CN111983653A - 用于卫星导航的数字受控接收图案天线 - Google Patents

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Abstract

用于卫星导航的数字受控接收图案天线。一种卫星导航系统包括数字受控接收图案天线(DCRPA)子系统和全球导航卫星系统(GNSS)接收器。整个系统被设计为使得所有射频(RF)处理和数字采样被并入DCRPA子系统中。来自DCRPA阵列的各个元件的RF信号被单独地数字化。然后，所得数字样本被组合成单个比特流，该比特流被发送到GNSS接收器。优选地，GNSS接收器是软件定义无线电。这种布置方式允许DCRPA子系统和GNSS接收器利用单个同轴线缆连接。这种布置方式将允许DCRPA简单改装到现有机身设计以及在新飞行器设计上简单且便宜地安装。

Description

用于卫星导航的数字受控接收图案天线
技术领域
本公开总体上涉及导航系统，具体地，涉及在易受人为干扰和欺骗的环境中操作的卫星导航系统。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)的接收器通常被设计为获取和跟踪具有指定的特性的信号。天线通常接收信号并将所接收的信号转换为与GNSS接收器兼容的电压和阻抗。与本公开相关的两个天线性质是接收图案和干扰处理。天线的接收图案是与假设各向同性参考天线所传送的功率相比，天线针对从特定方向到达的信号所传送的功率的增益或比率的空间变化。GNSS信号同时从许多方向到达，因此大多数GNSS接收天线的方位角往往是全向的。除了从卫星到达的GNSS信号之外，这种天线可能容易受到来自从一个或更多个方向到达的信号的干扰。在一些情况下，在GNSS天线中使用天线元件阵列以便具有可指向卫星的波束和可指向干扰源的空值。这些GNSS天线被称为受控辐射图案天线(CRPA)，并且是用于对抗GNSS干扰和欺骗的熟知工具。
由于GNSS信号相对弱，所以非常小的人为干扰就能使导航能力下降。在一些的情况下，人为干扰和/或意外干扰降低了卫星导航系统的可靠性，特别是在某些军事或生命安全应用中。可通过调节接收图案以使干扰信号为空或使所有合法信号的方向上的增益最大化来降低干扰影响。这种CRPA通常使用天线元件阵列(以下，“CRPA阵列”)来构造。来自天线元件的信号被组合，然后将它们馈送至GNSS接收器。
GNSS接收器通常包括处理器或计算机，其被配置为接收并数字处理来自GNSS卫星星座的信号，以便提供(接收器的)位置、速度和时间。GNSS接收器传统上使用专用芯片在硬件中实现。在软件GNSS接收器中，由处理器(例如，现场可编程门阵列、图形处理单元或微处理器)执行所有数字处理。在此方法中，接收器的前端中的其它硬件将来自卫星的信号数字化。然后，处理器可处理该原始数字流以实现GNSS功能。
CRPA是熟知的减轻卫星导航有意或意外干扰的有效手段。另外，CRPA可有效减轻可对卫星导航系统进行的大多数类型的欺骗攻击。用于军事应用的CRPA解决方案已存在了数十年，并且最近已推出了一些商用CRPA产品。然而，目前CRPA设计的一个问题是，CRPA昂贵且复杂，以至于CRPA对于大多数商业航空应用而言是负担不起且不实际的。
传统CRPA设计涉及在天线和接收器之间具有独立RF路径的多个元件。前几代CRPA接收器包括模拟组合网络以便根据需要在接收图案中形成波束和/或空值，以解决干扰或欺骗信号。这些系统通常将包括用于各个元件到具有许多RF输入的接收器的RF线缆以及用于各个元件的单独前端。更现代的设计类似，不同之处在于来自各个元件的信号被单独地数字化并且波束成形网络由实现相同的波束成形和赋空结果的数字信号处理算法代替。实现多条线缆增加了重量和复杂度，并且还引入了许多潜在的故障模式和各种相位变化源，必须对这些进行校准，然后才可实现有效的数字波束成形算法。对于距天线数英尺远物理地安装卫星导航天线的商业航空运输应用，由于重量和成本增加并且引入了潜在故障源(例如，连接器)，RF线缆束是不实际的。
发明内容
下面详细公开的主题涉及一种安装在载具上并包括数字受控接收图案天线(DCRPA)的卫星导航系统，其被设计为改善上述一个或更多个问题。根据一些实施方式，机载卫星导航系统包括DCRPA子系统和GNSS接收器。整个系统被设计为使得所有射频(RF)处理和数字采样被并入DCRPA子系统中。来自DCRPA阵列的各个元件的RF信号被单独地数字化。然后，所得数字样本被组合成单个比特流，该比特流被发送到GNSS接收器。(因此，如本文所使用的，术语“DCRPA”是指部分而非全部数字的天线子系统。)优选地，GNSS接收器是软件定义无线电。该布置方式允许DCRPA阵列和GNSS接收器利用单个同轴线缆连接。这种布置方式将允许将DCRPA简单改装到现有机身设计并降低在新飞行器设计上安装CRPA能力的成本。
根据本文所提出的CRPA设计，来自天线元件的独立信号的所有前端RF处理和数字化均被包括在天线子系统(以下，“DCRPA”)中，而非GNSS接收器中。通过这样做，天线元件之间的RF路径处于更大的控制下，并且元件至元件相位变化更稳定，因此更容易校准。本文所提出的设计从各个独立的天线元件获取数字化样本并将数字化样本复用成单个比特流，然后使用该比特流以相对高的频率调制单个载波。也可使用不同频率上的多个载波。实际上，可使用载波和调制方案的任何组合，只要来自各个元件的采样的比特流可由接收器恢复即可。如先前提及的，该信号(或这些信号)然后经由单个RF线缆被发送到GNSS接收器(例如，软件定义无线电)。GNSS接收器可离天线非常远而不会有定位精度的任何劣化，因为在天线子系统中设定了载波噪声比。天线子系统与GNSS接收器之间的RF链路被设计为给予可接受的低误码率，以确保服务的连续性。可选地，相同的RF线缆可从接收器到天线子系统提供功率和时钟信号(用于天线电子设备的同步)。时钟信号也可利用可用于控制或改变天线子系统的配置的一些方面(例如，自动增益控制和天线元件选择)的信息来调制。在替代实施方式中，DCRPA可包括时钟，因此GNSS软件定义无线电不需要提供时钟信号。在连接天线子系统和GNSS接收器的线缆中在一个方向上传输经调制的比特流并在相反方向上传输时钟信号使用实现相互频域复用/解复用的无源装置(例如，双工器或三工器)来实现。
根据替代实施方式，可在天线子系统和接收器之间采用光纤线缆(或其它双向光学接口)(而非RF线缆)。代替上述类型的三工器，这种系统将包括在使用波分复用/解复用的光纤线缆中在一个方向上发送经调制的比特流并在相反方向上发送时钟信号的相应双波长单光纤双向收发器。在这种情况下，将需要用于天线电子设备的替代电源。仍可使用双向光学接口来向天线电子设备提供同步时钟(以及可能地，数据)。
使用单个RF线缆来对DCRPA和GNSS软件定义无线电(SDR)进行接口的主要优势在于，其允许将DCRPA改装到现有安装中并且在新飞行器设计上安装更简单更便宜。在一个所提出的实现方式中，DCRPA被物理地安装在飞行器上广泛使用的ARINC 743标准GNSS天线目前所使用的相同占用空间中。SDR可按照用于ARINC755多模式接收器(MMR)的确切形状因子来实现。将在MMR软件中实现数字波束成形算法。然后，DCRPA在任何配备MMR的飞机上的实现将通过替换天线子系统，然后替换线路可更换MMR单元来实现。无需任何布线改变以便获得CRPA所提供的显著抗人为干扰和防欺骗能力。此外，可采用系统的SDR部分的其它形状因子，以实现同样容易地改装到其它飞行器类型。航空GNSS接收器实现方式通常涉及接收器与天线子系统之间的单个RF线缆。本文中新描述的布置方式也可部署在无人机和无人驾驶平台上。另外，运输部门(例如，主动式列车控制、智能公路系统、自驾驶汽车)可受益于本文所描述的系统和方法。
本文所提出的DCRPA布置方式的另一主要益处在于，来自DCRPA的数字数据信号可被分裂并馈送至任何期望数量的SDR处理单元。因此，单个DCRPA可向多个GNSS接收器提供GNSS信号接收而不会有系统的C/No或位置精度的任何劣化。类似地，SDR单元可从多个DCRPA单元接收数字数据流，从而潜在地允许多个DCRPA子系统部署在DCRPA阵列中。这允许一些潜在非常灵活的冗余管理架构。
尽管下面将详细描述用于允许由载具(例如，飞行器)进行卫星导航的机载系统和方法的各种实施方式，但是这些实施方式中的一个或更多个可由以下方面中的一个或更多个来表征。
下面详细公开的主题的一个方面是一种导航系统，该导航系统包括线缆、电连接到线缆的一端的GNSS软件定义无线电以及电连接到线缆的另一端的天线子系统，其中，该天线子系统包括：第一和第二天线元件；分别电连接到第一和第二天线元件的第一和第二射频处理装置；分别电连接到第一和第二射频处理装置的第一和第二数字采样装置；串行器，其被配置为对从第一和第二数字采样装置接收的数字样本进行交织以形成比特流；RF调制器，其被配置为将比特流转换为经调制的比特流；以及天线/线缆接口，其将RF调制器联接到线缆。GNSS软件定义无线电包括RF解调器以及将该RF解调器联接到线缆的无线电/线缆接口，该RF解调器被配置为从经调制的比特流恢复比特流。GNSS软件定义无线电还包括软件定义无线电处理器，其被配置为处理由RF解调器恢复的比特流以生成受控接收图案。
下面详细公开的主题的另一方面是一种导航系统，该导航系统包括线缆、电连接到线缆的一端的GNSS软件定义无线电以及电连接到线缆的另一端的天线子系统，其中，该天线子系统包括：多个天线元件；分别电连接到多个天线元件的多个射频处理电路；分别电连接到所述多个射频处理电路的多个模数转换器；串行器，其被配置为将从所述多个模数转换器接收的数字样本交织以形成比特流；RF调制器，其被配置为将比特流转换为经调制的比特流；以及天线/线缆接口，其将RF调制器联接到线缆，其中，所述多个射频处理电路中的各个射频处理电路包括串联电连接的滤波器、低噪放大器和正交混频器。
下面详细公开的主题的另一方面是一种操作导航系统的方法，该导航系统包括通过无线电/线缆接口连接到线缆的一端的GNSS软件定义无线电以及通过天线/线缆接口与线缆的另一端连接的天线子系统，该方法包括以下步骤：(a)对从多个天线元件接收的信号进行射频处理以生成IF信号；(b)对IF信号进行数字采样以生成I样本和Q样本；(c)对I样本和Q样本进行交织以形成比特流；(d)将比特流转换为经调制的比特流；以及(e)经由天线/线缆接口将经调制的比特流发送到线缆，其中，在天线子系统内执行步骤(a)至(e)。根据一些实施方式，该方法还包括：经由线缆从GNSS软件定义无线电到天线子系统发送时钟信号并供应DC功率。
下面详细公开的主题的另一方面是一种将载具改装为包括受控接收图案天线的方法，该方法包括：将载具上的现有GNSS接收器从RF线缆的一端断开；将断开的GNSS接收器从载具移除；将现有天线从线缆的另一端断开；将断开的天线从载具移除；将GNSS软件定义无线电放置在载具上；将GNSS软件定义无线电电连接到线缆的一端；将天线子系统放置在载具上；以及将天线子系统电连接到RF线缆的另一端。
下面公开用于允许载具进行卫星导航的机载系统和方法的其它方面。
附图说明
前一部分中讨论的特征、功能和优点可在各种实施方式中独立地实现，或者可在其它实施方式中组合。为了示出上述和其它方面，以下将参照附图描述各种实施方式。本节中简要描述的图未按比例绘制。
图1是标识根据一个实施方式的用于允许载具进行卫星导航的系统的一些组件的框图。
图2是标识包括一对双波长单光纤双向收发器的双向全双工数据传输系统的一些特征的图。
图3是标识将载具改装为包含本文所公开的卫星导航系统的方法的步骤的流程图。
图4是标识根据一个实施方式的两个DCRPA交叉连接到两个GNSS软件定义无线电的卫星导航系统的组件的框图。
以下将参照附图，其中不同附图中的相似元件具有相同的标号。
具体实施方式
下面详细描述了用于允许载具进行卫星导航的机载系统和方法的例示性实施方式。然而，本说明书中并未描述实际实现方式的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这种实际实施方式的开发中，必须做出许多实现方式所特定的决策以实现开发者的特定目标(例如，符合系统相关和商业相关的约束，这些约束将从一个实现方式到另一实现方式而变化)。此外，将理解，这样的开发工作可能复杂且耗时，然而对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言将是常规任务。
以下详细公开描述了用于具有DCRPA的卫星导航系统的系统、方法和设备。在以下描述和附图中阐述了某些具体细节以提供各种实施方式的透彻理解。没有示出或描述常常与飞行器导航、通信、控制、显示和飞行管理系统关联的熟知结构、系统和方法，以避免不必要地模糊各种实施方式的描述。另外，相关领域的普通技术人员将理解，附加实施方式可在没有下面所描述的若干细节的情况下实践。
下面描述的实施方式可采取计算机可执行指令的形式，例如由可编程计算机执行的例程。相关领域的技术人员将理解，卫星导航技术也可在其它计算机系统配置上实践。数据处理系统可在专门被编程、配置或构造为执行下述计算机可执行指令中的一个或更多个的专用计算机或数据处理器中具体实现。因此，如本文通常使用的术语“计算机”是指可在飞行器上的任何数据处理器，包括用于导航无线电的计算机(例如，多模式接收器(MMR)、仪表着陆系统接收器、驾驶舱显示系统、飞行管理计算机、飞行控制计算机、电子飞行包、膝上型计算机、平板计算机或其它手持装置。
以下所公开的教导也可在分布式计算环境中实践，其中经由通过通信网络(例如，飞行器通信系统经由数据链路实现的那些)链接的远程处理装置来执行任务或模块。在分布式计算环境中，程序模块或子例程可位于本地和远程存储器存储装置二者中。使用下述系统获取的导航数据可被存储或分布在计算机可读介质上，包括磁或光学可读计算机盘(例如，可移除盘)，以及经由网络以电子方式分发，这些网络包括导航系统的基于地面和基于卫星的组件。根据本文所公开的主题的各方面处理的信息可被呈现在显示器或显示介质上，例如CRT屏幕、LCD屏幕、平视显示器、触摸屏或其它合适的显示装置。
如本文所使用的，术语“全球导航卫星系统”(GNSS)包括用于确定位置的任何卫星系统或其组合(例如，全球定位系统(GPS)、伽利略、北斗、Globalnaya NavigazionnayaSputnikovaya Sistema(GLONASS)等)。全球导航卫星系统向地球上或附近到四个或更多个GNSS卫星的视线不受阻碍的任何地方的GNSS接收器提供地理位置和时间信息。在以下的详细描述中，将描述采用GPS信号的示例实现方式。
在一些情况下，无法获得GPS信号或者GPS信号相对弱(例如，不足)，本文中称为GPS拒绝或GPS紧张环境。GPS拒绝环境可能是由诸如地形、天气、射频干扰、有意干扰(例如，欺骗攻击或恶意干扰器)等的各种因素导致的。如果飞行器远离其目的地(例如，基地)并进入GPS拒绝环境，则飞行器可能飞行相对长的距离以到达可再次以可靠的方式处理GPS信号的区域。
下面详细公开的系统是安装在包括DCRPA的载具上的卫星导航系统。根据一些实施方式，机载卫星导航系统包括DCRPA子系统和GNSS接收器。整个系统被设计为使得所有射频(RF)处理和数字采样被并入DCRPA子系统中。来自阵列的各个元件的RF信号被单独地数字化。然后，使用串行器将所得数字样本组合成单个比特流，该比特流被发送到GNSS接收器。优选地，GNSS接收器是软件定义无线电。这种布置方式允许DCRPA子系统和GNSS接收器利用单个同轴线缆连接。这种布置方式将允许DCRPA子系统简单改装到现有机身设计以及新的飞机设计。
图1是标识根据一个实施方式的机载卫星导航系统10的一些组件的框图。该系统能够减轻载具上的卫星导航干扰和一些类型的欺骗攻击。机载卫星导航系统10包括GNSS软件定义无线电12(以下，“GNSS SDR 12”；在图1中由虚线矩形指示)、DCRPA子系统14(在图1中由虚线矩形指示)以及将DCRPA子系统14连接到GNSS SDR 12的RF线缆13。例如，具有图1中标识的组件的机载卫星导航系统10可被安装在新飞机上以及已经投入使用的飞机上。在后一种情况下，飞机上的现有GNSS接收器和CRPA(通过单个RF线缆连接)可被移除并分别由GNSS SDR 12和DCRPA子系统14替换，而无需移除RF线缆13或安装附加RF线缆。
仍参照图1，DCRPA子系统14包括RF电子设备和模数(A/D)转换器以独立地将各个天线元件上接收的信号数字化。图1所示的示例性实施方式具有三个天线元件2a-2c，但是将所有RF处理和数字采样并入DCRPA子系统14中的构思可扩展至任何数量的天线元件，最终仅受RF线缆13的带宽以及采样率和分辨率的选择限制。
图1示出天线元件2a-2c电连接到相应滤波器4a-4c。从滤波器4a-4c输出的经滤波的RF信号被分别输入到相应低噪放大器6a-6c。由低噪放大器6a-6c输出的放大的RF信号继而被输入到相应正交混频器8a-8c。正交混频器8a-8c还从合成器18接收适当的中频(IF)信号，该IF信号与低噪放大器6a-6c所输出的相应RF信号混合。合成器18可以是标准设计的频率合成器，其允许DCRPA子系统14被调谐至系统的接收频带内的任何频率。在通过相应模数转换器16a-16c进行模数转换之前，滤波器4a-4c、低噪放大器6a-6c和正交混频器8a-8c调节来自天线元件2a-2c的相应RF信号。模数转换器16a-16c以熟知方式将从正交混频器8a-8c输出的模拟信号转换为数字同相/正交(I/Q)样本。
要注意的是，为了简单起见，并未示出RF前端处理的每一个元件，而是仅示出足以示出本文所公开的构思的那些元件。卫星导航接收器前端的设计是现有技术中众所周知的，图1中的省略并不暗示任何限制。
再参照图1，DCRPA子系统14经由作为单个同轴线缆连接的RF线缆13从GNSS SDR12接收DC功率和时钟信号。在DCRPA子系统14中使用时钟信号来为模数转换器16a-16c提供时钟并且还将用于各个RF信号的下变频的适当IF频率合成到用于RF采样的中频。要注意的是，另选地，可使用直接采样技术，而没有下变频。然而，模数转换的现有技术使得这种布置方式昂贵，并且RF线缆13上所需的RF带宽将较大。尽管图1中示出传统下变频和数字化布置方式，但其它布置方式也是可能的。例如，利用足够强大的模数转换器，可进行RF频谱的直接采样。
在模数转换之后，通过串行器20将I/Q样本复用并交织成单个比特流。该比特流可包括额外比特，其标识(以下，“源天线元件标识符”)接收利用那些比特(以下，“源元件标识符比特”)编码的RF信号的天线元件。该比特流被输出到RF调制器22，RF调制器22被配置为对恒定频率参考信号(以下，“载波”)进行调制。所得数字调制的信号以下将称为“经调制的比特流”。任何合适的数字调制格式。例如，数字调制可以是简单的双相移键控，或者另选地，256正交幅度调制。另外，比特流可被划分并并行调制到设定在不同频率的多个载波上。允许来自各个元件的数字数据流在单个线缆上发送并在软件接收器中恢复和重构的任何布置方式均将是可接受的。可采用纠错码以确保足够低的误码率。然后，经调制的比特流被引入到天线侧三工器24。天线侧三工器24将经调制的比特流经由单个RF线缆13发送到并入GNSS SDR 12中的接收器侧三工器26。
由串行器20执行的交织算法可用于提供一定程度的安全性，以防止DCRPA子系统14被用于未经许可的(non-sanctioned)接收器设计。仅被适当编程以将数据适当地解交织的GNSS SDR 12能够使用DCRPA子系统14。此构思可扩展至在比特流上添加任何期望的加密，以确保天线不被并入未经许可或未经授权的设计。仅具有适当解密算法和密钥的接收器能够使用天线。
接收器侧三工器26允许来自DCRPA子系统14的经调制的比特流与从GNSS SDR 12发送到DCRPA子系统14的直流(DC)功率和时钟(以及可选地，控制数据)信号(以比用于生成经调制的比特流的频率低许多的频率调制)隔离。如图1中看到的，从DC电源(未示出)经由接收器侧三工器26、RF线缆13和天线侧三工器24向DCRPA子系统14的电子组件供应DC功率。类似地，由并入GNSS SDR 12中的时钟34生成的时钟信号经由接收器侧三工器26、RF线缆13和天线侧三工器24被发送到DCRPA子系统14的模数转换器16a-16c和合成器18。时钟信号还可利用可用于控制或改变DCRPA子系统14的配置的一些方面(例如，自动增益控制和天线元件选择)的信息来调制。根据替代实施方式，可通过线缆以外的路径向天线子系统供应DC功率，在这种情况下三工器可由双工器代替。
双工器是将所接收的信号分离成所接收的信号内的两个频率范围的装置。传统双工器包括分立的电路组件以将所接收的信号带通、高通或低通滤波为两个频率范围。双工器频率将两个端口复用到一个端口上，但是可复用超过两个端口。相反，本文所称的三工器是三端口至一端口的复用器。三工器组合/分离三个频带，高频带、低频带和甚低频带(包括DC)。
因此，穿过RF线缆13的电流具有三个分量：(1)经调制的比特流，其在高频带中并且从DCRPA子系统14传播到GNSS SDR 12；(2)DC功率，其采取RF线缆13的中心导体上(相对于同轴屏蔽)的电压的形式，该电压生成从GNSS SDR 12流向DCRPA子系统14的甚低频带中的DC；以及(3)时钟信号，其在低频带中并且从GNSS SDR 12传播到DCRPA子系统14。
在离开三工器16时，经调制的比特流由并入GNSS SDR 12中的RF解调器28解调，以恢复原始比特流。RF解调器28将该比特流发送到软件定义无线电处理器30(以下，“SDR处理器30”)。SDR处理器30被配置为使得到来的比特流根据需要被解复用、解交织和解密，以恢复来自天线元件2a-2c的各个信号的I和Q样本。例如，SDR处理器30通过读取源元件标识符比特来标识作为交织比特的源的天线元件。(根据替代实施方式，可使用来自GNSS SDR 12的命令或使用时钟信号使交织同步来标识比特流的各个段的源。)在此处理阶段，可应用用于数字波束成形的许多熟知技术中的任一种。将来自独立天线元件2a-2c的样本乘以适当的相位和幅度因子，然后求和以形成单个样本流。此过程可执行多次，以形成具有不同的有效天线图案的数字化样本。
从这一点，可如任何传统软件定义GNSS接收器中一样由SDR处理器30处理数字信号。例如，SDR处理器30优选被配置为搜索代码的多个副本。SDR处理器30还可使用扩展的代码集成间隔来处理从并入GNSS SDR 12中的紧密联接的惯性测量单元32(以下，“IMU 32”)接收的数据。惯性测量单元是使用加速度计和陀螺仪的组合来测量并报告载具的加速度、角速度以及有时主体周围的磁场的电子装置。当GPS信号不可用时(例如，当存在电子干扰时)，IMU 32允许GNSS SDR 12工作。IMU 32所报告的数据被馈送到GNSS SDR 12中，GNSSSDR 12计算载具的姿态、速度和位置。
根据替代实施方式，在天线子系统和接收器之间可采用光纤线缆(或其它双向光学接口)，而非RF线缆。代替上述类型的三工器，这种系统将包括使用波分复用/解复用在一个方向上发送经调制的比特流并在相反方向上发送时钟信号的相应双波长单光纤双向收发器。在这种情况下，将需要用于天线电子设备的替代电源。仍可使用双向光学接口来向天线电子设备提供同步时钟(以及可能地，数据)。
图2是标识包括一对双波长单光纤双向收发器70a和70b的双向全双工数据传输系统50的一些特征的图。如美国专利申请No.15/802,523中公开的，各个收发器发送和接收相同波长的光。[如本文所使用的，在相干激光的上下文中术语“波长”意指具有窄带宽的激光的中心波长。]在此示例中，各个收发器20a和20b是包括激光器40和光电检测器38的单波长双光纤双向收发器。响应于分别经由发送电信号线42a和42b接收到差分发送信号Tx+和Tx-，激光驱动器和发送电路56驱动激光器40发射光。激光驱动器和发送电路56包括将那些电差分信号转换为表示要由激光器40发送的数据的电数字信号的电路。相反，光电检测器38接收光并将该检测的光转换为电数字信号，该电数字信号被提供给检测器放大器和接收电路54。检测器放大器和接收电路54继而包括将那些电数字信号转换为表示所接收的数据的电差分接收信号Rx+和Rx-的电路。电差分接收信号Rx+和Rx-分别经由接收电信号线44a和44b被发送到其它电路。各个双波长单光纤双向收发器70a和70b经由收发器电源线46接收具有电压Vcc的电功率。
在图2所示的示例实现方式中，双波长单光纤双向收发器70a的激光器40光学耦合以经由包括串联连接的玻璃光纤58a、连接器60a、千兆位塑料光纤62、连接器60b和玻璃光纤58b的光缆52朝着双波长单光纤双向收发器70b的光电检测器38发射光。双波长单光纤双向收发器70b的激光器40光学耦合以经由相同的光缆52朝着双波长单光纤双向收发器70的光电检测器38发射光。双波长单光纤双向收发器70a发送具有波长λ1的光并接收具有波长λ2的光。相反，双波长单光纤双向收发器70b发送具有波长λ2的光并接收具有波长λ1的光。双波长单光纤双向收发器70a和70b中的每一个包括使具有波长λ1的光通过并反射具有波长λ2的光的WMD滤光器36。
根据另一方面，可利用包括所有A/D转换、复用、交织以及可能地一些RF功能(例如，比特流的调制)的一个或更多个单片专用芯片来设计天线子系统。如果这些功能可被组合到大规模专用集成电路(ASIC)中，则那些部件可在其它封装或架构中重用。例如，多个这样的ASIC可并行使用以成倍增加元件的数量。使用设计所特定的ASIC也是有利的，因为硬件可被设计为基于简单的状态机，而不需要任何软件。换言之，DCRPA子系统14将不需要复杂的软件算法，并且验证和核实应该相对简单。DCRPA子系统14中的RF调制器22和GNSS SDR12中的RF解调器28也是专用单片设计可能有益的组件。
本文所提出的卫星导航系统与之前解决方案的不同之处在于，将系统功能分组并将比特流的复用和调制插入到DCRPA子系统14中，以允许DCRPA子系统14与GNSS SDR 12之间单个同轴线缆接口(例如，RF线缆13)。这通过以允许来自DCRPA子系统14的各个天线元件2a-2c的数字化信号在GNSS SDR 12中重构的方式对比特流进行复用、调制、传输、解调和解复用来实现。然后，GNSS SDR 12使用数字波束成形适当地在接收图案中形成波束或空值，以抵抗人为干扰和欺骗。此外，三工器(接收器侧三工器26和天线侧三工器24)允许在单个同轴线缆接口上双向发送多个信号和DC功率。图1所示的设计的另一特征在于，对导航精度有影响的系统的RF部分被最小化并包含在天线中。当适当地设计时，该特征应该消除许多故障模式并且使得元件至元件相位误差的校准更简单更稳定。
本文所公开的系统的抗人为干扰和防欺骗能力为安全相关的要求更高的民用应用(例如，自主空中载具、自驾驶汽车、主动式列车控制)提供了支持。该系统旨在缩小“GNSS拒绝”环境的占用空间，并且利用网络安全确保精确卫星定位的高可用性和连续性以支持安全相关应用。
根据一个所提出的实现方式，GNSS SDR可被配置成具有显著抗人为干扰和防欺骗能力的多模式接收器(MMR)。这种增强MMR将是目前投入使用的所有MMR的插件更换。同样，具有RF处理和数字化的天线子系统将允许CRPA天线简单改装到现有机身设计。
图3是标识将载具改装为包含本文所公开的卫星导航系统的方法100的步骤的流程图。如以下描述中指出的，所列步骤不需要按图3中描绘的次序执行。改装方法的第一阶段涉及移除现有卫星导航系统的一些组件。将载具上的现有GNSS接收器从GNSS接收器连接至的RF线缆的一端断开(步骤102)，然后将其从载具移除(步骤104)。在执行步骤102和104之前、之后或期间，将接收GPS信号的现有天线从GNSS接收器连接至的RF线缆的另一端断开(步骤106)，然后将其从载具移除(步骤108)。在步骤104中移除现有GNSS接收器之后，将GNSS SDR 12放置在载具上的相同位置中(步骤110)，然后将其电连接到RF线缆的一端(步骤112)。类似地，在步骤108中移除现有天线之后，将DCRPA子系统14放置在载具上的相同位置中(步骤114)，然后将其电连接到RF线缆的另一端(步骤116)。本领域技术人员可理解，步骤102、104、110和112在第一序列中依次执行，而步骤106、108、114和116在第二序列中依次执行，但第二序列可在第一序列之前、期间或之后执行。
本文所提出的DCRPA布置方式的一个益处在于，来自DCRPA的数字数据信号可被分裂并馈送至任何期望数量的SDR处理单元。因此，单个DCRPA可向多个GNSS接收器提供GNSS信号接收而不会有系统的C/No或位置精度的任何劣化。类似地，SDR单元可从多个DCRPA单元接收数字数据流，从而潜在地允许多个DCRPA子系统部署在阵列中。这允许一些潜在非常灵活的冗余管理架构。
图4是标识根据一个实施方式的卫星导航系统11的组件的框图，其中两个DCRPA14a和14b经由两个RF分裂器64a和64b交叉连接到两个GNSS软件定义无线电12a和12b。在此布置方式中，任一DCRPA的丢失不会导致失去导航。类似地，任一GNSS软件定义无线电的丢失不会导致失去导航。另外，各个GNSS软件定义无线电12a和12b从两个DCRPA 14a和14b接收信号的事实将允许任一GNSS软件定义无线电使用两个DCRPA阵列的所有天线元件来进行波束成形。这可允许更长的基线干涉测量应用以用于诸如姿态和航向确定的目的，同时仍维持鲁棒的抗人为干扰和防欺骗能力。图4还示出来自DCRPA 14b的信号被分裂成三路，以便馈送附加备用GNSS软件定义无线电12c。事实上，可向任何数量的GNSS软件定义无线电馈送经数字调制的比特流，而不会损失导航解决方案的精度。为了例示，图4还示出GNSS软件定义无线电12a电连接到IMU 32a，而GNSS软件定义无线电12b电连接到IMU32b。IMU可如图4所示封装在GNSS软件定义无线电外部，或者如图1所示封装在GNSS软件定义无线电12内部。在替代实施方式中，GNSS软件定义无线电可与任何数量的传感器接口，并且使用来自那些传感器的传感器数据来改进导航性能。
尽管参照各种实施方式描述了用于允许载具进行卫星导航的机载系统和方法，但本领域技术人员将理解，在不脱离本文中的教导的情况下，可进行各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，可进行许多修改以使本文所公开的实践的构思和缩减适应特定情况。因此，权利要求所涵盖的主题旨在不限于所公开的实施方式。
上面所公开的实施方式使用一个或更多个处理或计算装置。这些装置通常包括处理器、计算装置或控制器，例如通用中央处理单元、微控制器、缩减指令集计算机处理器、ASIC、可编程逻辑电路、FPGA、数字信号处理器和/或能够执行本文所描述的功能的任何其它电路或处理装置。本文所描述的方法可被编码为具体实现于非暂时性有形计算机可读存储介质中的可执行指令，包括(但不限于)存储装置和/或存储器装置。这些指令在由处理装置执行时使得处理装置执行本文所描述的方法的至少一部分。上述示例仅是示例性的，因此并非旨在以任何方式限制术语“处理器”和“计算装置”的定义和/或含义。
随附的方法权利要求不应被解释为要求其中所述的步骤按照字母顺序(权利要求中的任何字母顺序仅用于引用前述步骤的目的)或按照其叙述顺序执行，除非权利要求语言明确地指明或陈述指示执行那些步骤中的一些或全部的特定顺序的条件。方法权利要求也不应被解释为排除同时或交替执行的两个或更多个步骤的任何部分，除非权利要求语言明确地陈述排除这种解释的条件。
如权利要求中所使用的，所公开的与术语“射频处理装置”对应的结构包括串联电连接的滤波器、放大器和混频器(例如，图1中看到的滤波器4a、低噪放大器6a和正交混频器8a)及其结构等同物。如权利要求中所使用的，所公开的与术语“数字采样装置”对应的结构包括模数转换器及其结构等同物。如权利要求中所使用的，术语“天线/线缆接口”应该被广义地解释为涵盖下列中的任一个：双工器、三工器、双向收发器及其结构等同物。类似地，术语“无线电/线缆接口”应该被广义地解释为涵盖下列中的任一个：双工器、三工器、双向收发器及其结构等同物。如权利要求中所使用的，术语“线缆”应该被广义地解释为包括RF线缆和光纤线缆。
注意：以下段落描述本公开的其它方面：
A1.一种导航系统，该导航系统包括线缆、电连接到线缆的一端的GNSS软件定义无线电以及电连接到线缆的另一端的天线子系统，其中，该天线子系统包括：
多个天线元件；
分别电连接到所述多个天线元件的多个射频处理电路；
分别电连接到所述多个射频处理电路的多个模数转换器；
串行器，其被配置为对从所述多个模数转换器接收的数字样本进行交织以形成比特流；
RF调制器，其被配置为将比特流转换为经调制的比特流；以及
天线/线缆接口，其将RF调制器联接到线缆，
其中，所述多个射频处理电路中的各个射频处理电路包括串联电连接的滤波器、低噪放大器和正交混频器。
A2.根据段落A1所述的导航系统，其中，GNSS软件定义无线电包括RF解调器以及将该RF解调器联接到线缆的无线电/线缆接口，该RF解调器被配置为从经调制的比特流恢复比特流。
A3.根据段落A2所述的导航系统，其中，GNSS软件定义无线电还包括软件定义无线电处理器，其被配置为处理由RF解调器恢复的比特流以生成受控接收图案。
A4.根据段落A3所述的导航系统，其中，GNSS软件定义无线电还包括输出时钟信号的时钟，并且天线子系统还包括经由无线电/线缆接口、线缆和天线/线缆接口从时钟接收时钟信号的合成器。
A5.根据段落A3所述的导航系统，其中，天线子系统还包括输出时钟信号的时钟，并且天线子系统还包括接收该时钟信号的合成器。
A6.根据段落A5所述的导航系统，其中，所述线缆是RF线缆，天线/线缆接口是第一双工器，并且无线电/线缆接口是第二双工器。
A7.根据段落A5所述的导航系统，其中，所述线缆是光纤线缆，天线/线缆接口是第一双向收发器，并且无线电/线缆接口是第二双向收发器。
A8.根据段落A5所述的导航系统，其中，所述线缆是RF线缆，天线/线缆接口是第一三工器，无线电/线缆接口是第二三工器，并且天线子系统被配置为经由RF线缆以及第一和第二三工器从GNSS软件定义无线电接收DC功率。
A9.一种将载具改装为包括受控接收图案天线的方法，该方法包括以下步骤：
将所述载具上的现有GNSS接收器从RF线缆的一端断开；
将断开的GNSS接收器从所述载具移除；
将现有天线从所述线缆的另一端断开；
将断开的天线从所述载具移除；
将GNSS软件定义无线电放置在所述载具上；
将所述GNSS软件定义无线电电连接到所述RF线缆的所述一端；
将天线子系统放置在所述载具上；以及
将所述天线子系统电连接到所述RF线缆的所述另一端。

Claims (15)

1.一种导航系统，该导航系统包括线缆、电连接到所述线缆的一端的GNSS软件定义无线电以及电连接到所述线缆的另一端的天线子系统，其中，该天线子系统包括：
第一天线元件和第二天线元件；
分别电连接到所述第一天线元件和所述第二天线元件的第一射频处理装置和第二射频处理装置；
分别电连接到所述第一射频处理装置和所述第二射频处理装置的第一数字采样装置和第二数字采样装置；
串行器，该串行器被配置为对从所述第一数字采样装置和所述第二数字采样装置接收的数字样本进行交织以形成比特流；
RF调制器，该RF调制器被配置为将所述比特流转换为经调制的比特流；以及
天线/线缆接口，该天线/线缆接口将所述RF调制器联接到所述线缆。
2.根据权利要求1所述的导航系统，其中，所述GNSS软件定义无线电包括RF解调器以及将所述RF解调器联接到所述线缆的无线电/线缆接口，所述RF解调器被配置为从所述经调制的比特流恢复所述比特流。
3.根据权利要求2所述的导航系统，其中，所述GNSS软件定义无线电还包括软件定义无线电处理器，该软件定义无线电处理器被配置为处理由所述RF解调器恢复的所述比特流以生成受控接收图案。
4.根据权利要求3所述的导航系统，其中，所述GNSS软件定义无线电还包括输出时钟信号的时钟，并且所述天线子系统还包括经由所述无线电/线缆接口、所述线缆和所述天线/线缆接口从所述时钟接收所述时钟信号的合成器。
5.根据权利要求3所述的导航系统，其中，所述天线子系统还包括输出时钟信号的时钟和接收该时钟信号的合成器。
6.根据权利要求2所述的导航系统，其中，所述线缆是RF线缆，所述天线/线缆接口是第一双工器，并且所述无线电/线缆接口是第二双工器。
7.根据权利要求6所述的导航系统，其中，所述GNSS软件定义无线电包括输出时钟信号的时钟，并且所述天线子系统还包括经由所述RF线缆以及第一双工器和第二双工器从所述时钟接收所述时钟信号的合成器。
8.根据权利要求2所述的导航系统，其中，所述线缆是RF线缆，所述天线/线缆接口是第一三工器，并且所述无线电/线缆接口是第二三工器。
9.根据权利要求8所述的导航系统，其中，所述GNSS软件定义无线电包括输出时钟信号的时钟，所述天线子系统被配置为经由所述RF线缆以及所述第一三工器和所述第二三工器从所述GNSS软件定义无线电接收DC功率，并且所述天线子系统还包括经由所述RF线缆以及所述第一三工器和所述第二三工器从所述时钟接收所述时钟信号的合成器。
10.根据权利要求2所述的导航系统，其中，所述线缆是光纤线缆，所述天线/线缆接口是第一双向收发器，并且所述无线电/线缆接口是第二双向收发器。
11.根据权利要求10所述的导航系统，其中，所述GNSS软件定义无线电包括输出时钟信号的时钟，并且所述天线子系统还包括经由所述光纤线缆以及所述第一双向收发器和所述第二双向收发器从所述时钟接收所述时钟信号的合成器。
12.一种操作导航系统的方法，该导航系统包括通过无线电/线缆接口连接到线缆的一端的GNSS软件定义无线电以及通过天线/线缆接口与所述线缆的另一端连接的天线子系统，所述方法包括以下步骤：
(a)对从多个天线元件接收的信号进行射频处理，以生成IF信号；
(b)对所述IF信号进行数字采样，以生成I样本和Q样本；
(c)对所述I样本和所述Q样本进行交织，以形成比特流；
(d)将所述比特流转换为经调制的比特流；以及
(e)经由天线/线缆接口将所述经调制的比特流发送到所述线缆，
其中，在所述天线子系统内执行步骤(a)至(e)。
13.根据权利要求12所述的方法，该方法还包括：经由所述线缆将时钟信号从所述GNSS软件定义无线电发送到所述天线子系统。
14.根据权利要求12所述的方法，该方法还包括：使用包括在所述天线子系统中的电路来生成时钟信号。
15.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括：经由所述线缆将DC功率从所述GNSS软件定义无线电供应给所述天线子系统。
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