CN106470901B - 改进性能和成本的全球导航卫星系统架构 - Google Patents

Abstract

在全球的基础上为位置、导航和定时（PNT）引入显著的成本有效的改进，特别增强全球导航卫星系统（GNSS）的性能，其一个示例是全球定位系统（GPS）。该解决方案显著改进包括准确性、完整性、获取的时间、抗干扰和电子欺骗保护的性能度量。与改进的信号处理组合的采用低成本架构的小卫星的星座产生对于频谱高效的运输移动性的可支付的使能器。随着空中交通管理现代化过渡到更依赖于卫星定位，该解决方案为航空用户提供免受对导航和监视的有意和无意干扰二者的新保护。并且响应于对汽车来说智能运输还在发展中的时期，可靠的车道中地方的定位实现在所连接的和自主车辆中的新应用。新的军事能力增加PNT可用性。

Description

改进性能和成本的全球导航卫星系统架构

本申请要求保护2014年2月26日提交的美国临时专利申请序列号61/944,752的权益。

背景技术

美国全球定位系统（GPS）卫星星座是一个在全球基础上向用户提供可靠的三维实时定位的巨大成功。其使用范围是巨大的，涵盖军用、民用和商业应用。其他国家正通过实施它们自己的卫星星座来效仿GPS的成功。这些包括俄罗斯的GLONASS、中国的Beidou、欧洲的Galileo以及日本地区的QZSS和印度的IRNSS。总体地，这样的卫星系统被称为全球导航卫星系统（GNSS）。

然而，几个问题阻挠由于存在由GNSS提供的显著改进的性能和能力的技术机会的进步。这些问题涉及（i）用于运输应用的准确性和完整性的快速获取，（ii）GPS的军用可用性，以及（iii）无线电频谱拥挤。同时，存在针对在公共部门和私营部门二者中的投资回报的增加的压力。关注还涉及GNSS对干扰和篡改（包括人为干扰、电子欺骗（spoofing）和位置证明）的敏感性。

联邦航空管理局（FAA）正引领国家的空中交通系统到被称为NextGen的新倡议的转变，从而强调基于卫星的导航和广播式自动相关监视（ADS-B）。欧洲和其他国家开始筹备类似的现代化。然而，尽管由GPS为航空和国家空域（NAS）带来了增大容量的巨大益处，但是关于潜在脆弱性的若干问题仍存在，特别是干扰（有意的或无意的）的问题。尽管GPS的能力是显著的，但是系统具有非常低的广播功率。甚至在机场终端区附近GPS频带的1瓦特人为干扰机将引起严重扰乱。还存在电子欺骗和窜改的问题。在该场景下，恶意方将尝试引入误导性的信号以使得控制器认为飞行器在与它们实际所在不同的地方，可能会对人和/或财产造成损害。

另一与篡改有关的关注是对NAS中无人空中系统（UAS）的越来越多的需求，特别是对商业UAS的需求。军用UAS可以载送采用军用加密的GPS广播的接收器设备，借此来保护免受电子欺骗。商业UAS用户没有资格集成这样的受控设备并且因此更易于受到电子欺骗的影响。在飞行器监视中，飞行器也需要向第三方可靠地证明它们的位置。在这些情况下会出现附加的脆弱性。

已打算通过逐步淘汰遗留二次监视雷达（SSR）而利用ADS-B的大部分潜在节省成本几十年来都没有实体化，这归因于对干扰的担心。积累操作经验和信心以收回遗留导航帮助可能会花费很长的时间。同时，FAA正追求一种替换定位、导航和定时（APNT）程序，它将实施与GPS无关的定位的备用方式。不幸地是，与载送遗留SSR系统、新的基于GPS的ADS-B系统、加上新的备用APNT系统相关联的成本可能变得巨大。

导航和监视基础设施的成本是巨大的，通常由空中导航服务供应商（ANSP）来负担，在美国的情况下为FAA。飞行器机载的航空电子设备的成本也是巨大的，由飞行器所有者或用户来支付。新能力的插入成本必须按它们的利益来调整或者将没有动力在空中交通管理现代化中前进。在改造的情况下，这点尤为如此。假如在相同的初始航空电子设备套装的情况下服务典型的飞行器操作寿命是30年，则创新的时间常数可以是漫长的。

所需要的是对GPS和GNSS的新的保护，从而增加对无意干扰、人为干扰和电子欺骗的弹性。还需要的是一种快速定位干扰发射机且禁用该干扰发射机的方法。当干扰发生时飞行器需要进行保护以免受干扰影响，并且地面能力需要能够以及时的方式作出响应以使任何中断的持续时间最小化。此外，新保护的插入理论上需要要求对飞行器航空电子设备的最小改变。这样的新保护应该需要换掉极少（如果有的话）航空电子设备硬件。

完整性是一种输出无危险信息的定位系统的知识。对航空还有益的是将新的准确性和完整性能力应用于更好保护、更弹性的GPS以便使用卫星实现更低的着陆最小值。FAA广域增强（WAAS）系统被设计成最终使得飞行器能够着陆到低至200 ft决定高度的能见度。改进的GNSS准确性、完整性和干扰弹性可以使得GNSS能够被用于自动着陆和零能见度的状况。最后结果将是在全球范围更多机场在较恶劣天气情况下更安全地准时抵达，所有都为了较低成本。

智能汽车运输也可受益于改进的GNSS功能，尤其当与车辆到车辆（V2V）数据链路集成以交换精确位置信息时。在事故避免和车道地方（where-in-lane）无人驾驶汽车应用中，传感器需要提供可信任的、厘米级位置信息。位置传感器（包括摄像机、惯性测量单元（IMU）、RADAR和LIDAR）基于各种各样的物理原理。每个传感器在操作环境方面具有其自己的优势和劣势。实际系统集成必须意识到成本并且还应该采用多种多样的传感器来实现总体鲁棒解决方案。

摄像机是低成本的但是易受阻挡、基于计算机的场景解释中的误差以及在低能见度状况下（诸如雾、雨和雪）降级的影响。RADAR也是低成本的并且在所有天气状况中操作，但是不提供完整的情境感知。RADAR要求视线在其使用方向上并且可能被其他车辆或障碍物阻挡。IMU（尤其是微机电系统（MEMS））可以被制造成低成本的并且提供极好的短期精度。然而，IMU易受漂移影响并且必须由独立定位源来连续校准。LIDAR提供全面的情境感知，但暂时仍是昂贵的。此外，LIDAR易受在差能见度状况下降级的影响。最后，上面的定位传感器一般不会拥有用于得到完整性的固有手段。

所需要的是用于融合多种多样的传感器类型的可靠装置以及在富有挑战的环境状况（包括差的能见度和射频干扰）下利用在几十秒内从冷启动收敛于操作状态的内置生命安全类完整性将GNSS可靠地改进到厘米级的装置。所有候选汽车传感器之中，仅GNSS能够提供绝对位置准确性，即关于固地坐标系的。包括准确性和完整性二者的这样的鲁棒定位能力还将有益于实时地图维护和IMU校准。

军用也关心GPS现代化。然而，军用通常不会对大多数任务有准确性或完整性要求。然而，军用确实需要在阻挡的状况（包括城市峡谷和多山的状况）下的增加的可用性。所需要的是增加对用户可访问的军用基于空间的定位、导航和定时（PNT）测距源的数目的成本有效的方法。

在尝试增加GPS信号功率中军用还面临显著增加的成本。预期在中地球轨道（MEO）中使用的大直径可部署天线对制造和昂贵是有挑战性的。所需要的是一种增大花费较少的军用基于空间的PNT的功率的方法。

目前农业、勘测和离岸应用将辅助网络（诸如OmniSTAR、StarFire和Veripos）用于GPS以用于全球亚分米精确导航。然而，这些系统并未被设计成提供完整性来抑制不良位置修复。它们还会花费长达45分钟来从冷启动收敛。离岸用户还需要弹性覆盖，尤其对于比如动态平台定位的关键服务。所需要的是一种加速启动时间、扩展到真正全球覆盖以及提供新弹性途径的方法。

GPS现代化已经导致引入第三民用频率。第三民用频率的拥护者认为它将允许跨长基线的快速循环模糊度解析以及电离层估计[参考文献1]。不幸地是，这样的方法引入各种问题，包括在存在故障或罕见正常状况的情况下不会完全降级的导航。此外，在完全GPS星座操作之前引入新频率计划要花费若干年。

三个现有技术发明[参考文献2一直到4]采用近地轨道（LEO）卫星的星座（包括铱系统和全球星系统）来提供增大的准确性性能。这些发明使现有技术前进，但是在实际实施时在尝试中存在实践障碍。在近二十年里，因为所引用的申请被提交，所以申请人不知道任何操作或规划的实施例。

与承包商Boeing、Iridium、Rockwell Collins和Coherent Navigation一起工作的美国海军已开发了一种系统[参考文献5和6]，其采用铱系统作为改进用于军用目的的GPS反人为干扰的一种手段。该系统使用来自铱系统星座和相干检测的帮助来改进可应用于普通GPS接收器的反人为干扰。虽然针对抗干扰的这样的方法可能对某些特定应用有益，但是在更广阔的背景中它需要专用的新用户设备部件来以与现有GPS系统设计一致的功率级在新的频带操作。所需要的是将抗干扰带入到高准确性和完整性、成本敏感的GNSS应用中的甚至更实际的方式。

FAA WAAS提供用于精确逼近和着陆（最终被设计成下至200英尺决定高度）的几米的准确性以及生命安全完整性。然而，在干扰的情况下其设计不会顺利。例如，甚至小量的人为干扰就可以切断支撑WAAS的数据消息。这意味着警报和差分校正是不可用的。此外，GNSS测距测量结果在干扰期间也被降低或丢失。所需要的是以一种具有最小的硬件改变的实际方式改进针对民用和商业运输用户的干扰的改进的弹性。

频谱是PNT中的新出现的问题。最近努力已经寻求在邻近GPS的频带中建立宽带网络。在数以千万计的GPS接收器的安装基座中的前端射频滤波器假定在该邻近频带中的功率级被理解为明显小于新提出的计划。当前趋势是朝向化解应用冲突所必需的增加的频谱管理演进。尤其对于生命安全应用（诸如航空和汽车），所需要的是对于基于空间的PNT架构的及时技术方法，其关于频谱高效并且能够安全地共存而没有在相邻频带中运行的宽带应用的情况下的降级。

从军用角度来看，还没有为将点波束添加到卫星的对GPS的所要求的扩展提供经费。此外，由于遮蔽在将GPS卫星的数目从当前要求的24个增加到30个以改进可用性中存在增长的DoD的兴趣。所需要的是新的军用性能，包括在近期内可负担地实施的高遮蔽角可见性和连续区域性高功率。

发明内容

本发明提供具有成本有效的针对干扰和篡改的保护的改进的、世界范围的GNSS性能。GNSS频带中的广播通常仅基于软件改变而与现有用户设备兼容。数据和精确测距信号的早期应用是下一代运输机动性，包括航空导航和监视以及汽车事故避免和车道地方定位。对于汽车来说，要求包括1m警报限制的厘米级准确性、生命安全完整性和每次暴露的危险误导信息的消失概率，以及几十秒的冷启动获取时间。为了适当地引入汽车自动驾驶仪时代，指导必须是无可挑剔地可靠和普遍存在的。高完整性能力还应用于军事应用，包括有人驾驶飞行器和无人驾驶飞行器的航母着陆以及编队飞行。对于军事应用来说，还提供较高遮蔽角和较高功率的附加GNSS可用性。并且对于重机控制（包括农业、勘测、开采和离岸应用），提供快速的准确性收敛。

该解决方案基于载波相位和相干检测，由此提供高精度。这样的相干检测被用作准确性、完整性和抗干扰的基础。本发明使用LEO星座来一直全球地向用户提供快速角运动和有利的几何结构。快速角运动帮助将精度转换成准确性，实现生命安全级完整性以及快速冷启动收敛。在大多数情况下通过接收器自主完整性监测（RAIM）来提供完整性。这里描述的载波相位精度、快速角运动和实际系统架构的组合将RAIM带入新的性能等级。

根据交通部门（DOT）ITS网站上报告的统计，通过实现增加的事故预防和无人驾驶汽车，改进的运输系统每年可以潜在地挽救数千人的生命以及几十亿加仑汽油。本发明以低成本提供其导航准确性和完整性性能。因为本发明仅要求窄带载波相位，所以对于定时和测距而言明确地不再需要码扩频。因此，对于GNSS仅需要最小的频谱带宽——理论上小于100kHz。民用GNSS可以与高功率宽带共存，由此使得有价值的频谱更加可访问。

本发明还将公共密钥基础设施（PKI）和联网原则应用于LEO卫星以使得它们能够与任何定义的GNSS码一起安全地使用。类似的技术可以被用于民用目的以向GPS提供民用认证叠加。本发明引入信号中的水印和特殊数据，其可利用RAIM完整性解决方案而被独立地验证和交叉校验。这样的叠加可以提供利用用于现有航空接收器和新UAS接收器的严格阈值的全面检查以便在仅仅几年内操作。不要求对GPS星座的改变。

还通过提供用于在时间和空间上配准的宽带采样的平台，本发明还提供用于对杂散发射机进行地理定位的装置。因此，覆盖任何场景。用户设备工作来实时战胜干扰和电子欺骗以使得操作可以继续。同时，本发明及时提供引导到干扰源的信息，由此使拆卸（takedown）时间加速并返回到正常操作。军用和民用应用二者都是切实可行的。本发明操作于任意波形。快速角运动甚至与窄带发射机一起工作，所述窄带发射机的周期模糊度以其他方式引入周期模糊度。

附图说明

图1示出整个系统的操作概念（CONOPS）。

图2示出SurePoint^TM卫星有效载荷架构。

图3示出用于卫星有效载荷的发射/接收模块。

图4示出有效载荷基带功能架构。

图5示出独立卫星的物理配置。

图6示出卫星参考设计演进。

图7示出物理LEO广播几何结构。

图8示出由基线星座提供的全球覆盖。

图9示出集成的GNSS-LEO几何结构。

图10示出星座中码重用的示例。

图11示出星座单发射配置。

图12描绘被设计成排除重新接触的多个卫星的按序部署。

图13示出由用于单发射插入的轨道平面定相的部署。

图14图示服务数据处理功能。

图15示出用户设备硬件。

图16示出接收器导航处理架构。

图17示出为用户近似完整性的可用性的示例。

图18示出利用完整性提供安全标度的传感器融合功能。

图19示出利用系统实现的抗干扰的改进。

图20示出邻近GPS的宽带频谱。

图21示出各系统的民用运输系统。

图22示出系统与单频卫星和探测车的集成。

图23示出沿着特定卫星的路线投射的所估计的局部电离层和对流层的投射的一个示例。

图24示出在无干扰分析的背景下的信号设计。

图25示出对GNSS的民用信号认证叠加。

图26示出用于证明用户位置的操作的概念。

图27 a、b和c示出用于证明位置的支持部件。

图28示出如何将未校准的时钟应用于精确定位。

图29示出使用街道级伪卫星的对城市操作的扩展。

图30示出使用高架伪卫星的对城市操作的扩展。

图31示出军事应用到抗干扰和高仰角操作的物理配置。

图32示出用于军事抗干扰的操作的概念。

图33示出功率放大器以及其相关联的热管理。

图34示出集成的航空器功率和热子系统的侧视图。

图35示出高功率航空器概念设计。

图36示出用于快速获取准确性和完整性的操作的概念。

图37示出操作的发射机地理定位概念。

图38示出发射机地理定位几何结构。

图39示出K频带水汽吸收线。

图40示出交叉链路掩蔽几何结构。

图41示出网络的物理表示的时间演进。

图42示出在最初时期（epoch）的网络的物理表示。

图43示出在随后时期的网络的物理表示。

图44示出单个卫星的操作时间线。

图45示出区域性分布式孔径配置。

图46示出全球分布式孔径配置。

图47示出来自分布式孔径的高分辨率天线图案的一个示例。

图48示出分布式孔径卫星元件。

图49示出用于航空器动量管理的模式。

图50示出从太阳能压力导出的航空器转换模式。

图51示出分布式孔径的部署配置。

图52示出高级有效载荷的半导体模块定义。

图53示出航空器级数字路由和波束形成。

图54示出集中式的波束形成配置。

图55示出中心（hub）航空器数字路由和波束形成。

图56示出分布式波束形成配置。

图57示出星座交易空间。

图58示出使用分布式孔径的高级电子欺骗场景。

具体实施方式

本发明的一个目标是提供高性能全球可扩展的PNT（甚至在干扰、人为干扰、电子欺骗和其他篡改的情况下）又朝向低成本推动二者，同时特别在以其他方式禁止升级安装的基座时实现现有用户设备的使用。传统上，对较高功率干扰的响应是较高功率信号。快速角运动和载波相位的相干精度为改进的性能提高的根本物理基础。本发明的目标是应用新的信息、网络、全球敏捷性和高级信号处理来完成可负担的可用性、保证和弹性方面的改进。

全球性架构

如图1中描绘的操作的总体系统概念是对故障、干扰和攻击鲁棒的分布式的联网系统。在优选实施例中，每个卫星采用单串冗余。通过增强GNSS卫星，该架构添加了多个低成本卫星和伪卫星定时和测距源、交叉链路、馈送链路和地面处理中心。

在图1中，GNSS卫星正常地广播。典型地，电离层是误差和潜在危险地误导导航信息的主要误差分量。优选实施例采用双频带的双频带来消除或减少电离层误差并使所需的地面站数目最小化。此外，现有的GNSS频带被采用。该架构利用具有很小硬件修改或没有硬件修改的现有的和规划的用户设备以及对于生命安全频谱的现有ITU保护。使用世界各地的地面站网络来校准它们的定时和测距信号广播。这些原始测量结果被传达给一个或多个操作中心。SurePoint^TM纳米卫星的星座为世界各地的用户和监测器网络广播定时和测距广播。SurePoint^TM卫星经由天顶安装的天线接收GNSS信号并且经由有效载荷数据回程将测量结果传达给操作中心。通过该同一回程和连接到操作中心的地球终端（ET）来传达TT&C以及其他有效载荷数据和命令。交叉链路提供在独立于GNSS的在彼此视场中的任何给定的SurePoint^TM卫星对之间的双向定时和测距测量结果。操作中心估计GNSS和LEO卫星轨道、时钟、GNSS数据以用于擦除目的，并且监测地面和空间段的完整性。使用PNT LEO数据广播经由作为主要方式的有效载荷数据回程与经由一个或多个陆地广播路径（包括商业无线网络）的备用方式将操作中心信息中继到用户。自由运行的伪卫星提供附加的替代覆盖，尤其在城市区域中。空间中的信号提供用于鲁棒的高性能用户定位（包括RAIM完整性）的总体方式。该系统架构允许用户设备在存在干扰或电子欺骗的情况下继续操作。

准确的轨道确定是一种不间断的连续过程。预测总是可用的。观测值和数据源于以下无电离层的代码和载波观测值来源中的一个或多个：GNSS的天顶天线测量结果、来自天底任务天线的地面站测量结果、SurePoint^TM卫星对之间的双向交叉链路、以及经由地球终端接收和发射的数据回程。

如果GNSS在全世界不可用，则交叉链路和下行链路提供足够的观测能力来预测轨道。在优选实施例中，该系统还能够预测跨过各操作区域的轨道，其中干扰或其他不可用性会暂时抑制新鲜的轨道确定观测值的到达。

来自上文针对轨道确定列出的同一组观测值的实时更新还可应用于实时校准航空器时钟。然而，不像对于轨道确定那样，本发明的一个目标是能够在（i）卫星上没有原子钟的情况下以及（ii）根本没有实时校准的情况下操作。如果干扰或其他不可用性降低下行链路和/或数据链路的任何组合或者以其他方式隔离SurePoint^TM卫星，则卫星上的发射器将继续运行并在高达干扰对信号截断阈值的情况下为用户提供定时和测距。

本发明的一个目标是仅采用稀疏全球地面站网络覆盖而不是要求用户附近地面站的密集网格。每个地面站通过可靠的陆地数据链路向服务数据处理器发送伪距离码和载波观测值。在优选实施例中，一些地面站具有来自美国海军天文台（USNO）主时钟的直接硬线馈送以便维护对通用协调时间（USNO）的参考，甚至在GPS丢失的情况下。

在优选实施例中，多个服务数据处理器被分布在网络上以便在故障情况下提供冗余。原则上，服务数据处理器还可以位于空间中，可能共同位于SurePoint^TM定时和测距卫星上。

该网络还需要为某些波形（例如为GPS C/A码）生成擦除数据位。使该波形与通过无线广播递送的传入擦除位混合会产生用于持续集成的纯载波。对于载送较少数据的先导分量的现代化信号而简化载波重构。在优选实施例中，将数据位的实时流的组合与利用GPS数据流中的已知重复特性的预测性实施方式相组合。

卫星和星座设计。

图2示出SurePoint^TM卫星有效载荷架构。诸如ARM的中央处理器协调机载功能。在FPGA（诸如Xilinx 4 SX55）中发生信号处理。所有信号都与主振荡器同步。广播经由四相移相键控（QPSK）调制器发生。功率被控制以便效仿与可比较的GNSS信号定义指定的相同的陆地接收功率。对于任何给定GNSS频带，天底射频广播级通常是大约1瓦特。在优选实施例中，GNSS信号覆盖至少GPS频带（L1、L2和L5）以及伽利略频带（E1和E5）。还可支持来自任何GNSS的附加信号。一组嵌套的等通量四臂螺旋式天线被用于天底有效载荷天线，其被用于广播和发射机定位二者。A/D转换器将上行链路信号耦合到数字处理器。GPS接收器是与主振荡器同步的硬件和软件。

实现导航有效载荷广播可以由地球的区域来调度，由此在卫星上节省相当多的功率。例如，SurePoint^TM卫星可以在美国及其海岸线上广播类似GPS的民用或商业信号，在欧洲及其海岸线广播Galileo，并且在冲突地区广播美国军用信号。

馈送链路回程和交叉链路在K频带操作。在中央处理器中实施软件路由器来支持馈送链路、交叉链路和有效载荷下行链路。

在图3中示出用于卫星有效载荷的发射/接收模块。相位和功率控制规定使得有效载荷、馈送链路和交叉链路天线能够被配置为成形光束相控阵，如果必要的话。

图4中的有效载荷基带功能架构示出FPGA中信号处理的实施。有效载荷主时钟将航空器的数字时间保持为最近参考时钟边沿。基于每个第二硬件输出的GPS接收器脉冲，有效载荷时钟还可以与GPS接收器时钟对准。发射处理功能采用伪随机噪声码生成器和数据缓冲器来为有效载荷下行链路、馈送链路和交叉链路构造定时、测距和数据广播信号。接收跟踪和解调功能将传入的馈送链路和交叉链路信号转换成所接收到的数据流以及定时和测距码以及载波相位观测值。中央处理器操纵相关器通道数控振荡器关闭跟踪环路。对于发射机定位应用，接收采样功能执行预处理（诸如开凹槽（notching））和压缩（包括频带限制）。

图5示出独立卫星的物理配置。该原型具有小于10kg的估计的质量，因此适合纳米卫星的定义。为了使用户接收到的信号功率与GPS的信号功率一致，对于每个广播信号，SurePoint^TM卫星的小的覆盖区（footprint）仅要求大约1射频瓦特。所示的总线是测量10x10x50 cm 的5U形状因子。示出半球天顶天线连同天底等通量任务天线。卫星的垂直形状因子与被动重力梯度姿态稳定一致作为备用，其中主动3轴控制被用作首要的。电推进推力器被示为以沿轨道方向发射以用于轨道插入和位置保持。

图6中示出卫星参考设计演进。在左上方的紧凑的四臂螺旋产生简单窄的覆盖区。根据相位调整，在左下方示出的阵列使用多个紧凑天线来逼近等通量模式或以其他方式形成不同波束。在右上方，四臂螺旋形成宽覆盖区等通量模式。该天线还可以被嵌套在不同频带中。通过采用1.5匝和10的长度直径比，该天线可以在6dB的频带内提供均匀LEO等通量，其轴率跨下至5度的所有仰角比2dB好得多，因此满足FAA WAAS接收信号功率要求[参考文件7]。在右下方，贴片天线阵列形成适合于军用高功率和高仰角使用的定向波束。将定制的MMIC用于T/R模块、上/下变频器、ADC和DAC会显著减小每个卫星的尺寸和成本。

图7示出物理LEO广播几何结构。按照比例来示出轨道，其中卫星尺寸被放大。品红轨道描绘基线部署的示例，名义上提供同时看得见的至少两个SurePoint^TM卫星。青色轨道描绘扩展的极点到极点覆盖，从而提供同时看得见的至少三个SurePoint^TM卫星以用于在发生偶然故障位的情况下的附加余量。

图8示出由基线星座提供的全球覆盖。品红色轨道是具有8个平面的Walker配置。还示出包括三个SurePoint^TM卫星的位置固定。

图9示出集成的GNSS-LEO几何结构。

图10示出星座中的码重用的示例。这样的重用对于GPS C/A码尤其必要，该GPS C/A码不仅具有高互相关性还具有可用于覆盖星座中发射器总数的有限数目的限定分配。高效使用必须由新的PNT星座来完成。对于随着时间推移的所有可能的星座几何结构，没有PRN可以占用与其自己邻近的轨道位置。该图示出对于具有8个轨道平面的Walker配置（提供在大多数纬度的用户看得见的至少两个卫星）如何才能实现这一点的一个示例。在这种情况下，可以使Walker配置在所有时间调整都仅需要16个唯一PRN码。在叠加或邻近的覆盖区中不使用PRN码，并且当PRN码被重用时存在空间最大分离。

插入、维护和冗余

在MEO中，卫星轨道平面改变是不切实际的。原则上，LEO卫星可以以给定倾斜度发射到任何赤经中，然后使用交点退行（nodal regression）进动（precess）到任何其他平面。如果使进动成为插入序列的一部分，则在发射时改变平面是尤其便宜的。为了规模经济，大量较小卫星可以共享同一运载火箭（launch vehicle）。随后，每个卫星可以单独地基于允许每一个漂移多久而以任何平面和轨位（slot）为目标。对于存储轨道中的备用件来说快速漂移可以是不明确的。一旦卫星在操作轨道中，该卫星到另一平面的进一步漂移仍是一个选项，在推进剂使用和时间之间进行交易来解决故障。从一个轨位到下一个的这种容易进入实现单串节约策略。LEO卫星提供在几天内阻止实际上任何卫星故障的能力。同时，用户几乎没有注意到断电，至少因为它通过得太快并且至多因为那些短LEO通过的预测性使得用户能够围绕其可用性来规划。基于漂移的插入开创了各种各样的运载火箭选项。图11和12示出如何将卫星成组地发射，以及可能地一次整个星座，以便降低成本和控制运载火箭机会可用性。单中扬程增压运载火箭产生质量和体积余量。多个卫星的顺序部署阻止再接触。

优选实施例采用用于全生命周期（包括插入、定位、重新配置和离轨）的电力推进。一旦运载火箭插入已发生，就存在以低推力配置轨道并且因此利用高效率的时间。电喷射推力器具有高比冲，要求最小尺寸、重量和功耗（SWaP），在通常小卫星上发现的低DC输入电压操作，以易于处理的液体形式提供压缩推进剂，并且提供精确操控分辨率以使对导航任务功能的破坏最小化。

图13示出单发射部署序列。观看框是在几个月内的时间推移，其中观看者的赤经随着操作星座的参考上升节点的赤经行进。为了观看得清楚，还关于星座的参考上升节点来固定地球旋转角（观看当日时间）。以青色示出的插入轨道关于操作星座以恒定交点进动率漂移。机载推力器逐个平面地点火以将各组卫星提升到操作高度和定相。在该框架中，操作平面看起来是稳定的。当插入轨道完成其进动时，最终组卫星的轨道被提升，并且该部署完成。

以类似的方式，多次发射可以插入单个平面或少量邻近平面的组。

载波相位定时和测距框架

下面的处理解决卫星轨道和时钟估计以及用户位置和时钟估计。

图14图示服务数据处理功能。系统观测值被路由到轨道估计器、时钟估计器和完整性监测器。轨道估计器被设计成提供具有有效连续预测前瞻的亚分米级解（solution）。时钟估计器根据充足系统观测值的可用性来操作，所述系统观测值中的一些或所有可能由于干扰而不可用，并且使得预测达到完整状态估计不可能的程度。服务数据聚合器对该解连同系统内务数据和GNSS数据位擦除信息一起封装并且经由可用数据链路路径（包括直接卫星广播和陆地数据链路）将其路由到用户。完整性监测器不断地解析原始观测值和解并且标示差异。警报也被路由到用户。经由回程来路由轨道解以支持地面和空间段内务管理功能。还示出发射机定位功能。由天底任务天线得到的样本在时间和空间上被配准，并且然后被路由到基于互相关的TDOA/FDOA发射机定位处理块。全面全球估计器对所有数据进行操作以达到探测车采用的程度。电离层和对流层估计被路由给用户。全面解（包括路线高度和映射更新）被离线地累积。

可应用于卫星和用户二者的旋转固地参考系中的导航方程是：

其中，c是光速，是第i个发射器信号被第j个接收器接收到的时间，t是信号被发射器广播的时间，是第j个接收器位置，是地球旋转向量，并且是第i个发射器的位置，所有都是在固地参考系中给出的。忽略高阶项，

。

如在本领域中熟悉的那样，如下通过真空介质光速距离和发射器与接收器时钟偏移之和来给出从发射器到接收器的伪距：

其中，是发射器时钟偏置并且是接收器时钟偏置。在实际实施中，可以如下包括测量误差：

在这里，是电离层误差，是对流层误差，是可应用于载波相位伪距测量结果的载波相位周期模糊度误差，是多径误差，并且是对于每个通道的热噪声和干扰。

我们假定发射器和接收器位置的近似估计分别是和，忽略小项，并且关于该近似对位置的摄动求解。由下式给出所得到的残余伪距：

其中，是从每个发射器到接收器的单位向量并且是位置估计误差。更详细地，还可以采用先验位置模型，例如其包括轨道模型（其摄动是笛卡尔初始位置和速度的函数）以及惯性测量单元模型（其摄动是笛卡尔位置和速度偏置以及姿态、加速度计和陀螺仪偏置的函数）。在一般情况下，杠杆臂校正向量b被用来通过作为飞行器姿态q（在该示例中由四元表示来参数化）的函数的3×3正交旋转矩阵A将如由质量中心或任何其他参考点定义的用户或人造卫星（satellite vehicle）位置映射到天线相位中心位置：

。

给出的电离层误差相关性，双频或多频测量使得无电离层的观测值能够通过为各频带之间的观测方程定标和差分化来构造。在足够高频率的交叉链路的情况下，诸如Ka频带，有可能使用单个频率或频率窗口并为电离层误差划界。在载波相位测量的情况下，对于这种处理的简化假定是多径是小的或者至少与测量噪声同等。实际上，本领域技术人员可以将各种处理应用于多径以便使性能（包括高斯-马尔可夫模型）最大化。

卫星轨道和时钟估计

在进行用户定位之前，重要的是建立GPS和LEO航空器轨道。GPS接收器的地面网络（诸如IGS网络）可以建立精确GPS轨道和时钟解。然后可以将这些GPS解与由LEO航空器从GPS得到的原始伪距测量结果组合，在这里如下给出简化形式的观测方程：

在这里，n质数符号被用来指示从无电离层观测构造得到的略有噪声的测量结果并且每个观测值从GPS卫星i给予LEO卫星j。一般说来，收集在多个GPS卫星中的观测值时间序列并且然后将其用来对位置偏移和偏置求解。每个连续解迭代地告知改进的轨道估计直到收敛为止。

一般来说，GPS单独用来确定LEO卫星轨道将是不够的。例如，GPS频带中的人为干扰可能阻止LEO卫星适当地接收GPS信号。但是更定期地，当LEO卫星在GPS频带中发射时，同时在GPS频带中接收一般是不切实际的。在这些情况下，将带外交叉链路与LEO卫星广播的基于地面的下行链路测距组合。于是交叉链路观测方程变成：

其中，每个观测值从卫星i给予卫星j。在优选实施例中，交叉链路也以双向模式操作，从而允许改进的可观测性。然而，交叉链路自己的测量结果不足以完全表征LEO卫星轨道和时钟。如下将LEO发射器下行链路的地面测量结果添加到观测值：

其中，每个观测值从LEO卫星i给予地面参考站j。对于地面测量结果，我们假定，或者通过单独的原子标准或者通过在地面参考站点处GPS卫星的同时监测良好地直到接收器时钟和对流层。因此，通过下式给出无电离层地面下行链路观测值：

。

对于任何给定时期，对于GPS卫星、交叉链路和多个LEO卫星的下行链路的同时观测值被收集并且组合到下面的观测矩阵中：

其中，构造的目的是求解一对邻近卫星i和j的轨道和时钟，以及GPS测距链路到LEO卫星i的偏置的向量、该对LEO卫星之间的双向交叉链路偏置和，以及从每个LEO卫星到地面参考网络的两个偏置向量和。堆叠的向量 使预检测间隔上的连续噪声离散，针对每个残余载波相位伪距有测量噪声。

一般来说，需要观测方程的时间历史以便以高完整性求解未知量。下面的简写符号使上面的矩阵方程缩写：

其中，1矩阵是具有适当符号的一的向量的缩写表示，R矩阵是单位向量的堆叠并且I矩阵是单位矩阵。在交叉链路的情况下，已经利用适当的零空间来使单位矩阵扩展。一般来说，可同时估计许多LEO卫星的时钟和轨道。来自单个时期的观测矩阵然后呈现下面的结构：

。

在优选实施例中，观测值结构对人为干扰和干扰（包括来自LEO发射器自身的）是鲁棒的。在该示例中，来自LEO卫星2和3的发射器阻止在给定时期GPS的接收。可以利用GPS、交叉链路和下行链路观测值的组合来在长时间间隔上估计轨道解，其中缓慢变化的轨道分量和恒定偏置分量可以根据新的最初测量结果被合并到观测方程的左手侧，由此如下留下要被估计的更快速变化的时钟分量：

。

在该示例中，GPS有助于校准LEO卫星1的时钟解，地面参考网络有助于校准LEO卫星3的时钟解，而在三个LEO卫星的三对之间的交叉链路将三个卫星的时钟解联系在一起来为总体提供最优的时钟估计。

以简化的形式，轨道和时钟观测方程可被写为：

，

其中，是GPS、交叉链路和下行链路观测值的对于每个LEO卫星的残余伪距测量结果向量，是时钟矩阵的串联，是卫星单位向量的串联，是伪距偏置单位矩阵的串联，是针对每个时期的LEO卫星时钟偏置解的向量，是针对每个LEO卫星的轨道误差估计的示例，并且b是GPS、交叉链路和下行链路偏置的向量。可以如下将K个时期上的观测矩阵堆叠：

。

可以使用最小平方法来在一直到目前的间隔内求解该组方程。实际上，不是所有的矩阵元素都被填入。适当地从矩阵删去计及不可用的观测值或者将各种定时和测距链路带入和带出视线的卫星几何结构。在优选实施例中，将观测方程的卡尔曼滤波器实现与精细时钟和轨道模型组合。在优选实施例中，还利用具有适当的码相位多径模型的基于码相位的估计来增强估计。

可以使用RAIM来评估该解的完整性。如下形成对于单个卫星的残余测试统计Q：

。

优选实施例将解和测试统计扩展成同时包括在多个时期上的所有卫星以及相关联的估计参数。

用户位置估计

图15示出用户设备硬件。双频带前端考虑到无对流层误差的定时和测距测量结果。振荡器驱动为整个设备提供等位定时的本地振荡器合成器。通过采样将射频信号直接下变频到基带。希尔伯特变换为相关器产生复基带样本流。

图16示出接收器导航处理架构。状态被定义为看得见的每个GNSS和SurePoint^TM卫星的向量位置、速度、姿态、用户时钟时间和速率、加速度计偏置、陀螺仪偏置、天顶对流层以及时钟和时钟速率项。卡尔曼滤波器时间更新被示为传播函数（propagator）（包括协方差）库。使用从操作中心服务数据处理器散播的星历表示参数来生成卫星位置。来自操作中心的时钟参数还被用来预测卫星时钟状态。先验状态传播被用来为相关器NCO生成前馈伪距。通过平方根信息实现和高效QR矩阵分解的数值稳定性来促进测量结果更新。

一旦准确地知道LEO卫星时钟和轨道，该信息就被参数化且传递给用户来帮助用户定位。如图1中所示，可以通过陆地数据网络或空间网络将轨道和时钟信息传递给用户。

使用在长的时间常数内看得见的多个卫星、使用乘以倾斜因子的其天顶值来估计对流层误差，其中是卫星仰角。因为LEO卫星的快速角度覆盖，将会容易地认识到还可采用更详细的对流层模型，例如合并方位角分量以适应诸如前面附近的不规则天气特征。在没有进一步特别关注的情况下再次假定载波相位多径被平均下来。

惯性辅助是针对干扰场景的一种选项。如果用户设备没有抗干扰的要求，则下面的惯性处理可能被取消。

优选实施例中的用户设备确实利用惯性测量单元（IMU）作为对SurePoint^TM估计的高度补充。对于航空改造，许多操作飞行器已经采用高质量IMU。IMU性能和成本中的趋势也是有利的。MEMS技术可以通常提供几秒的载波相位级稳定性。此外，新技术即将到来，包括如当前由DARPA研究的基于来自玻色-爱因斯坦凝聚的干扰模式的新的高性能IMU。优选实施例在它可能变得可用的这样的时间利用任何这样的新IMU技术的全部潜能。

对于卫星i，用户状态估计方程是：

其中，是关于向北、向东、向下坐标系的用户残余位置估计误差，并且是用户时钟误差。因为卫星轨道和时钟误差被估计，所以可以如下根据新的最初观测值来将这些项收集在方程的左侧：

。

惯性模型如下应用由Bar-Itzhak导出的对于误差传播的三维线性化方程[参考文献8]：

，

其由惯性测量单元状态位置估计误差、速度估计误差、相对于标称用户姿态的线性化3轴姿态估计误差、加速度计偏置和陀螺仪偏置估计误差组成，并且其中所有w向量都表示随机噪声误差。对于陀螺仪和加速度计偏置的高斯-马尔可夫模型近似已经被添加。此外，应用下面的定义：

，

其中，是归因于重力的本地加速度，R是地球的半径，并且和分别是投射到向北和向下方向中的地球旋转向量的分量。

用户可以采用车辆上的多个天线（如果应用批准的话）。估计方程针对所使用的每个天线简单地重复，但是对于每个天线具有单独的杠杆臂值。该框架还可以被应用于集成受控辐射模式天线（CRPA）。

传统的超紧耦合的非相干点积鉴别器首先被用来近似地估计用户位置并确保接收器处于粗锁定。然而，该鉴别器不会为持续的相干积分提供基础。在干扰或人为干扰下，这样的鉴别器的准确度降级到很大一部分码芯片的准确度，即在军用信号的情况下几米。

相干积分在干扰条件下提供精确观测值。可以在维护一小部分波长的时间或位置稳定性的时间间隔方面以简化形式表征驱动惯性和时钟项的过程噪声。在位置方面目标是0.5cm量级——等于在时间方面的大约20皮秒乘以光速。某些使用实例采用具有长于20秒的时间常数的惯性测量单元，同时所使用的振荡器通常在仅几百毫秒内是足够稳定的。对于看得见的N个卫星的观测值可如下堆叠：

。

在不存在过量测量噪声的情况下，该方程可以以简短形式表述如下：

。

根据GPS卫星观测值，惯性偏置一般是可观测的，除了在惯性测量单元时间常数内的位置偏移之外。因此，当惯性模型与上面的观测方程集成时，组合简化下面的有效观测方程：

。

在某种程度上持续的相干积分可能用于振荡器时间常数（典型地300毫秒到500毫秒）内的抗干扰以便形成对于时期k的观测值向量：

。

可进一步在K个（多个）时期内如下堆叠该方程：

。

实际上，不是所有的矩阵元素都必须被填入。从矩阵适当删去计及不可用的观测值或者将各种定时和测距链路带入和带出视线的卫星几何结构。

可以使用最小平方法来在一直到目前的间隔内求解该组方程。与单独使用GPS的几十分钟相对，当远离任何基于前进的基础设施进行操作时，如在R和h矩阵元素二者中表明的LEO卫星所提供的几何结构的迅速变化提供在几十秒内的收敛和强可观测性。

通过评估下面的测试统计来添加RAIM，以建立完整性。

在优选实施例中，将观测方程的卡尔曼滤波器实现与精细时钟和轨道模型组合。在优选实施例中，还利用具有适当的码相位多径模型的基于码相位的估计来增强估计。此外，在其中完整性很重要的应用中，优选实施例是向前向后平滑，其回顾间隔被设置成确保服务的可用性。

Joerger等人描述了如何使用平滑器来获得高完整性解[参考文献9]。

在优选实施例中，完整性处理包括影响该解的所有卫星状态连同用户状态。

对于生命安全的高完整性

优选实施例使SBAS和GBAS准确性和RAIM完整性显著变紧。WAAS警报、GPS测量结果和FDE通常会随着干扰降级。SurePint^TM系统通过在对于所有飞行截断（包括类别III精确着陆性能级）的干扰情况下实现对于高边缘的紧RAIM警报限制（~1m）来补偿。这样的紧RAIM保留FDE的有效性，即使卫星警报不能被传达给航空器。并且内置干扰定位使发射器拆卸加速以便消除对导航和监视的破坏源。

其他有利的集成是可能的。航空实施方式还可以将新能力与现有和/或改进的距离测量设备（DME）集成。GBAS数据链路可以被用作备份LEO数据链路。

最终结果是本发明实现如实施下一代终端操作所需要的改进的抗干扰以及基于SBAS和GBAS的精确着陆二者。当与WAAS集成时，优选实施例潜在地实现对于零能见度操作和自动着陆的类别III SBAS。

通过使用许多航空器中的现有航空电子设备，在世界范围更多机场更安全地准时抵达是可能的。包括FAA的ANSP可以具有赢得对使遗留基础设施（尤其是SSR和ILS）安全退役的信任的新的开放。

优选实施例为汽车提供鲁棒的高性能车道地方的能力。它比单独GPS显著更快地收敛到所需完整性。随着增长的数目的汽车获得更自主的能力，严格管理罕见但不可避免的故障的重要性变得对解决来说更重要。优选实施例实现与车道地方性能要求一致的完整性。通过输出硬统计信息，该系统实际上对汽车保险公司能够理解和使用的预测和实际统计定量——从而在扩大新能力时消除不知道的未知量。集成有实时散播位置的车到车数据链路的基于卫星的服务还补充随着路线条件降级的“相对”传感器（诸如摄像机、RADAR和LIDAR）——在任何天气或环境中提供“绝对”定位。并且因为用户设备可以使用已经在车辆中规划的硬件部件来全球性地定标，增加的材料单成本基本为零。

图17示出为用户近似完整性的可用性的示例。在针对汽车的该示例中，水平警报限制（HAL）被限定成1米，与生命安全自主车道保持一致。因为中地球轨道（MEO）GNSS卫星缓慢地移动划过天空，所以不存在使用RAIM来检测故障的足够几何结构，直到已经过去几十分钟为止。RAIM可用性的概率被绘制为平滑时段（与冷启动所需的时间一致）的函数。对于SurePoint^TM卫星，在几十秒的时间常数内可用性达到100%。

这里实现的卫星导航完整性还可以有益于GPS与其他不同传感器的融合。非基于GPS的传感器通常不会拥有固有完整性。图18示出合并SurePoint^TM卫星的传感器融合功能。接收器完整性功能输出它应该何时信任以及它应该信任到什么程度的指示。然后可以围绕总体完整性（甚至包括没有固有完整性的那些传感器）优化在融合期间各传感器之间的权重。

在干扰下的低成本用户设备

在高干扰或人为干扰的情况下，噪声贡献对于使用具有普通振荡器的接收器来进行相干跟踪而言可能太大。在对于高干扰模式的优选实施例中，差分运算符Π被如下应用于时期k的观测方程的两侧：

其中：

对于5个卫星的情况。矩阵Π可以被推广用于看得见的任何数目的卫星。假定在每个通道上噪声近似相等，差分运算符本质上以跨过所有卫星平衡的方式而不管几何结构如何如下产生时钟估计的抵消（cancellation）：

其中，和是卫星间二重差分向量和噪声项的简化符号。在关键步骤，不依赖于用户时钟且仅依赖缓慢变化的或恒定的状态变量来呈现观测方程。

在此，在积累原始相位测量结果中涵盖实际考虑是重要的。在优选实施例中，在基带处的积累对在被设置成小于或等于用户振荡器相干时间常数（典型的几百毫秒）的预检测间隔内针对每个卫星的同相和正交分量进行聚合。同相和正交分量的反正切产生针对每个特定卫星和时期的，其然后接着在各卫星对上对其求差分以形成二重差分。然后在多个时期上在长间隔内对检测后二重差分进行积分，其与惯性导航单元的时间常数一致。如下给出在给定时期对于卫星对i和j的该过程的数学表达式：

，

其中，I是对于每个卫星的同相基带预检测分量加上同相噪声贡献，并且Q是对于每个卫星的正交基带预检测分量加上正交噪声贡献。假定载波上的任何数据调制被剥离，或者基于先验预测知识或者经由通过空间和/或地面网络的流动。反正切函数可以被高效地实施为查找表。关于单位信号来对噪声贡献归一化。变量β是对所有卫星共有的快速变化的时钟项的替代，而被嵌入在观测值中的变量是对缓慢变化或恒定的所有其他状态变量贡献的替代。在存在干扰的情况下，信噪比可以为低，即噪声项可能倾向于是单位阶数（order unity）或更大。该噪声在最后步骤中被平均下来，因为在惯性时间常数上对二重差分求积分。因为噪声项较大，所以非线性被引入到倾向于达到平均数的反正切函数中。

与检测步骤同时的时钟项的抵消还可以以替代的向量积形式看到。相干鉴别器被如下表述为对于具有卫星索引i和j的每个卫星对的预检测原始同相和正交测量结果分量I和Q的函数：

将先前定义的恒等式代入到鉴别方程中：

。

调用积和恒等式，假定与用户时钟相关联的β分量在平均间隔内经历相对于2π的大游弋（excursion）并且进一步被随机噪声调制以使得这样的项可被忽略。合并剩余的平方噪声项，

。

在该鉴别器中，基带信号的共模分量被消除，仅剩下差分残余。在上文估计方程中的卫星上的仅共模量（与一起去掉的角度相对应）是用户时钟。因此，利用该鉴别器，相干积分变得在比用户时钟以其他方式准许的长得多的间隔上可持续，因此显著增加接收器的抗相干干扰性能。

利用几何结构中的快速角度变化，K个时期可以被堆叠如下以求解位置偏移、天顶对流层和载波相位偏置：

。

可以经由最小二乘拟合来求解该方程系统。实际上，可能存在在矩阵重构中被适当切掉的缺失的测量结果。MEO卫星缓慢移动划过天空。LEO快速角运动使几何矩阵元素剧烈地发展，由此使得状态能够在几十秒内可观测。在优选实施例中，采用卡尔曼滤波器实现，除了在完整性也重要的应用中之外（在这种情况下采用向前向后平滑器）。

为了强调由上面的鉴别器提供的改进，将其与本领域中使用的典型载波相位跟踪环路进行比较是有帮助的，该典型载波相位跟踪环路可能采用下面形式的鉴别器：

。

对于该鉴别器，通过下式给出估计误差[参考文献10]：

，

其中，是载波功率与噪声功率谱密度比，T是相关器预检测间隔，并且是锁相环路跟踪带宽。

根据Π运算符，卫星的所有配对是对称应用的。在利用更稳定时间参考可获得什么性能的问题上，平方噪声项实质上翻了一倍。然而，还根据Π运算符，形成在无差分情况下的卫星测量对的大约两倍，由此有效恢复二因子稀释。

在图19中示出作为惯性质量的函数的所得到的人为干扰性能的改进。传统的鉴别器被限制于与振荡器稳定性相似的时间常数，而改进的鉴别器可以将用户积分时间常数扩展成与用户惯性一致，从而在抗干扰方面提供随之而来的改进。此外，GPS和GNSS卫星都不会为同时的厘米级准确性或高完整性周期模糊度分辨率提供可观测性。LEO卫星提供剩余的未知量。

用于采用新鉴别器的附加说明如下：（i）接收器的基带数控振荡器（NCO）必须覆盖LEO多普勒动态范围（对于LEO的±40kHz而不是对于MEO GNSS的±5kHz），（ii）处理器必须具有足够吞吐量以适应变更的任务，以及（iii）可能需要将射频滤波器插入到天线和接收器之间的射频路径中以使残余带外功率衰减。

图20示出邻近GPS L1的频带中的宽带频谱。接收器的现有安装的基础通常占用三个滤波器曲线（标记的低精度、旧的高精度和现代高精度），每一个都具有相继更大的带宽使用。在左边用品红色示出邻近GPS L1的辅助陆地部件（ATC）频带。在下面示出的是来自移动卫星服务（MSS）、GPS和俄罗斯GLONASS的低功率卫星信号。用红色在左边示出处于低功率级的一种所提出的宽带服务。关注点是许多现有GPS接收器的前端滤波器将导致在所提出的宽带功率级的干扰。在现代高精度接收器的情况下，频带会重叠，因为这些GPS接收器使用相同的射频前端来跟踪MSS卫星。

因为它强调载波相位，所以优选实施例的频谱需求是窄的。特别地，只要GPS信号可以被压缩以重构载波（甚至具有对扩频部件的部分访问），该载波一般来说就足以用于高完整性全性能定位。

因为本发明使得变窄的GPS频谱能够实现完全高完整性位置固定（甚至在具有不利的干扰条件下），所以绿色区域可被定义为GPS和邻近宽带之间的防护频带。相对低成本带通滤波器可被逆动地插入到现场用户设备中以便施加最小带宽和GPS接收功率的处罚。大的防护频带与用于C/A码GPS接收器的2MHz带宽相关联。小的防护频带与用于P（Y）码GPS接收器的20MHz带宽相关联。此外，因为PNT LEO卫星可以在GPS频带中广播精确位置服务校正，所以在邻近MSS频带中不再需要卫星广播。

图21示出各系统的民用运输系统的概念。不是为海洋、地面和航空用户构造单独的GPS增强系统，而是通过本发明来实现集成的精度服务。空间段包括GPS卫星、WAAS卫星和LEO卫星。具有软件更新的WAAS地面监测站跟踪所有三种类型的卫星的定时和测距信号。在WAAS主站处创建集成消息，其包括所有卫星的精确时钟和轨道以及完整性警报。经由多个数据路径（包括WAAS和LEO卫星和基于地面的数据链路）将该数据消息传播到用户。对于航空，基于地面的数据链路是VHF无线电。对于地面车辆，基于地面的数据链路可以包括专用短距离通信（DSRC）车辆到基础设施（V2I）路边设备（RSE）或来自商业无线服务供应商（包括4G LTE）的宽带。对于海洋用户，基于地面的数据链路可以是现有DOT和海岸防护NDGPS信标，其被转换用于数据广播使用而不是定时和测距。

当一个或多个定时、测距或数据链路降级或不可用时，具有多个数据链路路径的联网系统会添加弹性和抗干扰性。

混合的空间段操作

图22示出系统与单频卫星和探测车的集成。单频卫星提供补充的定时和测距测量结果，而探测车向服务数据处理器提供附加反馈以帮助估计电离层、对流层和路线高度。对于探测车的使用，需要陆地回程数据链路。对于使用单频SurePoint^TM卫星或另外可期望单频操作的情况，通过接收由服务数据处理器计算的本地电流层和对流层的估计，用户-客户端车辆的子集形成相对于探测车的短基线（关于对流层变化的距离标度）。

车辆的子集（被称为探测车）被包括在解决方案中以帮助构建可以用于完整性监测和帮助其他传感器（诸如摄像机）的道路图以及随着时间更新该道路图。在单频LEO星座可用于增强双频带测量的辅助实施例中，探测车的网络被采用作为加速用户对较宽网格的获取的众包（crowd-source）装置。

在探测车被采用的意义上，服务运营商进入与探测车用户的基于激励的合同以实现它们的参与。探测车将GNSS和LEO观测值路由到操作中心。根据基于激励的合同的条款，一般来说为了隐私期望使数据匿名化。私用无线网络（诸如4G LTE）可以提供回程数据链路，尽管DSRC V2I RSE也将服务于该目的。

对于仅地图的探测估计器，操作中心同时估计所有GNSS和LEO轨道和时钟、探测车位置、单频电离层误差、对流层，并且可能利用其他线索（诸如摄像机图像）对道路绘制地图。道路图上的估计时间常数是长的以确保伪数据点被抑制。在其中单频LEO卫星被混合到该解决方案中的情况下，对于这些卫星的电离层和对流层估计被包括在实时数据广播中。因为与单频定时和测距测量结果所需的高精度相对工作的电离层和对流层的复杂三维本质，仅针对每个卫星沿着路线构造每一个的简化表示。因此，需要被包括在广播中的唯一数据是与电离层的积分切片相关联的，这将是（i）汽车实际上所需的以及（ii）在第一位置中可观测的。在最可能的实施例中，总电子含量（TEC）样条线内插每个英里标记，并且天顶对流层样条线内插每个英里标记，二者都是通过空间飞行器。图23示出沿着具体卫星的路线投射的所估计的局部电离层和对流层的投射的一个示例。

对于无干扰的商业信号设计

维护关于其他GNSS卫星的那些的无干扰信号是至关重要的。图24示出在无干扰分析的背景下的信号设计。对于任何1023时段Gold码和任何多普勒频移，LEO中的操作将任何潜在C/A码互相关限制到21.6dB限制[参考文献11]。L5、L1C和L2C代码的互相关显著低于C/A码级。

民用和商业使用将要求解密来阻止对信号的未授权使用。码片率是1.023Mcps的基本码片频率的整数倍、n倍。n的值被选择成要与现有或规划的移动设备兼容，根据具体应用采用值1、6或10。图24中的框图示出基于在航空器和用户设备机载使用的高级编码标准（AES）的商业码生成器。已知AES不能与真正随机序列有效地区分开。

通过与P码相同的准则，的码片率输出产生-53.1dB的互相关干扰[参考文献12]。类似地，的码片率产生-43.1dB的互相关干扰，所有这些都与现有的GNSS卫星和接收器兼容。

加密架构提供128位对称业务密钥链。该链以可应用于系统范围的全球静态业务密钥开始。卫星识别将全球密钥转换成对每个卫星唯一的静态业务密钥。另一快速循环步骤创建每隔一秒就更新的短暂密钥。根据特定用户设备的信任等级，将全球密钥或者短暂业务密钥散播给用户。下面进一步针对每个使用实例来讨论业务密钥的散播。

民用信号认证

现今，GNSS信号容易受到电子欺骗的影响。已经完成了许多提议来保护以免受民用电子欺骗，但是每一个都具有各种实际缺点。

图25示出对GNSS的民用信号认证叠加。保护没有关于GNSS信号的结构进行假定。此外，GNSS空间和控制段被假定成非参与方，并且不需要被修改。仅需要被SurePoint^TM纳米卫星叠加广播的信号。SurePoint^TM使得SurePoint^TM纳米卫星信号认证被转移至GNSS信号。不需要GNSS信号的加密。该方法具有与大多数现有民用接收器设计一起工作的潜力或者否则仅需要最小修改。

诸如FAA之类的可信空中导航服务供应商（ANSP）控制SurePoint^TM纳米卫星水印业务密钥。可以通过操作散播SurePoint^TM纳米卫星有效载荷数据的地面和空间段的部件或已经对该部件进行操作来这样做。

公众能够已知的数字签名算法在有效载荷数据的未签名的子帧上进行操作。签名函数在安全硬件边界内部实施并且使用仅对可信ANSP已知的私用签名密钥。结果是附加到有效载荷数据子帧末端以便被嵌入到子帧的最后帧中的保留位中的对称水印业务密钥。包括针对每个SurePoint^TM纳米卫星的水印密钥的签名的有效载荷数据被上传和存储。经由VPN来在输送中保护上传。有效载荷数据存在于FIFO缓冲器中。利用公开已知的算法（诸如L1C或L5）生成的公开PRN码合成SurePoint^TM纳米卫星的主定时和测距波形。有效载荷数据被调制到该公开的PRN码上。同时地，水印密钥被用来生成用作水印的加密的扩展频谱PRN码。将该水印码与数据调制的公开码组合，并且聚合体被广播。水印和公开波形可以是任意定义的。在优选实施例中，水印波形提供相对于公开波形利用所定义的相对功率和相位调制的连续而非脉冲的信号（即处于如由水印密钥定义的同相和正交的连续中的具体点），然后与公开波形加和。

最初，水印密钥不是公共可用的。水印密钥被嵌入在有效载荷数据的最后帧中并且仅在每个子帧的结尾处（即在剩下的子帧数据已经被广播之后）被广播。在有效载荷数据发射序列中，最终在子帧的最后帧中广播水印密钥，由此使得它在事后被公共知道。

用户设备前端包括低噪声放大器、下变频器和模数转换器。相关器库被分成实时和延迟（重新处理）版本。重新处理能力使得一旦对于适当水印的存在水印密钥是已知的就能够分析基带采样。通过跟踪聚合信号的公开分量，用户接收器就可以对有效载荷数据调制并反互换。子帧的最后帧产生水印密钥。在第一认证步骤中，在有效载荷数据、水印密钥和被预分布且对所有已知的公共密钥上操作的数据认证算法必须通过。

然后在先基带信号被重新播放并且与由新解码的水印密钥生成的水印PRN码相关。在第二认证步骤中，水印相对于公开信号分量（或其随时间变化的分布）的向量功率比（即幅度和相位）必须与已知广播配置一致。

随着LEO卫星将快速角运动施加到每个SurePoint^TM纳米卫星的视线上，合并GNSS卫星的定位必须通过同时的接收器自主完整性监测（RAIM）检查，并且不论快速变化的几何结构如何都这样做。

为了实施具有紧完整性阈值的RAIM检查，如下将来自载波相位定位的上述处理的组合的GNSS和SurePoint^TM纳米卫星测量结果以及其解在K个时期上被聚集在一起以创建残余测试统计Q，以使得：

。

阈值被选择成针对在测量结果收集间隔内用户被电子欺骗的假定来进行测试。在采用码相位连同对流层的先验模型的简化情况中，采用如下的简化测试统计：

。

在不采用IMU的另一简化情况下，测试统计减小到：

。

完整的民用信号认证要求所有三个的单独的测试（RAIM、功率和数据）都通过。如果任何单独的测试失败，则用户设备发出警报，其将指示存在故障、罕见正常条件或可能的电子欺骗。

用户位置的证明

另一密钥问题是建立位置的证明。这样的能力还可以用于认证，从而通过将位置用作一个因素来建立身份。位置的证明可应用于防止金融交易、法律实施、收费道路验证、当你开车时支付的汽车保险、关键基础设施的保护以及阻止空中交通监视窃听。

图26示出用于用户位置的证明的操作的概念。与在关于信号认证的前一章节中由SurePoint^TM纳米卫星生成的认证波形类似，加密的扩展频谱波形广播是用于用户位置认证的基础。系统网络基础设施被假定为被信任以便保护被用于生成广播的加密密钥。假定SurePoint^TM纳米卫星的轨道和时钟已经被校准，被调查位置中的可信地面监测器提供广播正适当操作的独立检查。

认证服务器使得用户设备能够采用作为用于获取和跟踪纳米卫星广播的辅助信息的一组波形参数对用户可用。该波形参数包括对于每个纳米卫星的用户ID时钟和星历系数。对于授权用户的可信使用实例，波形参数还包括用于纳米卫星广播的业务密钥以使得能够实现对加密波形广播的直接用户设备跟踪。然后认证服务器能够访问由移动用户设备生成的测量结果观测值。

正常操作的GNSS接收器跟踪看得见的GNSS卫星并且估计用户位置和时钟偏移。在优选实施例中，针对与沿着去到卫星的一条或多条视线的一个或多个加密LEO纳米卫星定时和测距观测值的一致性来检查GNSS卫星定时和测距观测值。完全用户位置认证需要对于三个位置分量加上时间的至少四个独立的加密伪距。LEO纳米卫星提供具有较少卫星的决定性测试，尤其具有在短间隔内进行操作的看得见的两个卫星的决定性测试。根据所需认证的等级，甚至对整个地球服务的单个卫星可以提供值。如果纳米卫星正执行针对用户位置欺骗的随机“位点检查”或者如果存在对其检测的更少的时间紧迫性，则需要更少的卫星。在优选实施例中，星座被定尺寸成在任何给定时间在地球的每个点上定位至少一对纳米卫星。在这样的配置中，在大多数情况下在要求时几乎可以立即检测到位置欺骗，或者在剩余情况下，在几十秒内达到非常高的置信度。

采用信任的授权。在图27a-27c中考虑了三个场景，包括对用户设备的低、中和高信任。硬件安全模块（HSM）和标准公共密钥基础设施（PKI）被用来在认证服务器与一个或多个用户设备之间散播信息。包含HSM的用户设备在可信设施处初始化。HSM生成用于加密的非对称公共-私有密钥对以及用于数字签名的第二对。公共密钥被提供给认证服务器。当认证服务器需要将诸如新业务密钥（或精确时钟和星历辅助数据）之类的加密信息安全地传达给特定用户设备时，它使用用户设备的公共加密密钥对该信息加密，并且然后将数据传送给用户设备。用户设备HSM然后使用其私用加密密钥对该信息解密。用户设备被设计成使得不能经由物理攻击来容易地访问私有密钥、业务密钥或密码。类似地，由用户设备生成的测量结果观测值被HSM数字地签名，然后数据分组被传达给认证服务器。

图27a中示出的低信任用户设备实例将经数字签名的定位和原始基带测量结果观测值传达回到认证服务器，其中GNSS以及（具有业务密钥的知识的）纳米卫星测量结果观测值被转换成伪距测量结果。这些伪距测量结果被转换成与关于信号认证的前一章节中提供的RAIM变量一致的RAIM标志和定位。对于要被认证的定位，纳米卫星接收信号功率必须处于适当的包络内，并且RAIM检查必须通过。低信任用户设备实例具有最小的安全规定，尽管存在对增加带宽的惩罚。

图27b中示出的中信任用户设备预想了一个场景，其中存在对单个用户设备物品攻击的一些风险，这将损坏对手将用于伪造的系统范围业务密钥。基带FIFO将基带采样延迟短的时间段，并且在事后将业务密钥散播到用户设备，即在图24中示出的快速循环短暂业务密钥的情况下一秒或两秒之后。因此，认证会滞后一秒或两秒。定位估计与SurePoint^TM纳米卫星轨道和时钟预测结合使用以便为纳米卫星相关器计算伪距和多普勒前馈。对于要被认证的定位，纳米卫星接收功率级必须在适当范围之内，即有效信号离散将是肯定的。最小带宽需求由网络构成。

对于高信任用户设备实例，PKI将全球业务密钥安全地散播到可信设备HSM。在这种情况下，实时相关器包括所有GNSS卫星和纳米卫星，其中相关器实时输出伪距。高信任的用户设备实例利用GNSS和SurePoint^TM纳米卫星二者实施全在视场内定位，采用来自关于信号认证的前一章节的RAIM完整性检查。对于要被认证的定位，纳米卫星接收功率级必须处于适当范围内，并且RAIM检查必须通过。数字签名的定位和RAIM残余被传送回到认证服务器，从而仅需要网络的最小带宽需求。

航空器时钟的用户估计

众所周知卫星导航需要航空器中的原子钟。事实上，系统设计者可能具有用于保持航空器时间的多个子系统选项，包括交叉链路和其他超稳定时钟。每个都将具有随着而来的性能和成本考虑。就系统设计者将通过具有可能的低成本替换物的选择来实现成本效益来说，下面的发展示出炉控晶体振荡器（OCXO）可以被采用用于准确的基于载波相位定位以打开选择和可用贸易空间。

考虑到卫星i在已知轨道中但是具有未校准的时钟。根据上文，对应的用户观测方程变成：

。

卫星时钟频率根据它们的阿伦方差保持它们的稳定性。简化的线性模型应用定义的卫星时钟稳定性时间常数，其中所发射的载波相位可能被约束在指定的范围容限（诸如0.5cm）内。用户观测方程然后变成：

。

根据这一定义，卫星时钟偏置与周期模糊度偏置是不可区分的，它现在被实施为：

。

观测方程然后可如上被堆叠成矩阵形式：

可以在多个时期k内在序贯估计器中实施该方程系统，以便呈现LEO时钟倾斜观测值。然而，在优选实施例中，进一步期望在用户设备（i）遭受人为干扰或干扰以及还（ii）采用仅在短间隔内提供相干积分的低成本振荡器的条件下估计LEO卫星时钟偏置。在上文最初描述的相关方法之后这种情况进一步发展。

以简化符号，针对每个时期k集合观测值的向量：

。

如上对于在干扰下的卫星间检测实例，差分运算符Π被如下应用于观测值方程的两侧：

。

然后由下式给出对于某时期的方程的所得到的系统：

。

通过合并GPS卫星频率标准的已知更大稳定性，GPS时钟在卫星通过之前被校准并且因此被预测且带入到观测方程的左手侧。定义新的差分运算符，其仅保留对LEO卫星操作的Π的列，留下下面经过修改的观测方程：

。

利用几何结构中的快速角变化，可以如下堆叠K个时期以便求解位置偏移、LEO时钟偏置率、天顶对流层和载波相位偏置：

。

可以经由最小二乘法拟合来对该方程系统求解。实际上，可能存在在矩阵构造中被适当切掉的缺失的测量结果。在优选实施例中，采用序贯估计和RAIM。

假定高度h为800km且速度v为9km/sec。目标是使观测时间常数h/v最小化，这可以通过以下来实现：尽可能低到地球但足够高到使得大气阻力可以被管理（由此最小化h）地操作卫星，且在逆行轨道中操作LEO卫星（由此使v最大化）。在该示例中收敛的所得到的时间常数是大约80-90秒。MEO GNSS卫星具有显著更长的时间常数。

图28示出未校准的时钟和快速角LEO运动的时间标度如何应用于求解精确定位中的未知量。目标是对准要与卫星时钟稳定性的时间常数一致的上面导出的可观测性时间常数。上面的80-90秒的收敛时间碰巧与可以从OCXO获得以达到厘米级性能的稳定性对准。因此，OCXO运行开环可以提供航空器定时参考。但是总体系统仍为生命安全应用提供高准确性、完整性和人为干扰抗性。

LEO纳米卫星用看得见的至少2个LEO卫星实现高完整性解。为了虑及偶然卫星故障的较高可用性，系统冗余可以被构造用于3个LEO卫星以在针对地球上的任何位置的用户的视线内。优选实施例确保对于地球上的任何位置对于指定的最小仰角，三个LEO卫星在用户的视线内。在卫星故障的情况下，备用部件可以迅速地向开口槽漂移。同时，用户体验服务中无中断。在确切地相同位置上发生两个卫星故障的不可能事件中（在罕见重复循环的情况下这将导致在地球上的小的唯一位置上断电时间限于几分钟），可以通过提前预测它何时发生来管理短的间隙。在几周内，备用部件可以是起作用的。

伪卫星实现

在城市区域中，卫星可能不是完全可见的。从LEO卫星得到的改进性能可以被扩展到城市区域，甚至在天空的覆盖可能被阻挡的位置中。在该示例中，可以在视线的基础上采用伪卫星（pseudo satellite）以实施定位并且利用RAIM这样做以得到完全完整性。伪卫星中的振荡器被设计成在自由运行的基础上操作，即不需要同步。但是因为设备的固有中期稳定性（大约几十秒），车辆可能求解其位置。在这种情况下，发射器可以是低成本的，因为它使用未校准的时钟来运行。对于发射器而言不存在具有数据回程或超稳定参考的明确需要。优选实施例能够仅利用存储在其导航数据库中的振荡器稳定性规定的知识来操作。例如，可能已知给定设备（i）能够在10秒的间隔上持续厘米级误差（根TVAR）以及（ii）使其时钟率被每十亿一定数量的部分约束。尽管设备的频率偏移可能是未知的，并且实际上一天一天地且随着温度和其他因素漂移，但是短期时钟稳定性是实施例中所利用的——就像在对于未校准振荡器的情况的上述处理中给出的SurePoint^TM卫星的情况。

因此新的导航处理被给出为：

，

其中假定对流层针对伪卫星链路被忽略并且对流层被地面网络针对卫星链路校准。此外，还假定GPS和LEO时钟被地面网络校准，所以差分运算符仅应用于伪卫星的未知时钟率。

两个实例阐述方法：图29示出伪卫星被安装在嵌入puck（冰球）发射器的街道中的实例，并且图30示出伪卫星被升高到街道上方的实例。

对于街道级方法，现在已经基于嵌入停车空间中的可以检测车的存在的puck传感器在全国范围安装停车系统（像Streetline）。这些停车puck包含内置的收发器以形成自组织（ad hoc）通信网络来将传感器输出路由到服务数据处理器。来自每个收发器的广播可以用作伪卫星来形成用于车辆使用的低功率导航广播的城市网络。在这种实施中，集成在车中的无线电接收天线可以接收广播，测量载波相位以及执行辐射度量测距。利用集成在车辆上的两个或更多天线，附加的信息（包括航向）变得可用。上面针对卫星广播时钟未被校准的实例引入的导航处理方程直接可应用。假定伪卫星时钟未被校准但是仍稳定在厘米级达大约10秒的时间常数，间隔足够长到使车经过相对于伪卫星的大角度。车中的导航处理器求解汽车位置以及在解决方案中使用的每个伪卫星的伪卫星时钟和时钟率。因此，伪卫星的安装所需的唯一信息是准确调查。

对于图30中的升高的发射器实例，再次地发射器是能够容易地大规模嵌入的小的低成本物品。这一变化还可以在自由运行的基础上以低成本操作。它可以采用使用太阳能的低功率广播。安装包括仅在稳定对象上的物理安装。它可以经由探测车而自调查和监测。其频率可以被调谐到所选频带，包括已经规划供车辆使用的DSRC V2I频带。特别地，因为仅载波分量被用于导航，所以伪卫星使用与同时的数据调制兼容。因此，使用例如5.9GHz频带的无线应用可以与已经规划用于车辆的用户设备兼容。

防御和智能应用

GPS在其实现国家安全和民用商业能力二者以彼此受益的两用属性上是个传奇。在下面的章节中，描述与两用以及防御和智能应用有关的其他实施例，包括：

1. 将上述民用和商业PNT实施例重新应用于防御和智能；

2. 定制专门用于防御和智能的新PNT实施例；

3.描述用于防御和智能的新PNT使能的实施例；以及

4. 公开用于成本节省以益于民用商业使用以及防御和智能的新实施例。

军用抗人为干扰和高可用性

对于军事使用，本发明提供用于前所未有的新性能的能力，包括高遮蔽角能见度、亚分米准确度和生命安全完整性的快速获取、增强的鲁棒性、以及利用低经常成本的连续区域性高功率。GPS是巨大的美国成功。然而，新的性能可以解决断然的GPS改进需要，包括用于GPS星座的持续成本的降低、增强的信号安全性、增强的星座鲁棒性、减少的首次固定的时间、增强的准确性、增强的峡谷和城市峡谷性能、以及降低的干扰台敏感性。

图31示出物理系统架构。低地球轨道（LEO）中至少100个低成本卫星（可能是纳米卫星，即<10kg）形成对GPS的全球性覆盖。在各纳米卫星之间的集成测距和通信创建为GPS和纳米卫星二者提供针对脆弱性的新系统级弹性。主要强调的是用于抗人为干扰保护和室内穿透的高功率以及对于多山和城市峡谷环境的高仰角可用性。通过在限定的区域性操作区（AoO）内以显著增加的功率级提供持续的原始广播功率来实现抗人为干扰和新室内能力。通过使星座定尺寸成维持低精度的精度因子（PDOP）来实现高可用性。将这样的PDOP维持在高的高度遮蔽阈值之上（例如45度或更多）。图中没有示出星座中的所有卫星——仅示出在AoO上面的那些。

LEO卫星以足够低的高度操作以使得它们的广播功率可以被打开和关掉或者在它们通过地球的各个区域（诸如AoO）时被连续调制。小孔径的面对天底相控阵为广播波束提供灵敏的操纵以精确照射AoO。通过从低高度组合的这样的功率调制和操纵，简单的硬件可以维持对所照射的区域边界的精细控制。不是强调来自经过修改的GPS卫星上的高增益天线的连续操作点波束广播，而是系统采用机载电池容量和宽带隙功率放大器（诸如氮化镓（GaN）），从而在仅几秒的短间隔上以高功率操作，可能每个卫星1千瓦特射频或更多。轨道周期提供大约12小时的精确轨道和各AoO通过之间的时钟估计。在同一间隔内，太阳能电池为电池组充电。当卫星到达AoO时，GaN功率放大器从被充电的电池组得到其能量以便将高功率GPS兼容的定时和测距波束广播到AoO中。该通过持续近几分钟，在其期间来自功率放大器的废热聚集在热容器中。在随后12小时的恢复内（其覆盖前面提到的在前12小时校准和充电间隔），废热被耗散。

该系统利用电子器件、功率、热量和结构元件的深度集成，以使得可以以最小体积、质量和成本且大量地产生卫星。此外，通过使总体星座质量最小化，发射成本也可以被拉低。

图32示出操作的概念。卫星设计支持其稳定性被优化的振荡器的使用以便使部分成本最小化还开发LEO轨道和网络架构以获得潜在地对于亚分米级准确度的完全性能。地球被保守地划分成两个区：半以及全敌对的。在准备过渡到敌对领土时在盟国（半敌对）领土内校准卫星轨道和时钟。在盟国领土中，假定通过使用支持GPS的下行链路、LEO下行链路、交叉链路和馈送链路对系统的攻击仅使估计部分地降级。当卫星飞跃盟国领土时，该系统形成允许支持链路在某些地方的所有时间被人为干扰或者在所有地方的某些时间但不是在所有盟国地方中的所有时间被人为干扰的弹性网络。然而，在敌对领土上，卫星支持链路被假定成完全非操作的。然后LEO下行链路针对对于用户设备的敌对人为干扰的强力压倒性势力而被定尺寸。

高功率发射信号可以处于GPS频带中，或者信号可以被在带外广播以进一步躲避敌对人为干扰。带内选项被设计成与现有GPS用户设备兼容，经历软件修改。

系统架构凭借其物理设计提供成本降低，从而提供系统和卫星级简化的断然改进，以及由此成本的改进。第二，可以进一步在作为代理服务器的轨道上星座质量方面来表述成本降低，因为发射成本倾向于占优势。结果是以显著降低的成本以高仰角的连续广播功率中的显著区域性增加。

操作配置就它们如何与GPS一起使用而言可以是高度灵活的。例如，可以在敏捷的基础上利用较高功率信号来选择性地照射较大尺寸的多个AoO，这受到星座功率源约束。LEO高度使得广播能够精确地遵从AoO边界的边缘，从而进一步使功率消耗和附属的干扰最小化。

系统架构的关键属性是其热控制子系统的简化。设计和建造可靠、低成本的高功率卫星的最大问题之一是各有效载荷功率放大器的热管理，每一个都以低占空比生成多于几百瓦射频功率。在仅几分钟时间内，它们生成大量的废热，需要在接下来的12小时重复循环内耗散这些废热。示出一个示例150W功率放大器，图33突出其小的物理尺寸。优选实施例采用相变材料（PCM）。

PCM具有高的熔解热；因此，它们可以在熔化期间吸收大量能量，而温度保持恒定。PCM可以是简单且低成本的解决方案。当PCM吸收热能量时，温度开始上升到其熔点。一旦熔化已经在PCM中开始，温度就会在相变期间保持恒定。这种情况发生是因为来自热源的热能量被用来将材料的相从固态变成液体，或者反之亦然。PCM的选择和定尺寸取决于所期望的温度和功率放大器所生成的热能量的量。图33图示PCM可以如何捕获废热然后随着时间缓慢耗散它的方法。

图34示出集成到航空器的剩余部分中的功率放大器的安装点，包括在PCM和航空器之间的热控制接口表面。熔解热和熔点的目标是接近20℃（示例150W功率放大器的高效操作温度）。具有热吸引性质的PCM是具有28℃的熔点和752kJ/kg的高熔解热的氯化膦 [参考文献13] 。

为L频带天线面选择特殊材料，其需要将地平面和微带贴片天线元件的辐射元件分开的介质结构。在优选实施例中，使用在红外线中光学透明的材料，诸如硒化锌。另一策略包括选择具有高导热性的电介质，诸如氮化铝。

图35中示出航空器概念设计。在优选实施例中，为了简化，航空器架构基本上是平的并且深度集成。微带贴片天线阵列面向一侧上的天敌，平的太阳能阵列面向相反的方向，并且电池组和热相变材料的块体量被夹在中间。块体材料的量与卫星的期望功率输出成比例。

航空器尺寸和星座架构被耦合。轨道高度和卫星间间距与太阳能生成的地球日蚀时间和恢复时间、以及有效载荷、交叉链路和馈送链路天线孔径面积相匹配。

面向太阳的航空器在恢复时段期间变化以提供最大功率，从而在热功率和与有效载荷有关的功能之间进行优化。一方面，太阳/背对太阳取向使热辐射器成角远离地球并且开发可用的太阳能以及外太空的背对太阳冷热辐射背景。另一方面，有效载荷相控阵物理和/或电地朝向GPS卫星取向以便像CRPA那样以接收模式行动来使在轨道和时钟校准期间对卫星人为干扰的影响最小化。

图36示出如早期针对民用和商业应用开发的对于军用快速获取准确性和完整性的操作的概念。防御配置的高功率输出向厘米级准确性和高完整性的基于LEO的快速获取提供同时的附加抗人为干扰（在10^-7完整性风险下1m的警戒限度）。该系统架构进一步补充超紧耦合的惯性辅助和相干抗人为干扰、CRPA抗人为干扰、机会信号，并且与现有打击用例一致。

发射机定位

图37示出操作的发射机地理定位概念。在中心处，多个发射机（故意人为干扰机和/或其他干扰源）使定位混乱。SurePoint^TM卫星天底天线下行链路宽带经由地球终端向发射机定位操作中心处的中央服务器采样。卫星轨道和时钟解实现采样的厘米级位置和时间配准。中央服务器中的处理器使各采样互相关并且使用到达时间差（TDOA）处理产生发射机位置的实时估计。

图38示出发射机地理定位配置几何结构的物理视图。在该示例中，三个SurePoint^TM卫星（每一个都利用收集具有快速角运动的附带好处的采样）同时感测多个发射机。

当基于空间的测量结果和地面的测量结果组合时，附加的敏感性是可能的。如图37中所示，精确调查的无线电站传感器可以被合并到该解决方案中。采样以及它们的精确时间配准被传达给操作中心。如果GPS不可用，则SurePoint^TM馈送链路还可以被用于时间配准，因为它在GPS频带之外。

在优选实施例中，发射机定位功能是重要补充或独立能力。如上文在前一章节中所描述的，鲁棒的PNT功能以多达20dB实时防御干扰以便确保未受干扰的操作。同时，发射机定位功能使得有关部门能够迅速定位和移除干扰源。

空间向最佳有利地形提供超几何结构和无障碍视线。此外，在大角度LEO卫星运动上跟踪发射机实现独特的优点。对于窄带发射机，周期模糊度可以产生假装成真实源位置的图像解决方案。LEO快速角运动提供对解决模糊性的有意义的手段。LEO快速角几何结构实现真正跟踪任意发射机波形。

无线电掩蔽

当视线掩蔽大气层和电离层时跟踪LEO卫星上的GPS已经变成了对于天气的宝贵仪器。示例是GPS/MET、COSMIC和PlanetIQ。在现有技术中，从GPS卫星发射器到LEO接收器的视线深深插入地球大气层以产生相位分布测量密度。双频测量结果使得电离层分量被分离出，仅留下作为密度的指示符的大气折射。

不幸地是，密度是温度、压力和水汽的组合，以使得它们单独的贡献不能被完全分解。如图39中所示，在优选实施例中，通过在各相邻SurePoint^TM卫星之间发射和接收并利用K频带交叉链路，新的观测值变得可用。

在18GHz和26.5GHz之间的K频带主要被水汽吸收。H₂0谐振峰值在22.24GHz处。图40示出在K频带的水汽吸收线[参考文献14]。通过将K频带和L频带接收幅度相比较，可以直接估计水汽分量。

为了构建全面的操作数据集，包括SurePoint^TM纳米卫星的LEO接收器仍可以采用GPS来提供补充掩蔽。此外，GPS可以继续为SurePoint^TM纳米卫星的时间和空间配准做贡献。

纳米卫星可以在它们穿越一个区域时扮演多种角色。例如，在与相邻纳米卫星的掩蔽事件期间，发射纳米卫星还可以在陆地区域上方进行广播，如图39中所示。一般来说，SurePoint^TM纳米卫星通过轨道相位切换角色以呈现多个系统级功能，如在下面的章节中进一步描述的。

全球和区域性敏捷。

在系统级，SurePoint^TM纳米卫星的星座提供可以同时处理多个全球功能的敏捷架构。各种操作功能可以通过轨道相位接通和断开以将多个角色假定为给定卫星正行进到地球上的哪里的功能。

图41示出物理网络的表示的时间演进。由实心点指示在最初时期每个SurePoint^TM纳米卫星并且由空心点指示在稍后的短随后时间每个SurePoint^TM纳米卫星。地球被划分成同时进行至少三个单独操作的区域。在左上角，军用操作在进行中。在中心下方，民用和商业用户利用广播。并且在右部，系统被用来地理定位干扰。

图42示出网络在最初时间的物理表示。为了清楚起见，没有示出SurePoint^TM纳米卫星发射线和后续位置。在军用操作区中，假定交叉链路和馈送链路要被人为干扰，所以所描绘的区域性SurePoint^TM纳米卫星基于它们的自由运行时钟独立地广播。对于民用和商业实例，交叉链路提供位置和时间参考。交叉链路被进一步追踪到GPS，但是仅针对可在民用和商业操作区域之外接收到的GPS卫星，在该民用和商业操作区域中PNT纳米卫星发射器不会操作。还描述了对于无线电掩蔽事件的协调K频带交叉链路的实例。对于干扰定位实例，交叉链路再次被用于现在以仅接收模式操作的卫星的位置和时间配准。还示出GPS被用于位置和时间配准的示例，强调从陆地源传出的干扰不会压倒航空器宽带接收功能的可能性。向下的高速馈送链路被用于实时干扰定位。

图43示出网络在随后时间的物理表示，其中所有SurePoint^TM纳米卫星已经移动，因为前一幅图是在初始时间。由每个区域内的卫星来执行相同的功能。然而，关键点是为每个功能服务的实际卫星是不同的并且随着时间迅速变化。

图44示出对于若干个卫星的操作时间线。红色间隔指示当卫星定时和测距广播被启用时（典型地当卫星覆盖区与用户相交时）的调度时间。实际上，所选陆地板块和/或用户国家将被指定用于操作，由此根据卫星轨道来定义时间线。因为紧密靠近陆地地实行大多数离岸用户操作，所以这些用户也可以被容易地覆盖。蓝色间隔指示发射器断电使得机载接收器能够耦合到天顶和/或天底天线期间的时间。蓝色间隔还对应于用于轨道确定的天顶GNSS接收器测量结果收集，因为机载发射器不再阻止在同一频带上的同时接收（尽管至少在原理上，电子器件可被设计用于同时接收和发射）。通过相同准则，发射机地理定位可以出现在蓝色间隔中，包括在其中将回程用作定时参考来实行卫星时钟配准的实例。紫色区域示出在接收和发射之间具有2ms和20ms之间的时段的快速循环，有效地提供有效地同时接收和发射能力。只要用户设备以这样的占空比支持定时和测距信号，同时定位和发射机地理定位是可能的。

绿色条指示在其期间给定的一对卫星经由交叉链路彼此联系的时间。交叉链路视线将倾向于在地平线以上上升且沉落，以使得无线电掩蔽事件在每个间隔的开始和结束处发生。就关于哪个卫星发射和哪个卫星接收存在判别力来说，该图示示出已经在区域上进行广播的任何卫星如何被同时用于无线电掩蔽。

分布式孔径

就卫星天线的时间和空间对一小部分波长的准确性已知来说，系统准许卫星组连贯一致地操作以达到实现更大PNT启用的目的。图45示出适合于区域性使用的示例配置。在对地同步高度附近的轨道中部署大约3,000个自由飞行的孔径元件。平移控制保持元件进入其短轴与天底向量对准且其长轴形成圆形分布的椭圆体高斯剖面的密度。可以命令圆形的半径以采用跨越几千米到几百千米的可变尺寸。将每个元件的定相被控制为发射器或接收器以产生一个或多个点波束。

对于这里描述的一般的实施例，分布式孔径没有聚焦在无限远处，而是聚焦在地球表面处或地球表面附近。天线的菲涅尔距离参数F被定义为：

其中，D是天线孔径的表征尺寸，诸如直径，并且λ是波长。定义菲涅耳区域（辐射近场），其中F是大约单位1或更大。因此，对于典型的操作参数值，空载分布式孔径天线倾向于在菲涅耳区域中操作。

图46示出为在较低高度处且具有大量元件的全球性使用描绘的分布式孔径的版本。在所示的应用中，来自许多轨道元件的同步发射一起形成池以效仿GPS信号广播。沿轨道分布的孔径同时合成多个像GPS的信号。军用优势被建立，因为广播的源是散开的并且对攻击有弹性。此外，增大的功率可以被集中于用户以得到抵抗GPS人为干扰的改进的可用性。

然而，在菲涅耳区域中操作的收敛的凹的波阵面是唯一的。然而，信号被设计成如下与现有GPS接收器兼容：

假定虚构发射器操作在指定焦点r ₀ ，其生成从焦点放射的出站球面波，幅度为A且波数为。有可能明确地计算在其已知位置处的分布式孔径内每个孔径元件i的天线点处的所得到的假定信号的预期的接收幅度和复相：

。

反向的波函数U _inbound 被定义成在相反的方向上传播。然后每个孔径元件处的波值定义对于朝向焦点传播的这样的波必须满足的边界条件：

。

为了产生遍及笛卡尔克空间x的波的物理可实现的模型φ，可以命令每个发射器元件生成如下与入站波边界条件一致的传出球面波阵面：

。

聚合来自所有孔径元件的贡献，然后如下给出所得到的波：

。

通过惠更斯-菲涅耳原理，当发射器的数目增加时，聚合广播波阵面逼近朝向焦点传播的入站球面波阵面。基于要被照射的操作区的尺寸和位置来选取焦点。还可同时采用多个AoA。接收信号的用户设备能够跟踪传入信号，除了焦点扮演作为虚拟卫星的新角色之外。

图47示出从具有在对地同步高度附近操作的随机分布的3,000个元件的区域性分布式孔径获得的模式的示例，其中焦点在菲涅耳区域中，其中栅瓣被抑制到30dB水平。

图48示出与其他空间元件结合以形成较大的分布式孔径系统的自包含自由飞行的空间元件。航空器设计是上文针对高功率PNT纳米卫星描述的一个变体。优选实施例形状因子是平盘，其孔径直径被定尺寸成与将支持多个同时波束的地球上的表面面积一致。在图中，微带贴片天线阵列允许使得单个航空器的相控阵能够以最小的溢出照射地球。然后将由协调一致行动全分布式阵列来形成的窄的点波束。业务天线一般是宽带的以支持一系列防御和智能任务，尽管如果任务的主要目的与GPS军用频带有关，则天线被专门设计以支持GPS L1和L2。

一组短的机械平衡物（standoff）使得多个盘能够被堆叠用于发射且以低相对能量部署。嵌入式的反应轮实现三轴姿态控制。每个面上的太阳能单元提供功率，其中相对侧上的大多数单元来自业务天线。尽可能地，指向策略主要将业务面指向地球并且太阳能面板主要面向太阳，经历下面更详细描述的太阳能航行控制特权。

还被嵌入在每个面上的相控阵交叉链路天线实现高带宽通信以及相对位置和姿态了解。太阳、地球和星星成像器提供姿态估计的辅助手段。角动量太阳能压力扭矩配平片产生能够用于管理角动量的不对称性。围绕盘周长运行的当前环路还实现也被用于动量管理的残余磁场。

图49示出如何利用简单的高可靠性方法且在没有消耗品的情况下管理动量。航空器本身被设计成大大对称的，由此使摄动力矩最小化。通过使用反应轮围绕太阳线为各个时钟角处的太阳能压力配平片取向来对太阳能压力力矩进行调制以实现期望的动量控制。围绕航空器主体的周长运行的当前环路产生还可以结合地球的磁场用于动量控制的电磁动量。为了绕太阳线产生可控的“风车”，还可以采用碰巧在圆盘上也处于平坦状态以保持形状因子的有源器件。候选包括安装在低剖面锯齿表面上的液晶和数字微镜器件（DMD）。总得来说，各种方法提供关于所有三个轴的动量控制。

图50示出太阳帆如何为自由飞行的孔径元件集群提供所有三个程度的相对平移控制。为了简单起见，假定该集群质心的位置没有被控制。基线取向由建立盘关于太阳线的默认角度并且然后围绕太阳线旋转盘组成。如果所有元件都采用相同的基线配置，则在该集群上不存在同轴或正交的结果产生的力。如果在没有改变盘围绕太阳线旋转的情况下改变盘的角，则根据沿着太阳线盘的横截面被增大或减小多少来调制关于集群质心的同轴力。对于正交力控制，以期望的时钟角来暂停围绕太阳线的旋转或使其变慢。建立该时钟角处的有效停留时间。正交力分量与停留的占空比成比例。其方向与停留的时钟角对准。

全球星座的目标配置是随机等间隔的分布。区域性集群的目标配置是上述椭圆体概率分布。欧拉希尔方程是卫星围绕被假定成为质心的标称轨迹或关于另一卫星的漂移的动态模型。将与上文相同的观测方程应用于交叉链路测距，观测方程是：

，

其中给出从卫星i到j的每个观测值，其中再次假定交叉链路以双向模式操作以达到改进的可观测性。

欧拉希尔方程也不会默认支持任意命令的集群分布，更不用说一个随机的了。因此，非静态的命令的参考轨道被选择用于星座，并且最优控制规律继续朝向参考引导孔径元件。最终结果是至少逼近随机椭圆体高斯配置的分布。实施经历约束角动量且适当维持航空器姿态以满足有效载荷、功率和热操作约束的位置保持。

图51示出可以如何发射和部署分布式孔径。盘形状的孔径元件被堆叠在上级插入火箭上。每个航空器盘都被嵌入在其基于PCB结构的内置平衡物分开。平衡物在张力下沿径向夹住并且被设计成适应径向加载和横向振动。运载火箭将该组件插入LEO或椭圆转移轨道中。从那里，高比冲推进器将上级升高到运行轨道中。当夹具释放时，各个孔径元件过渡到自由飞行。它们被嵌入平衡物的分离弹簧推动远离上级并且彼此远离，如图51中所示。

就在那时上级的任务完成了。可替代地，上级可被设计成用作通信中心以便向分布式孔径提供集中式馈送链路和波束成形功能。就轨道碎片是关注点来说，上级还可以携带针对要在任务结束时使用的孔径元件的检索系统。可以通过使用孔径元件的半协作操纵来简化检索过程。可以提前命令继续存在的航空器以有序的方式排成一行，以使得然后上级可以使用简化的策略来方便地检索它们。

对于规模，图51示出对于空载分布式版本的代表性等同陆地孔径面积。在该示例中，所部署的表面面积与深度空间网络34m直径碟形天线一致，但是具有可以被聚焦以在用于陆地应用的菲涅耳区域中操作的巨大更高分辨率。

图52示出如何组织有效载荷半导体模块以用于通用应用和成本降低。集成的发射/接收（T/R）模块包括基于宽带隙技术的高功率放大器，诸如GaN和内置低噪声放大器。T/R模块进一步与上/下变频器以及模数和数模转换器集成以形成有源天线元件模块。使用MMIC紧密集成的这样的模块形成基本构建块，其使得航空器上的每个单个天线能够生成和接受数字基带数据。

每个航空器变成经由交叉链路连接的数字网络中的节点。每个节点中的路由器如所寻址的那样移动数据分组。在优选实施例中，传统的互联网协议（诸如TCP/IP或UDP）被采用来用于传输层。

图53示出航空器级数字路由以及如何利用数字接口将多个有源天线元件集成在每个航空器上来形成相控阵以包括业务和回程链路。在该背景下，回程链路被定义为提供后勤通信以包括交叉链路和（如果适用的话）馈送链路。对于每个链路都存在航空器级数字波束形成器。来自每个天线阵列的传入基带信号被组合到所得到的输出中。传出基带信号被指引到适当的天线元件。启用PNT的波束形成控制器在精确到一小部分波长的位置和杠杆臂的知识上操作。该控制器基于瞬时航空器精确位置、姿态和线校准参数的知识来计算波束形成矩阵元素延迟和权重。一般来说，可以同时支持一个或多个波束。具有对于每个波束的相关联的调制解调器的交叉链路产生星座范围网络以用于数字通信。路由器与互联网路由器操作一致地指引数字数据的流动。数字流数据在它可以代表什么的方面是灵活的，包括信息和合成波形。定制波形的数字表示通过网络流式传输，或者每个航空器可以在广播点处仅根据调制定制波形的数据来合成经过调制的波形。该架构适应多个同时的波束。

连接到每个航空器路由器的是网络数据接口。该接口的目的是用于（1）源（source）波形、（2）组合基带信号、（3）汇（sink）基带信号、（4）源回程数据、以及（5）汇回程数据。波形源可以来源于任何航空器并且可以从同一或不同航空器中的一个或多个业务链路广播。组合器将来自多个航空器的业务信号相加，由此促进分布式波束形成。需要比其输入更低的吞吐量的组合器输出被路由回到网络中到达其命令的目的地。基带汇功能从网络接收组合的基带信号。项（1）和（3）共同用作分布式孔径的数字基带发射和接收“终端”。接口还使得数据能够经由交叉链路被路由到任何其他航空器以及从任何其他航空器路由。这样的网络数据可以在其传送期间遍及一个或多个中间航空器路由器。

通过基带业务数据如何遍及空载网络被路由和处理来控制星座级分布式孔径的宏观行为。如果分布式孔径以接收模式操作，则来自每个业务天线元件的基带采样被组合在它们的波束形成器中。所得到的孔径元件基带信号进一步在对于所选传入波束的星座级波束形成元件中经历受控相位和群延迟，然后被收集并与来自其他孔径元件的那些组合。对于来自分布式孔径的发射，该过程反向操作。波形或数据流被路由到所有航空器，于是数字流被调制成其传出波形。星座级波束形成元件控制波形的延迟和权重，然后经由业务天线元件广播它们以包括传出波束。

图54示出如何实施集中化波束形成。传入业务信号根据期望的传入波束被每个孔径元件中的波束形成控制器延迟。然后基带业务信号经由交叉链路被数字传送到中心航空器，在那里跨整个分布式孔径组合基带业务信号。如果期望的话，然后可经由馈送链路将组合的基带信号进一步中继到地面站。发射模式反向操作。经由馈送链路源自地面的或在中心航空器中的波形或数据流经由交叉链路被分布到各个孔径元件。每个孔径元件中的调制器合成广播波形，其然后被适当的定相以供传输以包括每个传出波束。

图55示出如何将经由交叉链路达到的传入基带信号指引到组合器以及然后到馈送链路。还示出相反的路径。网络数据接口用作分布式孔径的每个波束的数字“终端”。

图56示出允许基带信号分布式组合和没有中心的优选实施例。当分布式孔径以接收模式操作时，单独的卫星在分布式基础上实施组合，因为基带信号将网络转变到分配的目的地模式。发射模式以相同的方式操作但是从起源节点反过来。起源或目的地节点的网络数据接口端口用作对应分布式孔径波束的“终端”。通过使用回程或业务天线产生特殊分布式孔径波束或通过直接从地面站对单独航空器进行寻址来实施馈送链路通信。

星座交易空间

图57示出基于期望属性的星座架构的简化模型。该图示出对于各个操作模式作为轨道高度的函数的所需卫星数目的估计。为了参考，指示现有GPS星座。绿色曲线示出需要许多卫星来保持45度高度遮蔽并且还对应于与高功率广播相关联的卫星的数目。“机会高度”对应于可达到的最低高度以使得大气阻力随着对运行轨道估计的显著摄动而减小。该高度也是可容易访问的，因为那么多发射已经将该高度作为目标。如由用户看到的LEO星座快速角运动加速亚分米准确性和生命安全完整性的获取。

理想的分布式孔径进行分解到任意小的“分子”尺寸级别（可能采用量子计算机），同时驱动孔径中元件的总数朝向大数目。将来的技术可能进一步使得分布式计算、时间和空间配准以及能量储存和转换能够使用小的元件维度来实施。在传统航空器和全球云中部署的这样的小元件之间的随机冲突将是低能量的并因此是无害的。

1.4.1分布式孔径应用

下面的表展示分布式孔径的关键应用。

应用	新功能
		通信	在没有VSAT或前沿基础设施的情况下在任何地方的智能电话宽带连接性。
通信	空分多址。
		通信	频谱重用。
通信	实现在拥挤的陆地频带内共享的卫星频谱。
		通信	同时的空间和频谱扩展
通信	极端的LPI/LPD
		导航	仅使用条状天空（深的城市或多山的峡谷）的PNT可用性。
导航	有助于最小附属效应的有效集中的抗人为干扰。
		导航	在擦除（抵消）现有信号的情况下多个邻近同时的目标的空间上可选的独立电子欺骗。
导航	准确性和完整性的瞬时获取。
		SIGINT（信号情报）	异常高的空间分辨率加上同时的抗空间干扰
SIGINT	使得比米级准确性、持续性、移动目标跟踪分辨率、城市或农村更好。
		雷达	全方向的同时的照明和检测，从而实现改进的时间和空间分辨率以及解混乱（de-clutter）。
电子攻击	有效照明和最小附属效应
		无线电天文学	实现前所未有的角度分辨率和无限孔径缩放。

通信双用应用包括：

· 采用卫星新闻采访的新闻业

· 援助机构

· 急救反应和灾难援助

· 用于远程区中的实时数据获取的网络访问

· 远程临时办公室

· 战术军事行动

· 能量，包括石油和天然气

· 采矿和大型工程

· 海上作业

· 林业。

对于发展中国家的应用的一个示例将是“Twittersat”——利用在远离陆地基础设施的远程区中操作的现有蜂窝电话（具有经过修改的软件）发送和接收SMS消息的能力。

对于商业用户的应用的一个示例将是在气载喷气飞行器上产生WiFi“热点”，其中现有移动设备（具有经过修改的软件）通过飞行器的窗口直接与空间基础设施通信并且不需要飞行器上的本地中继器或地面接口基础设施。热点的尺寸可以被设置成任何尺寸，范围从几行座位到整个飞机。热点位置将通过飞行器的ADS-B广播的闭环跟踪、通过消息的内容且根据对ADS-B信号的空间源的三角测量二者来跟踪飞行器的位置。类似地，新闻工作者可以将直接来自传统智能电话（具有经过修改的软件）的实况HD视频从远离前沿基础设施或VSAT的远程区直接流式传输到空间基础设施中。

高级电子欺骗

图58示出高级电子欺骗场景。两架飞行器正彼此接近地运行。假定飞行器是位于地球上任何地方的不合作的GNSS用户。假定飞行器标记的物理目标的正常运行。电子欺骗场景的假定目的是无意地将电子欺骗目标操纵到物理目标附近。地面参考站的网络全球地监测GNSS广播并且将所有信号参数校准到厘米级。校准参数经由贯穿分布式孔径的交叉链路被上行链路传输且散播。因为每个孔径元件还可以接收GNSS信号且估计位置和时间，所以校准使得每个孔径元件能够与相位相干性一起操作到厘米级。

传统的电子欺骗已采用适于具有目标的位置和高度的精确知识的要求的单个目标的装置。电子欺骗器立即将所有信号广播到目标的接收天线，所以存在目标检测到出了差错的信号属性的许多机会，诸如在目标运动没有确切地依赖于接收信号的情况下。此外，难以避免其他接收器上的附属效应。

分布式孔径根据电子欺骗器的意图合成整个新的GNSS信号。这些信号来自于电子欺骗器所要求的具体方向并且对于每个假卫星而言在空间上不同。

除了电子欺骗信号合成之外，精确匹配现有GNSS信号的新的波可以被定位成180度异相，以便精确的抵消（擦除）聚焦区（focal region）内的传入信号。换言之，在聚焦区之内，原始信号被新的电子欺骗信号完美取代。

信号属性可以以协调方式被控制到厘米级。如果目标携带惯性导航单元，则位置误差的简档可以被带入确切匹配惯性偏置漂移的简档中，以使得电子欺骗的开始是完全无缝且不可检测的。

对于高级电子欺骗来说，选择在其外部不存在附属效应的聚焦区。多个独立的聚焦区可以被选择以便具有整个不同但同时出现的效应。电子欺骗器不需要知道电子欺骗目标的确切位置来放置聚焦区或精确地替换现有信号。唯一的要求是电子欺骗器需要命令聚焦区与开环协调，由此暗示比电子欺骗聚焦区的所选分辨率更好的电子欺骗目标的先验知识。

Claims (53)

1.一种用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，所述多个用户设备通过相应通信链路连接到至少一个服务数据处理器，从全球导航卫星系统GNSS卫星接收测量结果，以及从低地球轨道LEO卫星接收测量结果，所述测量结果包括载波相位伪距，所述方法包括以下步骤：

（a）至少一个服务数据处理器接受以下的测量结果：

（i）由至少一个LEO卫星接收的来自所述GNSS卫星中的至少一个的、

（ii）由至少一个地面参考站接收的来自至少一个LEO卫星和所述GNSS卫星中的至少一个的、和/或

（iii）由至少一个LEO卫星接收的经由LEO到LEO交叉链路传输的来自至少一个其他LEO卫星的；

（b）至少一个服务数据处理器根据可获得的所述载波相位伪距生成针对至少一个LEO卫星的精确轨道和时钟预测；以及

（c）至少一个服务数据处理器将所述预测散播到多个用户设备以使得多个用户设备能够当接收到来自GNSS和LEO卫星的信号且测量附加的载波相位伪距，在计算其位置时考虑精确轨道预测和时钟预测。

2.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中：

（a）至少一个服务数据处理器接受以下所述测量结果：（i）由至少一个LEO卫星接收的来自所述GNSS卫星中的至少一个的以及（ii）由至少一个地面参考站接收的来自至少一个LEO卫星和所述GNSS卫星中的至少一个的；以及

（b）至少一个服务数据处理器（i）根据由至少一个LEO卫星接收的来自所述GNSS卫星中的至少一个的所述载波相位伪距生成轨道预测以及（ii）根据由至少一个地面参考站接收的来自至少一个LEO卫星和所述GNSS卫星的至少一个的所述载波相位伪距生成时钟预测。

3.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中由至少一个地面参考站接收的来自至少一个其他LEO卫星的所述测量结果来自于在其中至少一个地面参考站处于至少一个LEO卫星的覆盖区之外的配置。

4.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中由地面参考站接收的来自LEO卫星的测量结果是不可用的。

5.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中由LEO卫星接收的来自GNSS卫星的测量结果是不可用的。

6.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中（i）所述至少一个LEO卫星包括已知稳定性的振荡器，其相干耦合到用于接收来自所述GNSS卫星或来自其他所述LEO卫星的信号的接收器以测量载波相位伪距，并且相干耦合到用于将载波相位向所述地面参考站广播的发射器，以及（ii）多个用户设备忍受由于经由其接收时钟预测的卫星、地面参考站、服务数据处理器或数据散播装置的禁用而引起的一个或多个时钟预测的损失。

7.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中所述至少一个服务数据处理器被集成在WAAS主站或精确点定位网络操作中心中。

8.根据权利要求1所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中使用SBAS卫星、国际海洋卫星窄带、NDGPS数据广播、VHF航空无线电、4G LTE、DOT ITS V2I5.9GHz标准广播或所述LEO卫星来完成所述散播步骤。

9.一种用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，所述方法利用服务数据处理器、接收的来自GNSS卫星的测量结果和接收的来自LEO卫星的测量结果，所述测量结果包括载波相位伪距，所述方法包括以下步骤：

（a）多个用户设备接受针对至少一个LEO卫星由至少一个服务数据处理器散播的精确轨道预测和时钟预测，所述精确轨道预测和时钟预测是根据由至少一个服务数据处理器接受的可用载波相位伪距生成的，所述可用载波相位伪距是（i）由至少一个LEO卫星接收的来自至少一个GNSS卫星的、（ii）由至少一个地面参考站接收的来自至少一个GNSS卫星和至少一个LEO卫星的、和/或（iii）从至少一个其他LEO卫星和至少一个LEO卫星之间的LEO到LEO交叉链路传输接收的；以及

（b）多个用户设备当接收到来自GNSS和LEO卫星的信号且测量附加的载波相位伪距，在计算其位置时考虑精确轨道预测和时钟预测。

10.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中（i）精确轨道预测是根据由至少一个服务数据处理器接受的由至少一个LEO卫星接收的来自至少一个GNSS卫星的载波相位伪距生成的，以及（ii）精确时钟预测是根据由至少一个地面参考站接收的来自至少一个GNSS卫星和至少一个LEO卫星的载波相位伪距生成的。

11.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中由至少一个地面参考站接受的来自至少一个其他LEO卫星的载波相位伪距来自于在其中至少一个地面参考站处于至少一个LEO卫星的覆盖区之外的配置。

12.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中由地面参考站接收的来自LEO卫星的载波相位伪距是不可用的。

13.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中由LEO卫星接收的来自GNSS卫星的载波相位伪距是不可用的。

14.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中（i）所述至少一个LEO卫星包括已知稳定性的振荡器，其相干耦合到用于接收来自所述GNSS卫星或来自其他所述LEO卫星的信号的接收器以测量载波相位伪距，并且相干耦合到用于将载波相位向所述地面参考站广播的发射器，以及（ii）多个用户设备忍受由于经由其而接收时钟预测的卫星、地面参考站、服务数据处理器或数据散播装置的禁用而引起的一个或多个时钟预测的损失。

15.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，还包括采用接收器自主完整性监测RAIM来对从至少一个摄像机、激光雷达接收器或雷达接收器选择的其他传感器的融合进行加权的步骤。

16.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，还包括跨至少一对卫星形成相干互相关以与潜在干扰对抗的步骤。

17.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中所述GNSS和LEO卫星具有已知的振荡器稳定性，并且还包括接收来自至少一个服务数据处理器的GNSS和LEO卫星的精确时钟预测，以及忍受由于经由其而接收时钟预测的地面参考站、服务数据处理器或数据散播装置的禁用而引起的一个或多个时钟预测的后续损失的步骤。

18.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中尽管忍受由于地面参考站、服务数据处理器或数据散播装置的禁用而引起的在其间或来自其的一个或多个时钟预测的后续损失但仍实施该方法。

19.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中所述至少一个LEO卫星被包括在所述LEO卫星的星座中，该星座通过PRN码重用使所需PRN码的数目最小化。

20.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，还包括以下步骤：（a）用户设备在其移动的那个时间从已知振荡器稳定性的一个或多个陆地、自由运行的、预先调查的伪卫星接收广播信号并从其测量载波相位伪距，以及（b）将所述伪卫星的预先调查的位置和已知振荡器稳定性合并到所述位置计算中。

21.根据权利要求20所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中所述伪卫星在5.9GHz频带中广播。

22.根据权利要求20所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中以街道级安装所述伪卫星中的一些或所有。

23.根据权利要求20所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中将所述伪卫星中的一些或所有安装在车辆之上。

24.根据权利要求9所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，还包括以下步骤：

（a）从多频带LEO、单频带LEO和GNSS卫星接收信号并测量载波相位伪距；

（b）收集LEO卫星和GNSS卫星二者的服务数据处理器精确轨道预测和时钟预测以及道路特定的电离层和对流层估计；

（c）应用所述道路特定的估计以校正所述单频带LEO卫星载波相位伪距。

25.根据权利要求24所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中在以1,575,420,000Hz为中心的频带中广播所述单频带LEO卫星信号中的一个或多个。

26.根据权利要求24所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的方法，其中在跨越1,616,000,000Hz到1,626,500,000Hz的频带中广播所述单频带LEO卫星信号中的一个或多个。

27.一种用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其利用接收的来自GNSS卫星的测量结果和接收的来自LEO卫星的测量结果，所述测量结果包括载波相位伪距，该服务数据处理器包括：

（a）用于接受（i）由至少一个LEO卫星从所述GNSS卫星中的至少一个、（ii）由至少一个地面参考站从所述至少一个LEO卫星和所述GNSS卫星中的至少一个、和/或（iii）经由LEO到LEO交叉链路传输从至少一个其他LEO卫星到至少一个LEO卫星的所述测量结果的装置；

（b）用于根据由至少一个LEO卫星接收的可用的所述载波相位伪距而生成针对至少一个LEO卫星的精确轨道预测和时钟预测的装置；以及

（c）用于将所述预测散播到多个用户设备的装置，以使得多个用户设备能够在接收到来自GNSS和LEO卫星的信号且测量附加的载波相位伪距，当计算其位置时考虑精确轨道预测和时钟预测。

28.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中：

（a）所接受的测量结果是（i）由至少一个LEO卫星接收的来自所述GNSS卫星中的至少一个的、以及（ii）由至少一个地面参考站接收的来自至少一个LEO卫星和所述GNSS卫星中的至少一个的；以及

（b）所生成的轨道预测是根据由至少一个LEO卫星接收的来自所述GNSS卫星中的至少一个的所述载波相位伪距，并且所生成的时钟预测是根据由至少一个地面参考站接收的来自至少一个LEO卫星和所述GNSS卫星中的至少一个的所述载波相位伪距。

29.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中由至少一个地面参考站接收的来自至少一个其他LEO卫星的测量结果来自于在其中至少一个地面参考站处于至少一个LEO卫星的覆盖区之外的配置。

30.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中由地面参考站接收的来自LEO卫星的测量结果是不可用的。

31.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中由LEO卫星接收的来自GNSS卫星的测量结果是不可用的。

32.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中（i）所述至少一个LEO卫星包括已知稳定性的振荡器，其相干耦合到用于接收来自所述GNSS卫星或来自其他LEO卫星的信号的接收器以测量载波相位伪距，并且相干耦合到用于将载波相位向所述地面参考站广播的发射器，并且（ii）多个用户设备忍受由于经由其通过通道输送时钟预测的卫星、地面参考站、服务数据处理器或数据散播装置的禁用而引起的一个或多个时钟预测的损失。

33.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中所述服务数据处理器是航空器载的。

34.根据权利要求33所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，还包括在由所述LEO卫星主控的集成电路芯片集中提供的耦合的发射器和接收器。

35.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中所述至少一个服务数据处理器被集成到WAAS主站或精确点定位网络操作中心中。

36.根据权利要求27所述的用于支持多个用户设备的弹性载波相位定位的服务数据处理器，其中所述用于将所述预测散播到多个用户设备的装置利用SBAS卫星、国际海洋卫星窄带、NDGPS数据广播、VHF航空无线电、4G LTE、DOT ITS V2I 5.9GHz标准广播或所述LEO卫星。

37.一种用户设备，所述用户设备通过服务数据处理器支持利用接收的来自GNSS卫星的测量结果和接收的来自LEO卫星的测量结果以计算用户设备的位置，所述测量结果包括载波相位伪距，该用户设备包括：

（a）接受装置，其用于接受由至少一个服务数据处理器针对至少一个LEO卫星散播的精确轨道预测和时钟预测，所述精确轨道预测和时钟预测是根据由至少一个服务数据处理器接受的可用载波相位伪距生成的，所述可用载波相位伪距是（i）由至少一个LEO卫星接收的来自至少一个GNSS卫星的、（ii）由至少一个地面参考站接收的来自至少一个GNSS卫星和至少一个LEO卫星的、和/或（iii）作为LEO到LEO交叉链路传输的由至少一个LEO卫星接收的来自至少一个其他LEO卫星的；以及

（b）计算装置，其用于通过当接收到来自GNSS和LEO卫星的信号且测量附加的载波相位伪距，在计算其位置时通过考虑精确轨道预测和时钟预测来计算用户设备的位置。

38.根据权利要求37所述的用户设备，其中（i）精确轨道预测是根据由至少一个服务数据处理器接受的由至少一个LEO卫星接收的来自至少一个GNSS卫星的载波相位伪距生成的，以及（ii）精确时钟预测是根据由至少一个服务数据处理器接受的由至少一个地面参考站接收的来自至少一个LEO卫星的载波相位伪距生成的。

39.根据权利要求37所述的用户设备，其中由至少一个地面参考站接收的来自至少一个其他LEO卫星的载波相位伪距来自于在其中至少一个地面参考站处于至少一个LEO卫星的覆盖区之外的配置。

40.根据权利要求37所述的用户设备，其中由地面参考站接收的来自LEO卫星的载波相位伪距是不可用的。

41.根据权利要求37所述的用户设备，其中由LEO卫星接收的来自GNSS卫星的载波相位伪距是不可用的。

42.根据权利要求37所述的用户设备，所述至少一个LEO卫星包括已知稳定性的振荡器，其相干耦合到用于接收来自所述GNSS卫星或来自其他LEO卫星的信号的接收器以测量载波相位伪距，并且相干耦合到用于将载波相位向所述地面参考站广播的发射器，并且（ii）用户设备忍受由于经由其而接收时钟预测的卫星、地面参考站、服务数据处理器或数据散播装置的禁用而引起的一个或多个时钟预测的损失。

43.根据权利要求37所述的用户设备，其中所述计算装置被耦合到接收器自主完整性监测RAIM设备。

44.根据权利要求43所述的用户设备，其中所述计算装置被耦合到用于采用所述RAIM设备来对其他传感器的融合进行加权的装置。

45.根据权利要求44所述的用户设备，其中所述其他传感器包括摄像机和激光雷达接收器或雷达接收器中的至少一个。

46.根据权利要求37所述的用户设备，其中将LEO信号从每个所述LEO卫星广播到每个所述地面参考站，并且所述用户设备使用与GNSS卫星所使用的那些相同的频带。

47.根据权利要求46所述的用户设备，其中所述LEO信号与遗留或现代GNSS PRN码一致。

48.根据权利要求47所述的用户设备，其中所述GNSS PRN码是从下面的GNSS PRN码选择的：GPS C/A、GPS P(Y)、GPS M、GPS M'、GPS L5、GPS L2C、 GPS L1C、伽利略El、伽利略E5a、伽利略E5b、伽利略E5、和伽利略E6。

49.根据权利要求46所述的用户设备，其中所述LEO卫星信号是由产生每秒1,023,000码片的整数倍的码片率的128位AES计数器生成的码。

50.根据权利要求37所述的用户设备，还包括以下装置：用于（a）运动中的用户设备接收由已知振荡器稳定性的一个或多个陆地、自由运行的、预先调查的伪卫星广播的信号，来自伪卫星的信号包括载波相位伪距，以及（b）将所述伪卫星的预先调查的位置和振荡器稳定性合并在所述位置计算中。

51.根据权利要求50所述的用户设备，其中所述伪卫星在5.9GHz频带中广播。

52.根据权利要求50所述的用户设备，其中以街道级安装所述伪卫星中的一些或所有。

53.根据权利要求50所述的用户设备，其中将所述伪卫星中的一些或所有安装在街道车辆操作的地方之上。