ES2316875T3 - Sistema dual de navegacion gps anti-interferencias redundante para un vehiculo aereo. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de navegación (30) para un vehículo aéreo que comprende una primera antena (32) para la recepción de una señal de un sistema de posicionamiento global y una segunda antena (48) para la recepción de la señal del sistema de posicionamiento global, y una primera y una segunda unidades de navegación (44, 60) para controlar el vuelo del vehículo aéreo, el sistema de navegación caracterizado por: una primera unidad de supresión de la interferencia (34) acoplada a la primera antena, la primera unidad de supresión de la interferencia suprime la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento global usando una primera técnica de supresión de la interferencia; la primera unidad de navegación (44) estando configurada para recibir señales provenientes de la primera unidad de supresión de la interferencia; una segunda unidad de supresión de la interferencia (50) acoplada a la segunda antena, la segunda unidad de supresión de la interferencia suprime la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento global usando una segunda técnica de supresión de la interferencia, en el que la primera y la segunda técnicas de supresión de la interferencia son diferentes; y la segunda unidad de navegación (60) estando configurada para la recepción de señales provenientes de la segunda unidad de supresión de la interferencia, en el que al menos una de la primera y de la segunda unidades de navegación controla el vuelo del vehículo aéreo.
Description
Sistema dual de navegación GPS
anti-interferencias redundante para un vehículo
aéreo.
La invención descrita en este documento se puede
fabricar y usar por, o para, el Gobierno de los Estados Unidos de
América para propósitos gubernamentales sin el pago de ninguna
licencia acerca de la misma o para la misma.
Esta invención se refiere a sistemas de
radiofrecuencia (RF) usados para propósitos de navegación, y de
manera más particular, a sistemas de navegación de aeronaves que
utilizan señales del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) e
incluyen dispositivos anti-interferencias.
Los sistemas de navegación por satélite emplean
una pluralidad de satélites que generan señales respectivas para la
recepción por parte de un receptor de RF que se encuentra a bordo de
un vehículo aéreo o un vehículo terrestre, u otra plataforma para
el cálculo de la posición de la plataforma. De esta manera, un
control de la navegación puede de esta manera conducir la
plataforma en base a un flujo de cálculos de la posición. Los
sistemas bien conocidos de navegación por satélite incluyen el
Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y el Sistema de Satélites
de Navegación Global (GLONASS). De la manera en que se usa en este
documento, el término Sistema de Posicionamiento Global o GPS hace
referencia de manera genérica a sistemas de navegación por satélite
que incluyen el Sistema de Posicionamiento Global, el sistema
GLONASS, y cualquier sistema adicional de navegación por satélite
que se pueda crear en el
futuro.
futuro.
El Sistema de Posicionamiento Global es una red
de satélites que transmite señales de información, que cuando son
recibidas y descodificadas, permiten a un receptor fijar de manera
precisa su posición dentro de un área de cobertura. El sistema de
navegación por satélite de sistema de posicionamiento global (GPS)
proporciona una posición, una velocidad y una referencia horaria a
nivel mundial disponibles para su utilización en sistemas
electrónicos de navegación. La utilidad del Sistema de
Posicionamiento Global para aplicaciones de guiado está bien
reconocido, como se muestra en el documento de Loegering G. y
colaboradores, "The evolution of the Global Hawk and MALD
avionics systems", Conferencia de Sistemas Digitales en Aviónica,
Actas, 18th St. Louis, MO, USA, Piscataway, NJ, USA, IEEE,
E.E.U.U., 24 de octubre de 1999.
Desafortunadamente, el guiado por GPS, que
solamente usa señales de baja potencia provenientes de satélites en
una órbita de 11.000 millas náuticas es de forma notoria fácil de
interferir con interferencias de baja potencia y de bajo coste
posicionados en varias localizaciones. Como un gran número de
unidades de interferencia podrían estar localizadas en un área
dada, puede que no sea factible la eliminación una a una de las
interferencias. Si solamente permanecen operativos unos pocos,
éstos pueden interferir de manera efectiva las señales GPS.
Además, en un entorno con intensos campos de RF,
las señales de interferencia pueden tener efectos perturbadores
sobre un receptor de RF incluso aunque no se generen de manera
intencionada como señales perturbadoras. Las señales perturbadoras
se pueden originar, por ejemplo, desde una torre de radio o de
televisión, o desde cualquier dispositivo de alta frecuencia tal
como un radar, una radio o un teléfono celular.
De acuerdo con esto, el término "señal
perturbadora", de la manera en que se usa en este documento, hace
referencia tanto a señales perturbadoras como a señales de
interferencia. Además, el término "libre de perturbaciones"
incluye "libre de interferencias", y el término "capacidad
antiperturbaciones" incluye la capacidad
"antiinterferencias".
Se han sugerido varias medidas para proporcionar
una contramedida antiperturbaciones para vehículos guiados por GPS.
Una medida implica el uso de un sistema de antena canceladora. De
acuerdo con esta aproximación, el vehículo está equipado con un
número de antenas que apuntan a un nulo en el diagrama de radiación
de la antena en la fuente de la señal perturbadora. Para que sea un
tanto efectiva, esta aproximación puede ser cara ya que el número
de perturbadores que se pueden cancelar es uno menos que el número
de elementos de antena. De esta forma, esta aproximación puede no
ser práctica si se usa un gran número de perturbadores baratos.
Se han propuesto otras técnicas para dirigir el
problema de las señales interferentes que caigan dentro del ancho
de banda GPS. Una aproximación es el uso de un número aumentado de
bits en el ADC (conversor A/D) y depender de la capacidad de
correlación para mitigar la transmisión del perturbador. Esta
aproximación se basa en la premisa de que el correlador distinguirá
entre el código de de oro y una CW (tono), con tal de que el nivel
de potencia del perturbador no sea tan elevado para poner el ADC en
un modo de saturación. Por medio del aumento del margen dinámico
del ADC (con el aumento concurrente en el número de bits), se pueden
reducir los efectos de las señales perturbadoras.
Otra aproximación es una aproximación de
"cancelación" en lugar de "eliminación." Esto es, se
genera una "réplica" (o tan próxima a una réplica como sea
posible) de la señal perturbadora y se resta de la señal recibida.
Este procedimiento de cancelación es de valor cuando la señal
perturbadora sea de hecho una señal CW de banda muy estrecha,
esencialmente un tono puro. Para una aplicabilidad más amplia, se
pueden generar múltiples "réplicas" CW y restarlas en el caso
de que haya más de una señal perturbadora.
Mientras se describe en la patente de los
Estados Unidos número 5.955.987 un ejemplo de un sistema de
navegación GPS antiperturbaciones, existe una necesidad de un
sistema y de un procedimiento para la navegación de vehículos
aéreos que proporcione una resistencia mejorada a las señales
perturbadoras.
La presente invención proporciona un sistema de
navegación como se define en la reivindicación 1, y un procedimiento
como se define en la reivindicación 5 para controlar el vuelo de un
vehículo aéreo.
El sistema puede comprender de manera adicional
una tercera unidad de navegación para la recepción de señales desde
la primera unidad de supresión de interferencias, y una cuarta
unidad de navegación para la recepción de señales desde la segunda
unidad de supresión de interferencias.
La primera técnica de supresión de
interferencias puede comprender una técnica de direccionamiento de
los nulos de antena, y la segunda técnica de supresión de
interferencias puede comprender una técnica de diferencia de
polarización de frente de ondas.
La primera antena puede comprender una antena de
diagrama de radiación controlado.
El procedimiento puede comprender además los
pasos de hacer funcionar una tercera unidad de navegación de
acuerdo con la primera señal del sistema de posicionamiento global
suprimida de interferencia, haciendo funcionar una cuarta unidad de
navegación de acuerdo con la segunda señal del sistema de
posicionamiento global suprimida de interferencia, y usando al
menos una de la primera, segunda, tercera o cuarta unidades de
navegación para controlar el vuelo del vehículo aéreo.
La primera técnica de supresión de interferencia
puede comprender una técnica de direccionamiento de nulos de
antena, y la segunda técnica de supresión de interferencias puede
comprender una técnica de diferencia de polarización de frente de
ondas.
La primera antena puede comprender una antena de
diagrama de radiación controlado.
La figura 1 es una representación esquemática de
un vehículo aéreo en combinación con un sistema de posicionamiento
global y con fuentes de señales perturbadoras.
La figura 2 es un diagrama de bloques funcional
simplificado de un sistema de navegación de un vehículo aéreo
construido de acuerdo con esta invención.
Con referencia a los dibujos, la figura 1 es una
representación esquemática de un vehículo aéreo 10 en combinación
con un sistema de posicionamiento global (GPS) y fuentes de señales
perturbadoras. El sistema de posicionamiento global incluye una
pluralidad de satélites 12, 14, 16 y 18 que orbitan la Tierra en un
patrón conocido y que transmiten señales del sistema de
posicionamiento global de acuerdo con técnicas conocidas. El
vehículo aéreo incluye dos antenas para la recepción de las señales
de posicionamiento global provenientes de los satélites. El
vehículo aéreo incluye al menos dos sistemas de navegación de a
bordo. Los sistemas de navegación de a bordo usan las señales GPS
para controlar el vuelo del vehículo aéreo de acuerdo con técnicas
conocidas. Se muestran una pluralidad de fuentes de señales
perturbadoras 20, 22 y 24 que están localizadas en posiciones
separadas sobre el suelo. Mientras que en la figura 1 se ilustran
las fuentes de señal perturbadora con base en tierra, se debería
comprender que las señales perturbadoras pueden ser proporcionadas
por fuentes que no se encuentren situadas en el suelo.
Las fuentes de señal perturbadora pueden
proporcionar varios tipos de señales perturbadoras en un intento
para interrumpir la navegación del vehículo aéreo. Los dispositivos
antiperturbaciones se han desarrollado para permitir el
funcionamiento del sistema de navegación GPS en presencia de señales
perturbadoras. La presente invención utiliza estos dispositivos
antiperturbaciones de una manera nueva para proporcionar protección
mejorada frente a señales perturbadoras.
La figura 2 es un diagrama de bloques funcional
simplificado de un sistema de navegación de vehículos aéreos 30
construido de acuerdo con esta invención. En navegación de aviónica
y en sistemas de control, es altamente deseable incorporar
redundancia con el fin de proporcionar integridad y control de la
aeronave. El sistema de la figura 2 incluye una primera antena 32
para recibir las señales GPS. La primera antena está acoplada a una
primera unidad de supresión de la interferencia 34 acoplada a la
primera antena. La primera unidad de supresión de la interferencia
suprime la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento
global usando una primera técnica de supresión de la interferencia
para suprimir las señales proporcionadas por las fuentes de
perturbación. La primera unidad de supresión de la interferencia
produce una salida sobre la línea 36 que se divide por medio del
divisor 38 y se acondiciona por medio de dispositivos de
acondicionamiento de la señal 40 y 42. Los dispositivos de
acondicionamiento de la señal pueden incluir, por ejemplo, filtros,
amplificadores y atenuadores bien conocidos según se requiera para
cada una de las unidades de navegación 44 y 46.
También se proporciona una segunda antena 48
para la recepción de las señales del sistema de posicionamiento
global. La segunda antena está acoplada a una segunda unidad de
supresión de la interferencia 50. La segunda unidad de supresión de
la interferencia suprime la interferencia de la señal del sistema de
posicionamiento global usando una segunda técnica de supresión de
la interferencia. La segunda unidad de supresión de la interferencia
produce una salida en la línea 52 que es dividida por un segundo
divisor 54 y que es acondicionada por los dispositivos de
acondicionamiento de la señal 56 y 58. Los dispositivos de
acondicionamiento de la señal pueden incluir, por ejemplo, filtros,
preamplificadores y atenuadores bien conocidos según se requiera
para cada una de las unidades de navegación 60 y 62.
Las unidades de navegación 44, 46, 60 y 62
producen señales de control, como se ilustra por medio de las
flechas 64, 66, 68 y 70, que se usan para controlar el vuelo de un
vehículo aéreo de acuerdo con técnicas conocidas.
Las unidades de supresión de la interferencia
pueden estar construidas de acuerdo con técnicas existentes, y
pueden incluir, por ejemplo: unidades que utilicen una técnica de
direccionamiento de los nulos de antena, una técnica de diferencia
de polarización de frente de ondas, una técnica de cancelación de la
señal de interferencia, una técnica de filtrado temporal adaptable,
una técnica de filtrado de seguimiento asistido de banda estrecha u
otras técnicas de procesado de la señal. Una técnica podría ser
preferible sobre otra dependiendo del entorno anticipado de
perturbaciones y de interferencia. Por medio de la utilización de
dos técnicas diferentes de supresión de la interferencia, el
sistema y el procedimiento de esta invención disminuyen la
probabilidad de una señal perturbadora, evitando el acceso a las
señales GPS sobre sistemas que incluyan componentes similares
redundantes con idénticas técnicas de supresión de la
interferencia.
Las unidades de navegación usadas en el sistema
de navegación de esta invención pueden ser, por ejemplo, unidades
Kearfott KN-4072 INS/GPS, y/o unidades Litton
LN-100G INS/GPS. Estas unidades funcionan usando
tanto navegación inercial como navegación por sistemas de
posicionamiento global. Las unidades de supresión de la
interferencia pueden ser, por ejemplo, la unidad
Electro-Radiation ISU/LRU-2000L1,
y/o la unidad de los Sistemas de Raytheon GAS-1N.
Cada par de unidades de navegación está alimentado desde una antena
GPS independiente. Los sistemas y el procedimiento de esta
invención utilizan el principio de redundancia diferente. En el
vehículo aéreo, los sistemas de navegación antiperturbaciones de
esta invención usan una arquitectura que incluye un tipo diferente
de tecnología antiperturbadora GPS sobre cada alimentador de antena
GPS. En una realización de la invención, la unidad de supresión de
la interferencia para un par de unidades de navegación puede ser un
sistema de Raytheon GAS-IN y la unidad de supresión
de la interferencia para el otro par de unidades de navegación
puede ser una unidad de supresión de la interferencia ERI
ISU/LRU-2000L1. El ordenador de control de vuelo
del vehículo aéreo utiliza información proveniente de los filtros de
Kalman de las unidades de navegación para determinar qué solución
utilizar para propósitos de navegación, y se basa en el uso de la
salida del sistema con la mejor estimación de su error de
posición.
La combinación de dos sistemas
antiperturbaciones proporciona al vehículo aéreo protección frente a
fuentes de perturbación usando técnicas diferentes, proporcionando
de esta manera una protección mayor que la que se podría
proporcionar usando uno de los otros sistemas antiperturbaciones en
solitario.
Mientras que la presente invención se ha
descrito en términos de sus realizaciones actualmente preferidas,
será obvio para los expertos en la técnica que se pueden hacer
varios cambios a las realizaciones descritas sin salirse del
alcance de la invención como se define en las siguientes
reivindicaciones.
Claims (8)
1. Un sistema de navegación (30) para un
vehículo aéreo que comprende una primera antena (32) para la
recepción de una señal de un sistema de posicionamiento global y
una segunda antena (48) para la recepción de la señal del sistema
de posicionamiento global, y una primera y una segunda unidades de
navegación (44, 60) para controlar el vuelo del vehículo aéreo, el
sistema de navegación caracterizado por:
- una primera unidad de supresión de la interferencia (34) acoplada a la primera antena, la primera unidad de supresión de la interferencia suprime la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento global usando una primera técnica de supresión de la interferencia;
- la primera unidad de navegación (44) estando configurada para recibir señales provenientes de la primera unidad de supresión de la interferencia;
- una segunda unidad de supresión de la interferencia (50) acoplada a la segunda antena, la segunda unidad de supresión de la interferencia suprime la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento global usando una segunda técnica de supresión de la interferencia,
- en el que la primera y la segunda técnicas de supresión de la interferencia son diferentes; y
- la segunda unidad de navegación (60) estando configurada para la recepción de señales provenientes de la segunda unidad de supresión de la interferencia, en el que al menos una de la primera y de la segunda unidades de navegación controla el vuelo del vehículo aéreo.
2. El sistema de la reivindicación 1,
comprendiendo de manera adicional:
- una tercera unidad de navegación (46) para la recepción de señales provenientes de la primera unidad de supresión de la interferencia; y
- una cuarta unidad de navegación (62) para la recepción de señales provenientes de la segunda unidad de supresión de la interferencia,
- en el que al menos una de la primera, segunda, tercera y cuarta unidades de navegación controla el vuelo del vehículo aéreo sin tripulantes.
3. El sistema de la reivindicación 1, en el
que:
- la primera técnica de supresión de la interferencia comprende una técnica de direccionamiento del nulo de la antena; y
- la segunda técnica de supresión de la interferencia comprende una técnica de diferencia de polarización de frente de ondas.
4. El sistema de la reivindicación 1, en el
que:
- la primera antena comprende una antena con un diagrama de radiación controlado.
5. Un procedimiento para controlar el vuelo de
un vehículo aéreo que comprende los pasos de usar una primera
antena (32) para recibir una señal de un sistema de posicionamiento
global, usar una segunda antena (48) para la recepción de la señal
del sistema de posicionamiento global, y usar una primera o una
segunda unidades de navegación (44, 60) para controlar el vuelo del
vehículo aéreo, el procedimiento caracterizado por los pasos
de:
- suprimir la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento global usando una primera técnica de supresión de la interferencia para producir una primera señal de sistema de posicionamiento global con interferencia suprimida;
- hacer funcionar la primera unidad de navegación (44) de acuerdo con la primera señal del sistema de posicionamiento global con interferencia suprimida;
- suprimir la interferencia en la señal del sistema de posicionamiento global usando una segunda técnica de supresión de la interferencia para producir una segunda señal del sistema de posicionamiento global con interferencia suprimida, en el que la primera y la segunda técnicas de supresión de la interferencia son diferentes;
- hacer funcionar la segunda unidad de navegación (60) de acuerdo con la primera señal del sistema de posicionamiento global con interferencia suprimida, y
- usar al menos una de la primera y de la segunda unidades de navegación para controlar el vuelo del vehículo aéreo.
6. El procedimiento de la reivindicación 5,
comprendiendo de manera adicional los pasos de:
- hacer funcionar una tercera unidad de navegación (46) de acuerdo con la primera señal del sistema de posicionamiento global de interferencia suprimida; y
- hacer funcionar una cuarta unidad de navegación (62) de acuerdo con la segunda señal del sistema de posicionamiento global de interferencia suprimida; y
- usar el menos una de la primera, segunda, tercera o cuarta unidades de navegación para controlar el vuelo del vehículo aéreo.
7. El procedimiento de la reivindicación 5, en
el que:
- la primera técnica de supresión de la interferencia comprende una técnica de direccionamiento del nulo de antena; y
- la segunda técnica de supresión de la interferencia comprende una técnica de diferencia de la polarización del frente de ondas.
8. El procedimiento de la reivindicación 5, en
el que
- la primera antena comprende una antena de diagrama de radiación controlado.
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