JP2006513084A - 二重冗長ｇｐｓを用いて妨害を防止する航空機の航行システム - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、無人の航空機の航行システムである。航行システムは、地球上の位置探査システムの信号を受信する第１のアンテナと、第１のアンテナに接続されて、第１の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制する第１の干渉抑制ユニットと、第１の干渉抑制ユニットから信号を受信する第１の航行ユニットと、地球上の位置探査システムの信号を受信する第２のアンテナと、第２のアンテナに接続されて、第２の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制する第２の干渉抑制ユニットと、第２の干渉抑制ユニットから信号を受信する第２の航行ユニットとを具えている。該装置によって実行される航空機の航行を制御する方法も、本発明に含まれる。

Description

政府関係であることの陳述
ここで記載された発明は、政府の目的の為に、アメリカ合衆国政府によって製造され、又はアメリカ合衆国政府の為に用いられるものであって、それに対し又はその為にいかなるロイヤリティの支払いも発生しない。
本発明は、航行の目的で用いられる無線周波数(ＲＦ)システムに関し、特に地球上の位置探査システム(ＧＰＳ)信号を使用し、妨害防止(anti-jam)装置を具えた航空機航行システムに関する。
衛星航行システムは、航空機又は地上の乗物上のＲＦ受信機により受信されるため、又は他のプラットフォームによってプラットフォームの位置を演算するために、夫々の信号を生成する複数の衛星を用いる。航行制御システムは、このようにして位置演算の流れに基づいて、プラットフォームを操縦する。周知の衛星航行システムは、地球上の位置探査システム(ＧＰＳ)及び地球上の衛星航行システム(ＧＬＯＮＡＳＳ)システムを含む。ここで用いられる地球上の位置探査システム、又はＧＰＳという語は、一般に、地球上の位置探査システム、ＧＬＯＮＡＳＳ、及び将来更に作られるであろう如何なる衛星航行システムをも含む衛星航行システムを指す。
地球上の位置探査システムは、信号内の情報を送信する衛星のネットワークであり、信号が受信され復号化されたときは、受信機は受信領域内の自己の位置を正確に定めることができる。地球上の位置探査システム(ＧＰＳ)の衛星航行システムは、電子航行システムに有用に用いられる世界中の位置、速度、時間の基準情報を提供する。誘導に用いられる地球上の位置探査システムの有用性は、よく知られている。
残念なことに、航路１１,０００マイルの軌道上の衛星からの低いパワーの信号を用いるＧＰＳによる誘導は、種々の箇所に位置する低いパワー、低コストの妨害器(jammer)により簡単に妨害されることが知られている。所定の領域内に多数の妨害ユニットが位置することがあり得るから、妨害器を１つづつ取り除くことは、現実的ではない。ほんの少しでも妨害器が作動可能に残っておれば、それらはかなりＧＰＳ信号を妨害する。
更に、ＲＦ電界が強い環境下では、干渉信号(interference signal)は妨害信号として故意に生成されていなくとも、ＲＦ受信機に妨害効果を及ぼす。例えば、妨害する干渉信号は、ラジオ又はテレビ塔から発生し、又はレーダー、ラジオ、又は携帯電話のようなあらゆる高周波デバイスから発生する。
従って、ここで用いられる“妨害信号”の語は、妨害及び干渉信号の両方を指す。更に、“妨害のない”の語は、“干渉のない”を含み、“妨害防止能力”の語は、“干渉防止”能力を含む。
ＧＰＳに誘導される乗物に対して、妨害しない解決策を提供すべく、幾つかの方策が提案されてきた。１つの方策は、ナリング(nulling、打ち消し)アンテナシステムを用いることである。この提案に基づいて、乗物には妨害信号の発生源にてアンテナ放射パターン内のナルを指向する多数のアンテナが配備される。これは幾らかは効果的であるが、この提案は、打ち消し可能な妨害器の数は、アンテナ要素の数よりも少ないから、高価となるであろう。それ故に、多数の安価な妨害器が用いられていると、この提案は実際的ではない。
ＧＰＳ帯域幅内にある干渉信号の問題に対処する他の技術が提案されている。１つの提案は、ＡＤＣ(Ａ／Ｄコンバータ)に於いて、増加したビット数を用いて、相関処理に基づき、妨害器の衝撃を緩和することである。この提案は、妨害器のパワーレベルが、ＡＤＣを飽和モードにするほど大きくなければ、相関器がゴールドコード及びＣＷ(階調)を区別するとの仮定に基づいている。ＡＤＣのダイナミックレンジが増加すると(ビット数の増加と同時に)、妨害信号の効果は小さくできる。
他の提案は、“取り外し”よりもむしろ“解除”の１つである。即ち、妨害信号の“複製”(又は、実行可能である複製に近似したものとして)が生成され、受信した信号から抜き出される。この解除方法は、妨害信号が実際に狭帯域ＣＷ信号、特に純粋な階調であるときは、価値のあるものである。より広範な適用として、１以上の妨害信号があるときは、多数のＣＷ信号の“複製”が生成され及び抜き出される。
妨害を防止するＧＰＳ航行システムの例は、米国特許第5,955,987号に開示されているが、妨害信号に対して耐性が改善された航空機の航行システム及び方法を求めるニーズがある。
本発明に従った無人航空機の航行システムは、地球上の位置探査システムの信号を受信する第１のアンテナと、第１のアンテナに接続されて、第１の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制する第１の干渉抑制ユニットと、第１の干渉抑制ユニットから信号を受信する第１の航行ユニットと、地球上の位置探査システムの信号を受信する第２のアンテナと、第２のアンテナに接続されて、第２の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制する第２の干渉抑制ユニットと、第２の干渉抑制ユニットから信号を受信する第２の航行ユニットを具える。
システムは、更に第１の干渉抑制ユニットから信号を受信する第３の航行ユニットと、
第２の干渉抑制ユニットから信号を受信する第４の航行ユニットとを具えている。
第１の干渉抑制技術は、アンテナナル操縦技術を含むことができ、第２の干渉抑制技術は、波面分極差分技術を含むことができる。
第１のアンテナは、制御された放射パターンアンテナを含むことができる。
本発明はまた、航空機の航行を制御する方法を含み、該方法は第１のアンテナを用いて、地球上の位置探査システムの信号を受信する工程と、第１の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制して、干渉が抑制された第１の地球上の位置探査システム信号を生成する工程と、干渉が抑制された第１の地球上の位置探査システム信号に従って、第１の航行ユニットを作動させる工程と、第２の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制して、干渉が抑制された第２の地球上の位置探査システム信号を生成する工程と、干渉が抑制された第２の地球上の位置探査システム信号に従って、第２の航行ユニットを作動させる工程と、第１及び第２の航行ユニットの少なくとも１つを用いて、航空機の航行を制御する工程を有する。
方法は更に、干渉が抑制された第１の地球上の位置探査システム信号に従って、第３の航行ユニットを作動させる工程と、干渉が抑制された第２の地球上の位置探査システム信号に従って、第４の航行ユニットを作動させる工程と、第１、第２、第３又は第４の航行ユニットの少なくとも１つを用いて、航空機の航行を制御する工程を有する。
第１の干渉抑制技術は、アンテナナル操縦技術を含むことができ、第２の干渉抑制技術は、波面分極差分技術を含むことができる。
第１のアンテナは、制御された放射パターンアンテナを含むことができる。
図面を参照して、図１は地球上の位置探査システム(ＧＰＳ)と繋がる航空機(10)、及び妨害信号の発生源の概略図である。地球上の位置探査システムは、公知のパターンで地球を回り、公知の技術で地球上の位置探査システム信号を送信する複数の衛星(12)(14)(16)(18)を有する。航空機は、衛星から地球上の位置探査信号を受信する２つのアンテナを有する。航空機は少なくとも２つの航行システムを航空機上に具える。航空機上の航行システムは、ＧＰＳ信号を用いて、公知の技術に従って、航空機の航行を制御する。複数の妨害信号発生源(20)(22)(24)が、地上の離れた位置に位置するものとして示される。地上の妨害信号発生源は図１に示されるが、妨害信号は地上に位置しない発生源からも供給され得ることは理解されるべきである。
妨害信号発生源は、航空機の航行を混乱させようとする種々のタイプの妨害信号を供給する。妨害防止装置は、妨害信号の中で、ＧＰＳ航行システムの動作を可能にすべく開発されてきた。本発明は、これらの妨害防止装置を新たな方法で用いて、妨害信号に対する防御を改善する。
図２は、本発明に従って構成された航空機を航行するシステム(30)の簡略化された機能ブロック図である。航空電子工学上の航行及び制御システムに於いて、航空機を完璧に制御するために、冗長性を盛り込む(incorporate)のが特に好ましい。図２のシステムは、ＧＰＳ信号を受信する第１のアンテナ(32)を有する。第１のアンテナ(32)は、第１の干渉抑制ユニット(34)に接続される。第１の干渉抑制ユニット(34)は、第１の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムに於ける干渉を抑制し、妨害信号発生源によって供給される信号を抑制する。第１の干渉抑制ユニット(34)は、ライン上に出力(36)を生成し、該出力(36)は分配器(38)によって分割され、信号調整装置(40)(42)により調整される。信号調整装置は例えば、各航行ユニット(44)(46)について要求される公知のフィルタ、プリアンプ、減衰器を含み得る。
地球上の位置探査システムの信号を受信する第２のアンテナ(48)も配備される。第２のアンテナは、第２の干渉抑制ユニット(50)に接続される。第２の干渉抑制ユニット(50)は、第２の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムに於ける干渉を抑制する。第２の干渉抑制ユニット(50)は、ライン上に出力(52)を生成し、該出力(52)は分配器(54)によって分割され、信号調整装置(56)(58)により調整される。信号調整装置は例えば、各航行ユニット(60)(62)について要求される公知のフィルタ、プリアンプ、減衰器を含み得る。
航行ユニット(44)(46)(60)(62)は、矢印(64)(66)(68)(70)で示すように、制御信号を生成し、該制御信号は公知の技術に従って、航空機の航行を制御するのに用いられる。
干渉抑制ユニットは、現存の技術に従って構成され、例えばアンテナナル操縦技術、波面分極差分技術、干渉信号解除技術、適応性のある一時的なフィルタ技術、支援(aided)狭帯域追跡フィルタ技術、又は他の信号処理技術を用いるユニットを含み得る。１つの技術は、予想される妨害及び干渉環境に基づく他の技術に対して好ましい。２つの異なる干渉抑制技術を用いることにより、本発明のシステム及び方法は、妨害信号がシステムに対するＧＰＳ信号にアクセスする虞れを減じ、該システムは同様の干渉抑制技術を用いる同様の冗長的な要素を有する。
本発明の航行システムに用いられる航行ユニットは、例えば、ケアーフォート社ＫＮ−４０７２ＩＮＳ/ＧＰＳユニット、及び／又はリットン社ＬＮ−１００ＧＩＮＳ/ＧＰＳユニットであり得る。これらのユニットは、慣性航行及び地球上の位置探査システム航行の両方を用いて作動する。干渉抑制ユニットは、例えば、エレクトロ−ラジエーション社ＩＳＵ/ＬＲＵ−２０００Ｌ１ユニット、及び／又はレイセオンシステム社ＧＡＳ−１Ｎユニットである。航行ユニットの各対には、離れたＧＰＳアンテナから信号が供給される。 本発明のシステム及び方法は、異なる冗長原理を用いる。航空機上にて、本発明の航行妨害防止システムは、各ＧＰＳアンテナ給電装置にて異なるタイプのＧＰＳ妨害防止技術を有するアーキテクチャを用いる。本発明の一実施例に於いて、一対の航行ユニット用の干渉抑制ユニットは、レイセオン社ＧＡＳ−１Ｎシステムであり、他の対の航行ユニット用の干渉抑制ユニットは、ＥＲＩ ＩＳＵ/ＬＲＵ−２０００Ｌ１干渉抑制ユニットであり得る。航空機航行制御コンピュータは、航行ユニットのカルマンフィルタからの情報を用いて、航行目的に対して何れの解決策を用いるかを決定し、航空機の位置の誤りを最良に予測するシステムの出力を用いることに基づく。
２つの妨害防止システムを結合することにより、航空機に異なる技術を用いて、妨害信号発生源から航空機を保護し、このようにして、他の妨害防止システムの１つを単独で用いることにより提供されるよりも、より大きな保護を受ける。
本発明は、ここの好ましい実施例について、記載されてきたが、以下の請求の範囲に規定される発明の範囲から離れることなく、開示された実施例に種々の変更が成され得ることは当業者にとって明らかであろう。
地球上の位置探査システムと妨害信号の発生源と結合される航空機の概略図である。 本発明に従って構成された航空機を航行するシステムの簡略化された機能ブロック図である。

Claims (8)

  1. 無人航空機の航行システムであって、
    地球上の位置探査システムの信号を受信する第１のアンテナと、
    第１のアンテナに接続されて、第１の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制する第１の干渉抑制ユニットと、
    第１の干渉抑制ユニットから信号を受信する第１の航行ユニットと、
    地球上の位置探査システムの信号を受信する第２のアンテナと、
    第２のアンテナに接続されて、第２の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制する第２の干渉抑制ユニットと、
    第２の干渉抑制ユニットから信号を受信する第２の航行ユニットとを具えた航行システム。
  2. 第１の干渉抑制ユニットから信号を受信する第３の航行ユニットと、
    第２の干渉抑制ユニットから信号を受信する第４の航行ユニットとを具えた、請求項１に記載のシステム。
  3. 第１の干渉抑制技術は、アンテナナル操縦技術を含み、
    第２の干渉抑制技術は、波面分極差分技術を含む、請求項１に記載のシステム。
  4. 第１のアンテナは、制御された放射パターンアンテナを含む、請求項１に記載のシステム。
  5. 航空機の航行を制御する方法であって、
    第１のアンテナを用いて、地球上の位置探査システムの信号を受信する工程と、
    第１の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制して、干渉が抑制された第１の地球上の位置探査システム信号を生成する工程と、
    干渉が抑制された第１の地球上の位置探査システム信号に従って、第１の航行ユニットを作動させる工程と、
    第２の干渉抑制技術を用いて、地球上の位置探査システムの信号の干渉を抑制して、干渉が抑制された第２の地球上の位置探査システム信号を生成する工程と、
    干渉が抑制された第２の地球上の位置探査システム信号に従って、第２の航行ユニットを作動させる工程と、
    第１及び第２の航行ユニットの少なくとも１つを用いて、航空機の航行を制御する工程、を有する航空機の航行を制御する方法。
  6. 干渉が抑制された第１の地球上の位置探査システム信号に従って、第３の航行ユニットを作動させる工程と、
    干渉が抑制された第２の地球上の位置探査システム信号に従って、第４の航行ユニットを作動させる工程と、
    第１、第２、第３又は第４の航行ユニットの少なくとも１つを用いて、航空機の航行を制御する工程、を有する請求項５に記載の方法。
  7. 第１の干渉抑制技術は、アンテナナル操縦技術を含み、
    第２の干渉抑制技術は、波面分極差分技術を含む、請求項５に記載の方法。
  8. 第１のアンテナは、制御された放射パターンアンテナを含む、請求項５に記載の方法。
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