用于卫星导航的数字受控接收图案天线制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
用于卫星导航的数字受控接收图案天线
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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ARINC743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，单个本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n第一天线元件和第二天线元件；/n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；/n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；/n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；/nRF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/n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。/n

【技术特征摘要】
20190523 US 16/420,5291.一种导航系统，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。...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·A·墨菲，W·M·哈里斯，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US