟和测距偏差之间的共模(common mode)以外，几何矩阵是满秩的。这意味着对于GPS卫星202的偏差估计值具有基于使用LEO信号104和104’的免受电离层影响的测量而正确地定位用户的值。

图25图示了根据本发明实施例的用于使用GPS信号106和单个LEO信号104执行导航的系统100的用途。所考虑的单个LEO卫星108的轨道几何图形往往将LEO卫星108置于将位置不确定的椭圆面2502与本地水平面(local horizontal)对准(align)的轨迹上。除了LEO信号104和GPS信号106外，导航装置102(例如，本实施例中的飞行器)还可以任选地使用第三信号2504(例如，来自伽利略卫星306或另一卫星)来确定它的位置。

导航系统的完备性可以通过当不应该使用该系统时该系统向用户提供及时警报的能力来测量。在这一点上，导航系统的完备性风险可以被表征为未检测到的危险的导航系统异常的概率。在一个实施例中，系统100可以被实现为使用接收机自主完备性监控(RAIM)来提供高完备性。在RAIM实现方式中，可以将导航装置102配置为监控测量自洽性(self-consistency)以检测与多种失效模式相关联的导航误差(error)。有利的是，LEO卫星108的快速运动可以使这样的测量变得容易。

利用RAIM，使用最小二乘拟合(fit)的残差(residual)来执行系统故障的卡方(chi-square)假设检测。在这一点上，可以使用下面的等式：

在上面的等式中，对应于测距测量结果，H对应于卫星几何矩阵，对应于位置估计值。在其确定每个位置定点后，可以将导航装置102配置为计算测量残差R。如果R小于阈值，则认为系统100正确地操作。如果R大于或等于阈值，则导航装置102可以发出完备性警告。

图26示出了根据本发明实施例的测距误差对位置解的影响。通常，测距测量结果是自洽的。然而，若一个或多个测量结果被破坏和有偏差，则该误差可能会使输出的解偏离事实。由于测量结果之间的不一致性与实际位置误差高度相关，因此RAIM能够检测出该误差。

图27图示了系统载波相位的精度怎样平衡遮挡(occlusion)和差精度衰减因子几何图形(Dilution of Precision geometry)。在二维的情况下，最小二乘拟合排除了位置误差的垂直分量。有利的是，在一个实施例中，系统100可被实现为具有厘米级的载波相位精度以提供遮挡期间的健壮的导航。如所示的，图27的处理也可以使用预先勘测的高度(altitude)地图。

图28图示了根据本发明实施例的用于使用直接从LEO卫星108和GPS卫星202接收的信号来执行导航的系统100的用途。图29图示了图28的类似实现方式，但是加入了网络316和测距信号318以防止LEO信号104和GPS信号106的瞬时中断影响服务的连续性。

如前面所描述的，系统100可被配置为支持来自参考网络204的参考站的数据上行链路320以便利于由导航装置102使用导航信号104B/104C/104D执行的导航。还可以通过适当配置的导航装置102来支持数据上行链路320。在这一点上，数据上行链路320也可以用于将任何期望的数据从参考网络204和/或导航装置102传递到LEO卫星108，以便随后作为LEO信号104的通信信号104A的一部分而进行广播。

因为从系统100的精确定时功能可以得到GPS时间和UTC，所以可以建立单向上行链路协议，其允许出现数据上行链路320而没有直接双向同步。可以将数据上行链路320的时间和频率定相(phasing)预先设置为到达LEO卫星108以便在逐个符号的基础上完全匹配卫星的瞬时载波相位和帧结构。给定合适的多用途协议，可以在多个导航装置102之间共享上行链路信道。这样的多用途协议可以由时间、频率、码或它们的任何组合来实现。在一个实施例中，可以将数据上行链路320配置为具有抗干扰以及低侦听和检测可能性(LPI/D)特征的扩展频谱上行链路。在另一实施例中，可以在很多符号(symbol)上对数据上行链路320的低功率信号求和以便从噪声中取出汇集的宏符号并提供LPI/D上行链路。

图30图示了根据本发明实施例的用于到LEO卫星108的上行链路320的数据突发串3002的通用化的帧结构。在一个实施例中，可以将数据上行链路320配置为支持每个突发串具有414位的大约240个信道上的上行链路突发串。在一个实施例中，对于要在逐个符号的基础上正确地对准的数据上行链路320，可以在停止状态(rest state)下(例如，相对于LEO卫星108的主时钟没有时间偏移并且没有频率偏移)预先设置LEO卫星108的帧结构。在另一实施例中，可以将参考网络204的参考站配置为产生用于到LEO卫星108的数据上行链路320的适当的同步信号。该同步信号的作用是对照UTC或GPS时间参考而预先对准突发串中的数据符号的帧结构。

图31图示了根据本发明实施例的用于同步数据上行链路320的地面基础设施。具体地讲，图31的地面基础设施包括参考网络204的参考站，其可以用于对准每个数据突发串3002的有效载荷字段3104。在一个实施例中，可以将参考站配置为在分配给有效载荷3104的这部分突发串期间内不广播(该时间被预留用于导航装置102)。在一个实施例中，可以授权每个导航装置102在某个时间和频率间隙(slot)内上行传输(uplink)单个符号。以这种方式，知道其位置和UTC/GPS时间的任何导航装置102可以单独地寻址每个符号(或者在QPSK上行链路帧结构中的每个正交位)。可以根据任何适当的多用途协议实现导航装置102，通过该协议，给导航装置102分配所定义的字段中的位。例如，在CDMA协议下，多个导航装置甚至可以共享相同的位。

在各种实施例中，可以用低功率信号实现数据上行链路320。例如，在一个实施例中，可以使用毫瓦级广播向LEO卫星108每秒发送若干数据比特来实现上行链路320。如果该功率被散布在例如10MHz带宽上，则所得到的功率通量谱密度对于LPI/D应用是合理的。上行链路320的这种扩展频谱实现方式还可以提供抗干扰保护。

图32图示了根据本发明实施例的用于数据上行链路320的低电平信号的实现。在一个实施例中，可以将LEO卫星108配置为与背景噪声一起接收采用QPSK调制的每个比特。因为可以从两个正交的二进制相移键控(BPSK)流合成QPSK，所以图32中示出了简化的BPSK概率分布(一对偏移的高斯分布)。通常，LEO卫星108的解调器中的检测器基于在零处的阈值而做出“1”或“0”(在这里被记为-1)判定，并且通过对作为SNR的函数的高斯曲线(Gaussian)下的面积积分而计算比特错误的概率。

在一个实施例中，解调器被作为硬限幅器。当SNR远小于1(unity)时，图32中所示的中央的高斯曲线是代表性的。信号(即，数据比特)的存在将非常轻微地把所述曲线从一侧移动到另一侧，但是通常，噪声将淹没该输出。然而，通过对许多离散样本一起求平均，LEO卫星108可以检测信号的出现。本领域技术人员所知的计算将硬限幅器的损耗置于大约2dB。换句话说，要不是2dB的有效模数转换损耗，即使最初将LEO卫星108实现为通信卫星，输入信号也被完全保留。

在各种实施例中，可以由参考网络104、导航装置102，或机载LEO卫星108来执行数据比特的处理。在另一实施例中，在用模拟弯管配置实现的LEO卫星108中，可以使用具有多位RF前端的定制设计(engineered)的解调器来消除2dB的硬限幅器损耗。

图33图示了根据本发明实施例的被配置为支持数据上行链路320的发射机3300的框图。在这一点上，将认识到，可以作为参考网络204的参考站的一部分或作为一个或多个导航装置102的一部分而提供发射机3300。例如，在一个实施例中，可以将发射机3300集成到手持防卫先进GPS接收机(Defense Advanced GPS Receiver)(DAGR)手持装置、蜂窝电话手持机、或任何其它紧凑的低成本的装置中。有利的是，可以将这种导航装置102配置为允许这种装置的用户经由数据上行链路320而从世界上的任何地方发送低等待时间(low-latency)文本或状态消息以便经由通信信号104A而进一步广播。

如图33中所示，使导航装置102的位置和时钟(例如，由导航解决方案(solution)3302提供)以及LEO卫星108的位置和时钟偏移(例如，由导航预处理器1912提供)不同以形成如所示的那样由定时提前计算块3308使用的先验(priori)定时提前参数τ₀。在这一点上，τ₀对应于超前时间(lead time)，其中应当将单独数据比特d_nm的发送提前所述超前时间以精确地在正确的时间和相位到达LEO卫星108。

然后，定时提前参数控制(govern)基带处理器中的信号合成。根据用户的偏好，在块3304中编码和加密要上行传输的数据。数据调制器块3306产生40％根升余弦脉冲，通过PRN产生器块3310和合成器块3312提供的适当的数据比特、PRN直接序列码和信道频率偏移来调制该40％根升余弦脉冲。可以并行地同时处理任何期望数目的信道。所述信号被求和，被上变频(在该情况下通过100MHz上变频)，被转换为实数形式，被从数字转换为模拟，并且被上变频到RF以进行广播，如由图33的块3316到3324示出的那样。

为了进行紧凑的和低功率的操作，可以将基带组件实现为位于DAGR或蜂窝手持机的经改装的基带设施(real estate)内。在一个实施例中，天线3324也可以用于DAGR或蜂窝手持机中的GPS信号。在一个实施例中，可以为手持机或紧凑的用途而实现数据上行链路广播硬件的功耗和形状因数(formfactor)。例如，在一个实施例中，这样的发送硬件可以由可从RF Micro Devices获得的RF2638芯片来实现，其提供10dBm的RF输出功率并且在3V处汲取(draw)25mA。

图34图示了根据本发明实施例的被配置为支持数据上行链路320的LEO卫星108的各种组件3400的框图。在一个实施例中，可以将LEO卫星108配置为通过天线3402和接收机块3404接收数据比特脉冲，并用所得到的判定，即+1或-1来填充内部帧结构。PRN产生器块3406命令以导航装置102和LEO卫星108两者提前知晓的型式在上行链路上进行跳频。还将直接序列PRN码通过PRN产生器块3408施加到进入的比特。与各种宏符号假设相关联的波形(由假设产生器块3410提供)被与进入的信号混合，然后由处理器3412(例如，以前面针对处理器718描述的方式)处理以提供所得到的数据消息3414。如同也在此描述的LEO信号104一样，正交编码为数据上行链路320提供出色的每噪声谱密度的比特能量(Eb/N0)性能。

数据上行链路320还包括依靠PRN编码调制的内置的测距信号。任选地，可以在LEO卫星108中提供延迟锁定环(DLL)以估计从导航装置102到LEO卫星108的距离。结果，可能执行反三角测量并且使用多个LEO卫星108来被动地三角测量导航装置102的位置。

有利的是，可以使用系统100来在多种应用中提供期望的特征。例如，在一个实施例中，系统100可以被实现为提供快速、受控(directed)的密匙更新(rekeying)。通过对于系统100使用公钥-私匙基础设施技术，可以在空中传递加密的业务密匙之前，使用双向数据链路来验证导航装置102。以这种方式，可以对特定用户、接收机、位置和密匙更新时间保持积极的控制。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持联合蓝军情况获知。在这一点上，导航装置102可以与附近其它友军分享位置信息，并且可以实时分享危险区域和关于敌方位置的信息。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持通信导航和空中监管交通管理。在这一点上，可以在飞行器中(例如代替飞行器的多模式接收机(MMR)中的天线和GPS卡)实现导航装置102以允许三类(Cat III)降落、内置通信链路、集成的自动相关监管和集成的基于空间的空中交通控制。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持搜索和营救。在这一点上，可以将导航装置102配置为提供用于军用和民用两者的全球E911特征。数据上行链路320的军用版本的LPI/D特性可以使改装的DAGR能胜任在敌对状态下使用。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持途中改变目标。在这一点上，可以使用由改装的DAGR发出的命令实时地命令制导军火或改变其目标。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持战斗损失评估。在这一点上，以人力或传感器形式收集的信息，包括位置信息，可以经由数据上行链路320快速地汇集。在另一实施例中，系统100可以被实现为支持可以实时汇集的通过位置相关的天气信息。

在另一实施例中，系统100可以被实现为允许导航装置102的网络汇集干扰器的功率的测量结果或者干扰器中的使用时间或频率特性以便三角测量它们的精确位置。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持点波束控制。在这一点上，用于为了抗干扰而控制点波束功率的权力机构(authority)的极限数据(envelope)可以被委托(delegate)给导航装置102。例如，如果受到干扰，可以将导航装置102配置为要求实时增加LEO信号104的广播功率。利用由政府政策确定的权力机构的极限数据，可以使这种实现方式能够用于军用或民用的生命安全用户。

在另一实施例中，系统100可以被实现为支持全球蜂窝文本消息发送。例如，可以在导航装置102(例如，改装的DAGR或蜂窝电话手持机)中提供数据上行链路320的能力以允许将文本消息发送到全世界的任何位置以及从全世界的任何位置发送文本消息。

上面描述的实施例说明了但不限制本发明。还应当理解，根据本发明的原理，很多修改和变化是可能的。因此，本发明的范围仅仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种执行导航的方法，该方法包括：

i.提供源自近地轨道卫星即LEO卫星的LEO信号，所述LEO信号包括通信信号和导航信号；

ii.接收所述LEO信号；

iii.从所述LEO信号解码所述导航信号；

iv.分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距信号；

v.确定与所述第一和第二测距源相关联的校准信息；以及

vi.使用所述导航信号、第一和第二测距信号以及校准信息来计算位置；其中提供所述LEO信号包括：

a.在多个发送间隙上提供多个发送信道，其中所述发送信道包括对应于所述通信信号的一组通信信道和对应于所述导航信号的一组导航信道；

b.产生与所述导航信号对应的第一伪随机噪声测距覆盖区；

c.将所述第一伪随机噪声测距覆盖区施加于第一组导航信道；

d.将所述通信信道和所述导航信道组合为LEO信号；以及

e.从所述LEO卫星广播所述LEO信号；

其中所述校准信息包括码定时、载波相位、数据位和符号相位。

2.如权利要求1所述的方法，其中导航信号是从由军用导航信号、商用导航信号和民用导航信号组成的组中选择的。

3.如任一项前述权利要求所述的方法，其中至少一个测距信号是从由蜂窝电话信号、电视信号和全球定位系统信号组成的组中选择的。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述LEO卫星是从由铱星卫星和全球星卫星组成的组中选择的。

5.如权利要求3所述的方法，还包括：

i.通过蜂窝网络接收导航信号的副本；以及

ii.使用该导航信号的副本、第一和第二测距信号以及校准信息计算所述位置。

6.如权利要求1所述的方法，其中通过从由手持导航装置、基于车辆的导航装置以及基于飞行器的导航装置组成的组中选择的装置来执行所述方法。

7.如权利要求6所述的方法，其中该方法的执行以导航装置拥有加密密匙为条件。

8.一种导航装置，其包括：

i.用于从近地轨道即LEO卫星接收LEO信号的部件，所述LEO信号包括通信信号和导航信号；

ii.用于从所述LEO信号解码所述导航信号的部件；

iii.用于分别从第一和第二测距源接收第一和第二测距信号的部件；

iv.用于确定与第一和第二测距源相关联的校准信息的部件；以及

v.用于使用所述导航信号、第一和第二测距信号以及校准信息计算位置的部件；其中所述LEO卫星包括：

a.在多个发送间隙上提供多个发送信道的部件，其中所述发送信道包括对应于所述通信信号的一组通信信道和对应于所述导航信号的一组导航信道；

b.产生与所述导航信号对应的第一伪随机噪声测距覆盖区的部件；

c.将所述第一伪随机噪声测距覆盖区施加于第一组导航信道的部件；

d.将所述通信信道和所述导航信道组合为LEO信号的部件；以及

e.从所述LEO卫星广播所述LEO信号的部件；

9.如权利要求8所述的导航装置，还包括：用于使用单频全球定位系统L1信号来估计电离层影响的部件。

10.如权利要求8或9所述的导航装置，还包括：用于使用所述导航信号和所述第一测距信号来为飞行器提供三维自动降落引导的部件，其中第一测距源是卫星。

11.如权利要求8-9的任何一项所述的导航装置，还包括：用于使用导航信号来提供垂直自动降落引导的部件。

12.如权利要求8-9的任何一项所述的导航装置，还包括：用于实现接收机自主完备性监控的部件。