KR102329002B1 - 향상된 성능 및 비용의 글로벌 네비게이션 위성 시스템 아키텍처 - Google Patents

Abstract

상당한 비용 효율적인 향상이 글로벌 기초로 위치, 네비게이션, 및 타이밍(PNT)을 위해 도입되어, 특히 그 예가 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)인 글로벌 네비게이션 위성 시스템(GNSS)의 성능을 향상시킨다. 솔루션은 정확성, 완전성, 취득을 위한 시간, 간섭 거절, 및 스푸핑 보호를 포함하는 성능 메트릭을 상당히 향상시킨다. 향상된 신호 프로세싱과 조합된 저비용 아키텍처를 이용하는 소형 위성의 군은 스펙트럼 효율성 운송 이동도를 위한 얻어질 수 있는 인에이블러를 산출한다. 공중 트래픽 관리 현대화가 위성 포지셔닝에 대한 더 큰 의존성으로 전이함에 따라, 솔루션은 네비게이션 및 감시에 대한 양 의도적 및 비의도적 간섭으로부터의 새로운 보호를 항공 사용자에게 제공한다. 그리고, 지능형 운송이 자동차를 위한 개발 하에 있는 시기에 대한 응답시에, 신뢰적인 어느 차선 포지셔닝은 접속된 및 자율적인 차량 내에서 새로운 용례를 가능하게 한다. 새로운 군사 능력이 PNT 가용성을 증가시킨다.

Description

향상된 성능 및 비용의 글로벌 네비게이션 위성 시스템 아키텍처{AN IMPROVED PERFORMANCE AND COST GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM ARCHITECTURE}

본 출원은 2014년 2월 26일 출원된 미국 가특허 출원 제 61/944,752호의 우선권을 주장한다.

미국 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System: GPS) 위성군(satellite constellation)은 거대한 성공이고, 글로벌 기반으로 사용자에게 신뢰적인 3차원 실시간 포지셔닝을 제공한다. 그 사용의 폭은 광대하고, 군사, 시민 및 상업 용례를 포함한다. 다른 국가는 그 자신의 위성군을 구현함으로써 GPS의 성공을 에뮬레이팅하고 있다. 이들은 러시아 GLONASS, 중국 Beidou, 유럽 Galileo, 및 지역적 일본 QZSS 및 인도 IRNSS를 포함한다. 집합적으로, 이러한 위성 시스템은 글로벌 네비게이션 위성 시스템(Global Navigation Satellite Systems: GNSS)으로서 공지되어 있다.

그럼에도 불구하고, GNSS에 의해 제공된 상당히 향상된 성능 및 능력에 대한 기술적인 기회가 존재하는 데 다수의 문제점이 진보를 좌절시킨다. 이들 문제점은 (i) 운송 용례를 위한 정확도 및 완전성의 신속한 취득, (ii) GPS의 군사 가용성, 및 (iii) 무선 주파수 스펙트럼 크라우딩(crowding)에 관련된다. 동시에, 공용 및 개인 부문의 모두에 대한 투자 수익에 대한 증가된 압박이 존재한다. 관심현안은 또는 재밍(jamming), 스푸핑(spoofing), 및 위치의 증거(proof)를 포함하는 간섭 및 탬퍼링(tampering)에 대한 GNSS의 민감성에 관련된다.

미국 연방 항공국(Federal Aviation Administration: FAA)은 위성 기반 네비게이션 및 자동 항행 감시 장치-브로드캐스트(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast: ADS-B)를 강조하는 NextGen이라 칭하는 새로운 이니셔티브(initiative)로 국가의 항공 교통 시스템의 운송을 주도하고 있다. 유럽 및 다른 국가는 유사한 현대화를 착수하고 있다. 그러나, GPS에 의한 항공 및 국가 영공역(National Airspace: NAS)에 유도된 증가된 능력의 거대한 이익에도 불구하고, 특히 간섭 - 의도적 또는 비의도적인 - 의 것과 같은 잠재적인 취약성에 대한 다수의 관심현안이 남아 있다. GPS의 능력이 중요하지만, 시스템은 매우 낮은 브로드캐스트 파워를 갖는다. 공항 터미널 영역의 부근에서 GPS 대역 내의 1-와트 재머조차 주요 혼란을 유발할 수 있다. 스푸핑 및 탬퍼링 관심현안이 또한 존재한다. 이 시나리오에서, 악의 있는 파티는 항공기가 이들이 실제로 존재하는 것과는 상이한 장소에 있다고 제어기가 생각하게 하여, 가능하게는 사람들 및/또는 재산에 손해를 유발하도록 오도 신호(misleading signal)를 도입하려고 시도할 것이다.

다른 탬퍼링 관련 관심현안은 NAS 내의 무인 항공 시스템(Unmanned Aerial Systems: UAS), 특히 상업용 UAS에 대한 증가하는 수요이다. 군사용 UAS는 군사용 암호화된 GPS 브로드캐스트를 이용하여, 이에 의해 스푸핑에 대해 보호하는 수신기 장비를 가질 수 있다. 상업용 UAS 사용자는 이러한 제어된 장비를 통합하는데 부적격이고, 따라서 스푸핑에 더 취약성이 있다. 항공기 감시에서, 항공기는 또한 이들의 위치를 제 3 파티에 신뢰적으로 입증할 필요가 있다. 부가의 취약성은 이들 상황 하에서 발생할 수 있다.

레거시 보조 감시 레이더(Secondary Surveillance Radar: SSR)의 페이즈아웃(phase-out)을 통해 ADS-B로 의도되어 있는 잠재적인 비용 절약의 대부분은 간섭에 대한 관심현안에 기인하여 수십년 동안 구체화될 수 없다. 레거시 네비게이션 보조를 리타이어하기 위한 동작적 경험 및 확신을 축적하는데 오랜 시간이 소요될 수 있다. 한편, FAA는 GPS에 독립적인 백업 포지셔닝 수단을 구현할 것인 대체 위치, 네비게이션, 및 타이밍(Alternate Position, Navigation, and Timing: APNT) 프로그램을 추구하고 있다. 불행하게도, 레거시 SSR 시스템, 새로운 GPS 기반 ADS-B 시스템, 이에 더하여 새로운 백업 APNT 시스템을 구비하는 것과 연계된 비용은 상당해질 수 있다.

네비게이션 및 감시 인프라구조의 비용은 상당하고, 통상적으로 항행 서비스 제공 기관(Air Navigation Service Provider: ANSP) - 미국의 경우에 FAA에 의해 부담된다. 또한 항공기 소유자 또는 사용자에 의해 지불된 항공기에 탑재된 항공 전자 공학 기기의 비용도 상당하다. 새로운 능력의 삽입 비용은 이들의 이익에 의해 정당화되어야 하고 또는 항공 교통 관리 현대화에서 진행하기 위해 부가의 인센티브가 존재하지 않을 것이다. 이는 개장의 경우에 특히 사실이다. 통상의 항공기 동작 수명이 항공 전자 공학 기기의 동일한 초기 스위트(suite)에 의해 30년의 서비스이면, 혁신의 시간 상수는 길 수 있다.

비의도적인 간섭, 재밍, 및 스푸핑에 대한 탄력성을 증가하는 GPS 및 GNSS에 대한 새로운 보호가 요구된다. 간섭 이미터를 신속하게 국지화하고 디스에이블링하기 위한 수단이 또한 요구된다. 항공기는 발생할 때 간섭에 대한 보호를 가져야 할 필요가 있고, 지상 능력은 임의의 혼란의 기간을 최소화하기 위해 타이밍 적절한 방식으로 응답하는 것이 가능해야 할 필요가 있다. 더욱이, 새로운 보호의 삽입은 이상적으로는 항공기 항공 전자 공학 기기에 최소의 변경을 요구해야 할 필요가 있다. 이러한 새로운 보호는 존재한다면, 항공 전자 공학 기기 하드웨어의 적은 교체를 요구해야 한다.

완전성은 비-위험성 정보를 출력하는 포지셔닝 시스템의 지식이다. 항공에 또한 이익이 있는 것은 위성을 사용하여 더 낮은 착륙 최저치를 성취하기 위해 더 양호하게 보호된 더 탄력적인 GPS에 새로운 정확성 및 완전성 능력을 인가하는 것이다. FAA 광역 보강(Wide Area Augmentation: WAAS) 시스템은 궁극적으로 항공기가 200 ft 결정 높이로 저하된 가시성으로 착륙하는 것을 가능하게 하도록 설계된다. 향상된 GNSS 정확성, 완전성, 및 간섭 탄력성은 GNSS가 제로 가시성의 조건 및 자동 착륙을 위해 사용되는 것을 가능하게 한다. 최종 결과는 더 낮은 비용을 위해 모두 더 많은 세계의 공항에서 악천후 조건에서 더 안전한 정시 도착일 것이다.

지능형 자동차 운송이 또한 특히 정밀한 위치 정보를 교환하기 위해 차량간(vehicle-to-vehicle: V2V) 데이터 링크와 통합될 때 향상된 GNSS 기능성으로부터 이익을 얻을 수 있다. 사고 회피에 있어서 그리고 차선내 무인 차량 용례의 경우에, 센서는 의존 가능한 센티미터 레벨 위치 정보를 제공할 필요가 있다. 카메라, 관성 측정 유닛(Inertial Measurement Units: IMUs), 레이더(RADAR), 및 라이다(LIDAR)를 포함하는 위치 센서가 다양한 물리적 원리에 기초한다. 모든 센서는 동작 환경의 견지에서 그 강점 및 약점을 갖는다. 실용 시스템 통합은 비용을 자각해야 하고 전체 강인한 솔루션을 성취하기 위해 다양한 센서를 또한 이용해야 한다.

카메라는 저가이지만, 차단, 컴퓨터 기반 장면 해석의 에러, 및 안개, 비 및 눈과 같은 저가시성 조건 하에서 열화를 받게 된다. 레이더는 또한 저가이고 모든 기후 조건에서 동작하지만, 완전한 상황 인식을 제공하지 않는다. 레이더는 그 사용 방향에서 시선(line of sight)을 필요로 하고, 다른 차량 또는 장애물에 의해 차단될 수 있다. IMU - 특히 마이크로 전자기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems: MEMS) - 은 저가로 제조될 수 있고 우수한 단기 정밀도를 제공할 수 있다. 그러나, IMU는 드리프트를 받게 되고, 포지셔닝의 독립적인 소스에 의해 연속적으로 캘리브레이팅되어야 한다. 라이다는 포괄적인 상황 인식을 제공하지만, 당분간은 고가로 남아 있다. 더욱이, 라이다는 열악한 가시성 조건 하에서 열화를 받게 된다. 마지막으로, 상기 포지셔닝 센서는 일반적으로 완전성을 유도하기 위한 고유의 수단을 소유하지 않는다.

수십 초 이내에 냉간 시동으로부터 동작 환경으로 수렴하는 내장형 인명 안전 클래스 완전성을 갖는, 다양한 센서 유형의 융합을 위한 신뢰적인 수단 및 열악한 가시성 및 무선 주파수 간섭을 포함하는 도전적인 환경 조건 하에서 GNSS를 센티미터 레벨로 신뢰적으로 향상시키기 위한 수단이 요구된다. 모든 후보 자동차 센서 중에서, 단지 GNSS만이, 즉 지구-고정 좌표 시스템에 대해 절대 위치 정확성을 제공하는 것이 가능하다. 정확성 및 완전성의 모두를 포함하는 이러한 강인한 포지셔닝 능력은 또한 실시간 맵 유지 및 IMU 캘리브레이션에 유리할 것이다.

군대는 또한 GPS 현대화와 관심이 있다. 그러나, 군대는 일반적으로 대부분의 미션을 위한 정확성 또는 완전성 요구를 갖지 않는다. 그러나, 군대는 도시 협곡 및 산 조건을 포함하는 차단 조건 하에서 증가된 가용성의 필요성을 갖는다. 사용자에 액세스 가능한 군사용 우주 기반 포지셔닝, 네비게이션 및 타이밍(PNT) 범위 소스의 수를 증가시키는 비용 효과적인 수단이 요구된다.

군대는 또한 GPS 신호 파워를 증가시키기 위한 시도시에 상당히 증가된 비용에 직면한다. 지구 중궤도(Medium Earth Orbit: MEO)에서 사용을 위해 고려되는 대직경의 전개 가능한 안테나는 제조가 힘들고 고가이다. 비용이 적게 드는 군사용 우주 기반 PNT의 파워를 증가시키기 위한 접근법이 요구된다.

농업, 측량 및 해안 용례는 글로벌 서브-데시미터 정밀도 네비게이션을 위한 GPS에 대해 OmniSTAR, StarFire, 및 Veripos와 같은 보조 네트워크를 현재 사용하고 있다. 그러나, 이들 시스템은 나쁜 위치 픽스(bad position fix)를 억제하기 위한 완전성을 제공하도록 설계되지 않는다. 이들 시스템은 또한 냉간 시동으로부터 수렴하기 위해 45분만큼 소요할 수 있다. 해안 사용자는 또한 특히 동적 플랫폼 포지셔닝과 같은 임계 서비스에 대해 탄력적인 커버리지를 필요로 한다. 진정한 글로벌 커버리지를 확장하고 탄력성을 위한 새로운 애비뉴(avenue)를 제공하는 시동 시간을 가속화하는 수단이 요구된다.

GPS 현대화는 제 3 민간 주파수의 도입을 유도해 왔다. 제 3 민간 주파수의 제안자는 긴 베이스라인을 가로질러 전리층 추정 및 고속 사이클 모호성 분해능을 허용할 것이라고 주장하고 있다[참조 문헌 1]. 불행하게도, 이러한 접근법은 결함의 존재 또는 희박한 정상 조건의 존재에서 우아하게 열화하지 않는 네비게이션을 포함하는 문제점을 도입한다. 더욱이, 새로운 주파수의 도입은 풀 GPS 군이 동작하기 전에 수년을 소요하도록 계획된다.

3개의 종래의 발명[참조 문헌 2 내지 4]은 증가된 정확성 성능을 제공하기 위해, Iridium 및 Globalstar를 포함하는, 지구 저궤도(Low Earth Orbit: LEO) 위성의 군을 이용한다. 이들 발명은 기술 분야를 진보시켰지만, 그럼에도 불구하고 실제 구현에서 시도시에 실용적인 장애물을 제시하였다. 참조된 출원들이 출원된 이래로 거의 20년 후에, 출원인들은 임의의 동작 또는 계획된 실시예를 인식하지 못했다.

계약자 Boeing, Iridium, Rockwell Collins, 및 Coherent Navigation과 함께 작업하여 미국 해군은 군사 목적으로 GPS 재밍 저항을 향상시키는 수단으로서 Iridium을 이용하는 시스템을 개발하였다[참조 문헌 5 및 6]. 이 시스템은 일반적인 GPS 수신기에 적용 가능한 재밍 저항을 향상시키기 위해 Iridium 군 및 코히어런트 검출로부터 보조를 사용한다. 간섭 거절을 위한 이러한 접근법은 소정의 특정 용례를 위해 유리할 수 있지만, 더 넓은 개념으로, 이는 기존의 GPS 시스템 디자인과 일치하지 않는 파워 레벨에서 새로운 대역에서 동작하도록 전용의 새로운 사용자 장비 구성요소를 필요로 한다. 고정확성 및 완전성의 비용 민감성 GNSS 용례에 간섭 거절을 유도하기 위한 더욱 더 실용적인 수단이 요구된다.

FAA WAAS는 정밀도 접근법 및 착륙을 위한 수 미터의 정확도 및 인명 안전 완전성을 제공한다 - 궁극적으로 200 ft 결정 높이로 저하된 디자인에 의해. 그러나, 그 디자인은 간섭 하에서 양호하게 되어 가지 않는다. 예를 들어, 심지어 소량의 재밍조차도 WAAS의 언더피닝(underpinning)인 데이터 메시지를 컷오프할 수 있다. 이는 경고 및 차등 보정이 이용 불가능하다는 것을 의미한다. 더욱이, GNSS 범위 측정은 또한 간섭 중에 열화되거나 손실된다. 최소 하드웨어 변경을 갖고 실용적인 방식으로 민간 및 상업용 운송 사용자를 위한 간섭에 향상된 탄력성이 요구된다.

스펙트럼이 PNT에서 발생하는 과제이다. 최근의 노력은 GPS에 인접한 대역에서 광대역 네트워크를 설정하도록 추구해왔다. 수천만의 GPS 수신기의 설치된 베이스 내의 프론트엔드 무선 주파수 필터는 새로운 제안된 계획보다 상당히 적은 것으로 이해되는 그 인접한 대역 내의 파워 레벨을 차지한다. 현재의 경향은 용례의 충돌 회피를 필요로 하는 증가된 스펙트럼 관리를 향해 진화하고 있다. 특히 항공 및 자동차와 같은 인명 안전 용례에서, 스펙트럼과 효율적이고 인접한 대역 내에서 실행하는 광대역 용례에 의한 열화 없이 안전하게 공존하는 것이 가능한 우주 기반 PNT 아키텍처에 대한 타이밍 적절한 기술적 접근법이 요구된다.

군사 관점으로부터, 위성에 스폿 빔을 추가할 것인 GPS로의 요청된 연장은 축적되어 있지 않다. 더욱이, 마스킹에 기인하는 가용성을 향상시키기 위해 24의 현재 요구로부터 30으로의 GPS 위성의 수의 증가에 관심이 있는 증가하는 DoD가 존재한다. 높은 마스크각 가시성 및 가까운 장래에 가능하게 구현될 수 있는 연속적인 지역적 고파워를 포함하는 새로운 군사 성능이 요구된다.

본 발명은 비용 효과적인 간섭 및 탬퍼링에 대한 보호를 갖는 향상된 전세계 GNSS 성능을 제공한다. GNSS 대역 내의 브로드캐스트는 통상적으로 단지 소프트웨어 변경에 기초하여 기존의 사용자 장비와 호환성이 있다. 데이터 및 정밀한 범위 신호의 초기의 용례는 항공 네비게이션 및 감시 및 자동차 사고 회피 및 어느 차선 포지셔닝을 포함하는, 차세대의 운송 이동도이다. 자동차에 있어서, 요구는 센티미터-레벨 정확성, 1 m 경고 한계의 인명 안전 완전성 및 노출당 유해한 오도 정보의 소멸 확률, 및 수십초의 냉간 시동 취득 시간을 포함한다. 자동차 오토파일럿의 시기를 적절하게 도입하기 위해, 안내는 완전무결하게 신뢰적이고 유비쿼터스해야 한다. 유인 및 무인 항공기의 캐리어 착륙 뿐만 아니라 편대 비행을 포함하는 고완전성 능력이 또한 군사 용례에 적용된다. 군사 용례에서, 더 고마스크 각도 및 더 고파워에서 부가의 GNSS 가용성이 또한 제공된다. 그리고, 농업, 측량, 광산 및 해안 용례를 포함하는 중장비 제어에 있어서, 정확성의 고속 수렴이 제공된다.

솔루션은 캐리어 페이즈 및 코히어런트 검출에 기초하여, 이에 의해 고정밀도를 제공한다. 이러한 코히어런트 검출은 정확성, 완전성, 및 간섭 거절을 위한 기초로서 레버리징된다. 본 발명은 고속 각도 모션 및 적당한 기하학 구조를 항상 전역적으로 제공하기 위해 LEO 군을 사용한다. 고속 각도 모션은 정밀성을 정확성을 변환하고, 인명 안전 레벨 완전성, 및 고속 냉간 시동 수렴을 성취하는 것을 돕는다. 완전성은 수신기 자율 완전성 모니터링(Receiver Autonomous Integrity Monitoring: RAIM)을 통해 대부분 제공된다. 본 명세서에 설명된 캐리어 페이즈 정밀도, 고속 각도 모션, 및 실용적 시스템 아키텍처의 조합은 RAIM을 새로운 레벨의 성능으로 유도한다.

미국 운수성(Department of Transportation: DOT) ITS 웹사이트에 보고된 통계치로부터, 증가된 사고 방지 및 무인 자동차를 가능하게 하여, 향상된 운송 시스템은 수천명의 생명 및 수십억 갤런의 가솔린을 해마다 잠재적으로 절약할 수 있다. 본 발명은 저비용으로 그 네비게이션 정확성 및 완전성 성능을 제공한다. 본 발명은 단지 협대역 캐리어 페이즈만을 필요로 하기 때문에, 코드 확산은 더 이상 타이밍 및 범위를 위해 명시적으로 요구되지 않는다. 따라서, 단지 최소 스펙트럼 대역폭이 GNSS에 대해 요구된다 - 이론적으로 100 kHz 미만. 민간 GNSS는 고파워 광대역과 공존할 수 있어, 이에 의해 가치있는 스펙트럼을 더 액세스 가능하게 한다.

본 발명은 또한 공개키 인프라구조(Public Key Infrastructure: PKI) 및 네트워킹 원리를 임의의 정의된 GNSS 코드를 갖고 이들이 보안적으로 사용되는 것을 가능하게 하기 위해 LEO 위성에 적용한다. 유사한 기술은 GPS에 민간 인증 오버레이를 제공하기 위해 민간 목적으로 사용될 수 있다. 본 발명은 RAIM 완전성 솔루션을 갖고 독립적으로 검증되고 크로스체킹될 수 있는 워터마크 및 특정 데이터를 신호 내에 도입한다. 이러한 오버레이는 단지 수년 이내에 동작하도록 기존의 항공 수신기 및 새로운 UAS 수신기를 위한 엄격한 임계치로 포괄적인 체킹을 제공할 수 있다. GPS 군의 어떠한 변화도 요구되지 않는다.

시간 및 공간에서 등록된 광대역 샘플링을 위한 플랫폼을 또한 제공함으로써, 본 발명은 또한 허위 이미터를 지오로케이팅하기 위한 수단을 제공한다. 따라서, 임의의 시나리오가 커버된다. 사용자 장비는 동작이 계속될 수 있도록 실시간으로 간섭 및 스푸핑을 제거하도록 동작한다. 그 동안에, 본 발명은 간섭의 소스를 유도하는 타이밍 적절한 정보를 제공하여, 이에 의해 분해 시간 및 정상 동작으로 복귀를 가속화한다. 양 군사 및 민간 용례가 존립 가능하다. 본 발명은 임의의 파형 상에서 동작한다. 고속 각도 모션은 심지어 그 사이클 모호성이 그렇지 않으면 사이클 모호성을 도입하는 협대역 이미터와 함께 동작한다.

도 1은 전체 시스템의 운영 개념(concept of operations: CONOPS)을 도시하고 있다.
도 2는 SurePoint^TM 위성 페이로드 아키텍처를 도시하고 있다.
도 3은 위성 페이로드를 위한 송수신 모듈을 도시하고 있다.
도 4는 페이로드 기저대역 기능 아키텍처를 도시하고 있다.
도 5는 자립형 위성의 물리적 구성을 도시하고 있다.
도 6은 위성 기준 디자인 진화를 도시하고 있다.
도 7은 물리적 LEO 브로드캐스트 기하학 구조를 도시하고 있다.
도 8은 베이스라인 군에 의해 제공된 글로벌 커버리지를 도시하고 있다.
도 9는 통합형 GNSS-LEO 기하학 구조를 도시하고 있다.
도 10은 군 내의 코드 재사용의 예를 도시하고 있다.
도 11은 군 단일-런치 구성을 도시하고 있다.
도 12는 재접촉을 배제하도록 설계된 다수의 위성의 시퀀싱된 전개를 도시하고 있다.
도 13은 단일-런치 삽입을 위한 궤도 평면에 의해 페이징된 전개를 도시하고 있다.
도 14는 서비스 데이터 프로세싱 기능을 도시하고 있다.
도 15는 사용자 장비 하드웨어를 도시하고 있다.
도 16은 수신기 네비게이션 프로세싱 아키텍처를 도시하고 있다.
도 17은 사용자를 위한 완전성의 가용성을 근사하는 예를 도시하고 있다.
도 18은 완전성을 갖는 안전 스케일링을 제공하는 센서 융합 기능을 도시하고 있다.
도 19는 시스템으로 성취된 간섭 거절의 향상을 도시하고 있다.
도 20은 GPS에 인접한 광대역 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 21은 시스템의 민간 운송 시스템을 도시하고 있다.
도 22는 단일 주파수 위성 및 프로브 차량과 시스템의 통합을 도시하고 있다.
도 23은 특정 위성을 위한 도로를 따라 투영된 추정된 로컬 전리층 및 대류권의 투영의 예를 도시하고 있다.
도 24는 비간섭 분석의 맥락에서 신호 디자인을 도시하고 있다.
도 25는 GNSS에 대한 민간 신호 인증 오버레이를 도시하고 있다.
도 26은 사용자 위치의 증거를 위한 운영 개념을 도시하고 있다.
도 27a, 도 27a 및 도 27c는 위치의 증거를 위한 지원 구성요소를 도시하고 있다.
도 28은 어떻게 비캘리브레이팅된 클럭이 정밀한 포지셔닝에 적용될 수 있는지를 도시하고 있다.
도 29는 거리-레벨 의사위성(pseudolite)을 사용하는 도시 운영으로의 연장을 도시하고 있다.
도 30은 상승된 의사위성을 사용하는 도시 운영으로의 연장을 도시하고 있다.
도 31은 안티-잼 및 고 상승각 동작으로의 군사 용례를 위한 물리적 구성을 도시하고 있다.
도 32는 군사 안티-잼을 위한 운영 개념을 도시하고 있다.
도 33은 파워 증폭기 및 그 연계된 열 관리를 도시하고 있다.
도 34는 통합형 우주선 파워 및 열 서브시스템의 측면도를 도시하고 있다.
도 35는 고파워 우주선 개념 디자인을 도시하고 있다.
도 36은 고속 취득 정확성 및 완전성을 위한 운영 개념을 도시하고 있다.
도 37은 이미터 지오로케이션 운영 개념을 도시하고 있다.
도 38은 이미터 지오로케이션 기하학 구조를 도시하고 있다.
도 39는 K 대역 수증기 흡수 라인을 도시하고 있다.
도 40은 크로스링크 엄폐 기하학 구조를 도시하고 있다.
도 41은 네트워크의 물리적 표현의 시간 진화를 도시하고 있다.
도 42는 초기 시기에 네트워크의 물리적 표현을 도시하고 있다.
도 43은 후속 시기에 네트워크의 물리적 표현을 도시하고 있다.
도 44는 단일 위성을 위한 동작 타임라인을 도시하고 있다.
도 45는 지역적 분산형 어퍼쳐 구성을 도시하고 있다.
도 46은 글로벌 분산형 어퍼쳐 구성을 도시하고 있다.
도 47은 분산형 어퍼쳐로부터 고분해능 안테나 패턴의 예를 도시하고 있다.
도 48은 분산형 어퍼쳐 위성 요소를 도시하고 있다.
도 49는 우주선 모멘텀 관리를 위한 모드를 도시하고 있다.
도 50은 태양 압력으로부터 유도된 우주선 병진 모드를 도시하고 있다.
도 51은 분산형 어퍼쳐를 위한 전개 구성을 도시하고 있다.
도 52는 진보된 페이로드를 위한 반도체 모듈 정의를 도시하고 있다.
도 53은 우주선 레벨 디지털 라우팅 및 빔성형을 도시하고 있다.
도 54는 중앙집중형 빔성형 구성을 도시하고 있다.
도 55는 허브 우주선 디지털 라우팅 및 빔성형을 도시하고 있다.
도 56은 분산형 빔성형 구성을 도시하고 있다.
도 57은 군 트레이드 공간을 도시하고 있다.
도 58은 분산형 어퍼쳐를 사용하는 진보된 스푸핑 시나리오를 도시하고 있다.

본 발명의 목적은 설치된 베이스를 업그레이드하는 것이 그렇지 않으면 금지될 때 기존의 사용자 장비의 사용을 특히 가능하게 하면서, 고성능의 전역적으로 스케일 가능한 PNT - 심지어 간접, 재밍, 스푸핑, 및 다른 탬퍼링 하에서 - 또한 저비용을 향한 구동의 모두를 제공하는 것이다. 전통적으로, 고파워 간섭에 대한 응답은 더 높은 파워 신호이다. 캐리어 페이즈의 고속 각도 모션 및 코히어런트 정밀도가 향상된 성능을 위한 하위에 있는 물리적 기초를 제공한다. 본 발명의 목적은 얻어질 수 있는 가용성, 보증, 및 탄력성의 향상을 성취하기 위해 새로운 정보, 네트워크, 글로벌 유연성(global agility), 및 진보된 신호 프로세싱을 적용하는 것이다.

글로벌 아키텍처

전체 시스템 운영 개념은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고장, 간섭, 및 공격에 대해 강인한 분산형 네트워킹된 시스템이다. 바람직한 실시예에서, 각각의 위성은 단일열 중복성(single-string redundancy)을 이용한다. GNSS 위성을 증강하여, 아키텍처는 다수의 저비용 위성 및 의사위성 타이밍 및 범위 소스, 크로스링크, 피더링크, 및 지상 프로세싱 센터를 추가한다.

도 1에서, GNSS 위성은 일반적으로 브로드캐스트한다. 통상적으로, 전리층은 에러의 주 에러 구성요소이고, 네비게이션을 위한 잠재적인 위험하게 오도하는 정보이다. 바람직한 실시예는 전리층 에러를 제거하거나 감소시키고 요구된 지상 스테이션의 수를 최소화하기 위해 듀얼-대역 듀얼 대역을 이용한다. 더욱이, 기존의 GNSS 대역이 이용된다. 아키텍처는 하드웨어 수정이 거의 없거나 또는 전혀 없는 기존의 및 계획된 사용자 장비 및 인명 안전 스펙트럼을 위한 기존의 ITU 보호를 레버리징한다. 이들의 타이밍 및 범위 신호 브로드캐스트는 전세계에 걸쳐 지상 스테이션의 네트워크를 사용하여 캘리브레이팅된다. 이들 원시 측정은 하나 이상의 운영 센터에 전달된다. SurePoint^TM 나노위성의 군은 사용자를 위한 타이밍 및 범위 브로드캐스트를 브로드캐스팅하고, 전세계의 네트워크를 모니터링한다. SurePoint^TM 위성은 천정 장착 안테나를 거쳐 GNSS 신호를 수신하고, 페이로드 데이터 백홀(Payload Data Backhaul)을 거쳐 운영 센터에 측정치를 전달한다. TT&C 및 다른 페이로드 데이터 및 명령이 운영 센터에 접속된 이 동일한 백홀 및 접지 단자(Earth Terminal: ET)를 통해 전달된다. 크로스링크는 GNSS에 독립적인 서로의 관점에서 임의의 주어진 쌍의 SurePoint^TM 위성들 사이의 2방향 타이밍 및 범위 측정치를 제공한다. 운영 센터는 와이프 오프(wipe-off) 목적으로 GNSS 및 LEO 위성 궤도, 클럭, GNSS 데이터를 추정하고, 지상 및 우주 세그먼트의 완전성을 모니터링한다. 운영 센터 정보는 상업용 무선 네트워크를 포함하여 하나 이상의 지상 브로드캐스트 경로를 거쳐 백업 수단을 갖는 1차 수단으로서 페이로드 데이터 백홀을 거쳐 PNT LEO 데이터 브로드캐스트를 사용하여 사용자에 릴레이된다. 프리러닝(free-running) 의사위성이 특히 도시 영역에서 부가의 필인(fill-in) 커버리지를 제공한다. 우주에서의 신호는 RAIM 완전성을 포함하는 강인한 고성능 사용자 포지셔닝을 위한 전체 수단을 제공한다. 시스템 아키텍처는 간섭 또는 스푸핑의 존재시에 사용자 장비가 동작을 계속하게 한다.

정확한 궤도 결정은 진행중인 연속적인 프로세스이다. 예측은 항상 이용 가능하다. 관찰량 및 데이터는 이하의 소스 무전리층 코드 및 캐리어 관찰량: GNSS의 천정 안테나 측정치, 나디르 미션 안테나로부터의 지상 스테이션 측정치, SurePoint^TM 위성의 쌍들 사이의 2방향 크로스 링크, 및 접지 단자를 거쳐 수신되고 전송된 데이터 백홀 중 하나 이상으로부터 발생한다.

GNSS가 전세계에 걸쳐 이용 불가능하면, 크로스링크 및 하향링크가 궤도를 예측하기 위한 충분한 관찰성을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 시스템은 또한 간섭 또는 다른 이용 불가능성이 신선한 궤도 결정 관찰량의 도달을 일시적으로 억제하는 동작의 영역을 가로질러 궤도를 예측하는 것이 가능하다.

궤도 결정을 위한 상기에 열거된 관찰량의 동일한 세트로부터 실시간 업데이트가 또한 실시간으로 우주선 클럭을 캘리브레이팅하기 위해 적용 가능하다. 그러나, 궤도 결정에 대한 것과는 달리, 본 발명의 목적은 (i) 위성 상에 원자 클럭 없이 그리고 (ii) 실시간 캘리브레이션이 전혀 없이 동작하는 것을 가능하게 하는 것이다. 간섭 또는 다른 이용 불가능성이 하향링크 및/또는 데이터 링크의 임의의 조합을 다운시키거나 다른 방식으로 SurePoint^TM 위성을 격리하면, 위성 상의 송신기는 간섭 대 신호 컷오프 임계치까지 사용자를 위한 타이밍 및 범위를 계속 기능하고 제공할 것이다.

본 발명의 목적은 사용자 부근의 지상 스테이션의 치밀한 메시를 요구하는 것보다는 단지 희박한 글로벌 지상 스테이션 네트워크 커버리지만을 이용하는 것이다. 각각의 지상 스테이션은 신뢰적인 지상 데이터 링크를 통해 서비스 데이터 프로세서에 의사범위 코드 및 캐리어 관찰량을 송신한다. 바람직한 실시예에서, 몇몇 지상 스테이션은 GPS가 누락되는 경우에도, 국제 표준시(Universal Coordinated Time: USNO)로의 참조를 유지하기 위해 미국 해군 관측소(United States Naval Obseratory: USNO) 마스터 클럭으로부터 직접 유선 피드를 갖는다.

바람직한 실시예에서, 고장의 경우에 중복성을 제공하기 위해 네트워크 상에 분산된 다중 서비스 데이터 프로세서가 존재한다. 원리적으로, 서비스 데이터 프로세서는 또한 공간 내에 위치될 수 있는데, 가능하게는 SurePoint^TM 타이밍 및 범위 위성 상에 코로케이팅될 수 있다.

네트워크는 또한 예를 들어, GPS C/A 코드와 같은 파형의 일부를 위한 와이프-오프 데이터 비트를 발생할 필요가 있다. 무선 브로드캐스트를 통해 전달된 착신 와이프-오프 비트와 파형을 혼합하는 것은 지속된 통합을 위한 순수 캐리어를 생성한다. 캐리어 재구성은 무-데이터 파일럿 성분을 구비하는 현대화된 신호를 위해 개략화된다. 바람직한 실시예에서, 데이터 비트의 라이브 스트리밍의 조합은 GPS 데이터 스트림 내의 공지의 반복하는 특성을 활용하는 예측 구현예와 조합된다.

위성 및 군(constellation) 디자인

도 2는 SurePoint^TM 위성 페이로드 아키텍처를 도시하고 있다. ARM과 같은 중앙 프로세서가 온보드 기능을 조정한다. 신호 프로세싱은 Xilinx 4 SX55와 같은 FPGA 내에서 발생한다. 모든 신호는 마스터 발진기에 동기화된다. 브로드캐스트는 직교 위상 편이 변조(quadrature phase shift key: QPSK) 변조기를 거쳐 발생한다. 파워는 상응하는 GNSS 신호 정의에 의해 지정된 바와 동일한 지상 수신 파워를 에뮬레이팅하도록 제어된다. 나디르 r.f. 브로드캐스트 레벨은 통상적으로 임의의 주어진 GNSS 대역에 대해 1 와트의 정도이다. 바람직한 실시예에서, GNSS 신호는 적어도 GPS 대역, L1, L2, 및 L5, 및 갈릴레오 대역, E1 및 E5를 커버한다. 임의의 GNSS로부터의 부가의 신호가 또한 지원될 수 있다. 네스팅된 이소플럭스 쿼드리필라 헬릭스 안테나(nested, isoflux quadrifilar helix antennas)의 세트는 브로드캐스트 및 이미터 국지화의 모두를 위해 사용된 나디르 페이로드 안테나를 위해 사용된다. A/D 컨버터는 상향링크 신호를 디지털 프로세서에 결합한다. GPS 수신기는 마스터 발진기에 동기화된 하드웨어 및 소프트웨어이다.

네비게이션 페이로드 브로드캐스트를 인에이블링하는 것은 지구의 지역에 의해 스케쥴링될 수 있어, 이에 의해 위성 상에 상당한 파워를 절약한다. 예를 들어, SurePoint^TM 위성은 미국 및 그 해안선을 거쳐 GPS형 민간 또는 상업용 신호, 유럽 및 그 해안선을 거쳐 갈릴레오, 및 교전 영역을 거쳐 미국 군사 신호를 브로드캐스팅할 수 있다.

피더링크 백홀 및 크로스링크는 K 대역에서 동작한다. 소프트웨어 라우터는 피더링크, 크로스링크, 및 페이로드 하향링크를 지원하기 위해 중앙 프로세서에 구현된다.

위성 페이로드를 위한 송수신 모듈이 도 3에 도시되어 있다. 페이즈 및 파워 제어 설비가 필요하다면 페이로드, 피더링크, 및 크로스링크 안테나가 성형된 빔 페이징된 어레이로서 구성되는 것을 가능하게 한다.

도 4의 페이로드 기저대역 기능 아키텍처는 FPGA 내에서의 신호 프로세싱의 구현예를 도시하고 있다. 페이로드 마스터 클럭은 가장 가까운 기준 클럭 에지로 우주선을 위한 디지털 시간을 유지한다. 제 2 하드웨어 출력당 GPS 수신기 펄스에 기초하여, 페이로드 클럭은 또한 GPS 수신기 클럭과 정렬될 수 있다. 전송 프로세싱 기능은 페이로드 하향링크, 피더링크, 및 크로스링크를 위한 타이밍, 범위, 및 데이터 브로드캐스트 신호를 구성하기 위해 의사 랜덤 노이즈 코드 발생기 및 데이터 버퍼를 이용한다. 수신 트래킹 및 복조 기능은 착신 피더링크 및 크로스링크 신호를 수신 데이터 스트림 및 타이밍 및 범위 코드 및 캐리어 페이즈 관찰량으로 변환한다. 중앙 프로세서는 트래킹 루프를 폐쇄하기 위해 보정기 채널 수치 제어된 발진기를 스티어링한다. 이미터 국지화 용례에서, 수신 샘플링 기능은 노칭(notching)과 같은 프리프로세싱, 및 대역 제한을 포함하는 압축을 수행한다.

도 5는 자립형 위성의 물리적 구성을 도시하고 있다. 이 원형(prototype)은 10 kg 미만의 추정된 질량을 갖고, 이에 의해 나노위성(nanosat)의 정의를 피팅한다. SurePoint^TM 위성의 소형 푸트프린트는 단지 약 1 r.f.를 요구한다. 사용자에 의한 수신 신호 파워를 위한 각각의 브로드캐스트 신호를 위한 와트는 GPS의 것과 일치한다. 도시된 버스는 10×10×50 cm인 5U 폼팩터이다. 반구형 천정 안테나가 나디르 이소플럭스 미션 안테나와 함께 도시되어 있다. 위성의 수직 폼팩터는 백업으로서 수동 구배 진폭 안정화와 일치하고, 여기서 능동 3-축 제어가 프라이머리로서 사용된다. 전기 추진 스러스터가 궤도 삽입 및 위치 유지(stationkeeping)를 위한 트랙션 방향을 따라 발사하는 것으로 도시되어 있다.

위성 기준 디자인 진화가 도 6에 도시되어 있다. 좌상부에서 콤팩트한 쿼드리필라 헬릭스는 간단한 좁은 푸트프린트를 생성한다. 페이징에 따라, 좌하부에 도시된 어레이는 이소플럭스 패턴에 접근하거나 그렇지 않으면 개별의 빔을 형성하도록 다중 콤팩트 안테나를 사용한다. 우상부에서, 쿼드리필라 헬릭스는 넓은 푸트프린트 이소플럭스 패턴을 형성한다. 안테나는 또한 상이한 대역에서 네스팅될 수 있다. 1.5 턴 및 10의 길이 대 직경비를 이용하여, 이 안테나는 5도로 저하된 모든 상승각을 가로질러 2 dB 보다 훨씬 더 양호한 축방향 비를 갖는 6 dB의 대역 이내의 균일한 LEO 이소플럭스를 제공할 수 있어, 이에 의해 FAA WAAS 수신 신호 파워 요구에 부합한다[참조 문헌 7]. 우하부에서, 패치 안테나의 어레이는 군사용 고파워 및 고상승각 사용을 위해 적합한 지향된 빔을 형성한다. T/R 모듈, 상하 컨버터, ADC, 및 DAC를 위한 맞춤형 MMIC의 사용은 각각의 위성의 크기 및 비용을 상당히 감소시킨다.

도 7은 물리적 LEO 브로드캐스트 기하학 구조를 도시하고 있다. 궤도는 축적대로 도시되어 있고, 위성 크기는 과장되어 있다. 마젠타 궤도는 베이스라인 전개의 예를 도시하고 있어, 공칭적으로 동시에 적어도 2개의 SurePoint^TM 위성을 뷰 내에 제공한다. 시안 궤도는 이따금씩의 고장 슬롯의 경우에, 부가의 마진을 위해 적어도 3개의 SurePoint^TM 위성을 뷰 내에 제공하는 확장형 극간 커버리지를 도시하고 있다.

도 8은 베이스라인 군에 의해 제공된 글로벌 커버리지를 도시하고 있다. 마젠타 궤도는 8개의 평면을 갖는 워커(Walker) 구성이다. 3개의 SurePoint^TM 위성을 포함하는 위치 픽스가 또한 도시되어 있다.

도 9는 통합형 GNSS-LEO 기하학 구조를 도시하고 있다.

도 10은 군 내에 코드 재사용의 예를 도시하고 있다. 이러한 재사용은 군 내의 송신기의 총 수를 커버하기 위해 이용 가능한 규정된 할당의 제한된 수 및 높은 교차 상관의 모두를 갖는 GPS C/A 코드를 위해 특히 필요하다. 효율적인 사용이 새로운 PNT 군에 의해 이루어져야 한다. 어떠한 PRN도 시간 경과에 따라 모든 가능한 군 기하학 구조에 대해 그 자신에 인접한 궤도 위치를 점유할 수 없다. 도면은 이러한 것이 어떻게 8개의 궤도 평면을 갖는 워커 구성을 위해 성취될 수 있어, 최대한의 위도에서 사용자를 위해 적어도 2개의 위성을 뷰 내에 제공하는지의 예를 도시하고 있다. 이 경우에, 워커 구성은 모든 시간 페이징을 위해 단지 16개의 고유의 PRN 코드만을 요구하도록 이루어질 수 있다. 어떠한 PRN 코드도 중첩 또는 인접 푸트프린트에 사용되지 않고, PRN 코드가 재사용될 때 공간 최대 분리가 존재한다.

삽입, 유지, 및 중복성

MEO에서, 위성 궤도 평면 변화는 비실용적이다. 원리적으로, LEO 위성은 소정의 경사도에서 임의의 적경(right ascension) 내로 런칭할 수 있고, 이어서 교점 후퇴(nodal regression)를 사용하여 임의의 다른 평면에 프로세싱될 수 있다. 평면을 변경하는 것은 세차(precession)가 삽입 시퀀스의 부분을 구성하면 런치시에 특히 저가일 수 있다. 규모의 경제를 위해, 다수의 더 소형의 위성이 동일한 런치 차량을 공유할 수 있다. 이후에, 각각의 위성은 얼마나 오래 그 각각이 드리프트하도록 허용되는지에 기초하여 임의의 평면 및 슬롯에 개별적으로 타겟팅될 수 있다. 급속 드리프팅이 저장 궤도 내에 스페어를 위해 불확정될 수 있다. 일단 위성이 동작 궤도 내에 있으면, 다른 평면으로의 그 위성의 추가의 드리프트가 여전히 옵션이어서, 고장을 처리하기 위해 추진제 사용량 대 시간을 절충한다. 일 슬롯으로부터 다른 슬롯으로의 이러한 용이한 액세스는 단일열 스페어링 전략을 가능하게 한다. LEO 위성은 수일 내에 사실상 임의의 위성 고장을 플러그하는 능력을 제공한다. 한편, 사용자는, 적어도 매우 신속하게 통과하기 때문에 그리고 최대한 이들 짧은 LEO의 예측 가능성이 사용자가 그 가용성 주위로 계획하는 것을 가능하게 하기 때문에, 운전정지를 주목하기가 힘들다. 드리프트 기반 삽입은 런치 차량 옵션의 전체 범위를 개방한다. 도 11 및 도 12는 비용을 절감하고 런치 차량 기회 가용성을 동력화하기 위해 어떻게 위성이 그룹으로, 가능하게는 전체 군으로 한번에 런칭될 수 있는지를 도시하고 있다. 단일 매체-리프트 부스터 런치 차량은 질량 및 체적 마진을 산출한다. 다수의 위성의 시퀀싱된 전개는 재접촉을 배제한다.

바람직한 실시예는 삽입, 위치 유지, 재구성, 및 궤도 이탈(de-orbit)을 포함하는 전체 수명 사이클을 위한 전기 추진을 이용한다. 일단 런치 차량 삽입이 발생하면, 낮은 스러스트에서 궤도를 구성하기 위한 시간이 존재하고, 따라서 높은 효율을 이용한다. 전자스프레이 스러스터는 높은 비추력(specific impulse)을 갖고, 최소 크기, 중량 및 파워(SWaP)를 요구하고, 소형 위성에서 일반적으로 발견되는 낮은 DC 입력 전압에서 동작하고, 취급이 용이한 액체 형태의 콤팩트한 추진제를 제공하고, 네비게이션 미션 기능에 대한 혼란을 최소화하는 정밀도 조작 분해능을 제공한다.

도 13은 단일-런치 전개 시퀀스를 도시하고 있다. 뷰잉 프레임은 수개월에 걸친 시간 경과이고, 여기서 뷰어의 적경은 동작군의 기준 승교점(ascending node)의 것과 함께 이동한다. 뷰잉 명료화를 위해, 지구 회전각(뷰잉의 일시)이 또한 군의 기준 승교점에 대해 고정된다. 시안으로 도시된 삽입 궤도는 동작군에 대해 일정한 교점 세차율에서 드리프트한다. 평면 단위로, 온보드 스러스터는 동작 위도 및 페이징에 위성의 그룹을 상승시키도록 발사한다. 이 프레임에서, 동작 평면은 고정인 것으로 보인다. 삽입 궤도가 그 세차를 완료할 때, 위성의 최종 그룹의 궤도가 상승되고, 전개가 완료된다.

유사한 방식으로, 다중 런치가 단일의 평면 또는 적은 수의 인접한 평면의 그룹을 삽입할 수 있다.

캐리어 페이즈 타이밍 및 범위 프레임워크

이하의 처리는 위성 궤도 및 클럭 추정 뿐만 아니라 사용자 위치 및 클럭 추정을 다룬다.

도 14는 서비스 데이터 프로세싱 기능을 도시하고 있다. 시스템 관찰량은 궤도 추정기, 클럭 추정기, 및 완전성 모니터로 라우팅된다. 궤도 추정기는 효과적으로 연속적인 예측적 예견(look-ahead)을 갖는 서브-데시미터 레벨 솔루션을 제공하도록 설계된다. 클럭 추정기는 충분한 시스템 관찰량의 가용성에 따라 동작하는데, 이들 관찰량의 일부 또는 모두는 간섭에 기인하여 이용 불가능할 수도 있고, 완전한 상태 추정이 가능하지 않은 정도로 예측을 행한다. 서비스 데이터 수집기(Service Data Aggregator)는 시스템 하우스키핑 데이터 및 GNSS 데이터 비트 와이프-오프 정보와 함께 솔루션을 패키징하고, 직접 위성 브로드캐스트 및 지상 데이터 링크를 포함하여, 가용 데이터 링크 경로를 거쳐 이를 사용자에게 라우팅한다. 완전성 모니터는 원시 관찰량 및 솔루션을 연속적으로 파싱하고(parses), 불일치를 플래그한다. 경보가 또한 사용자에 라우팅된다. 궤도 솔루션이 지상 및 우주 세그먼트 하우스키핑 기능을 지원하도록 백홀을 거쳐 라우팅된다. 이미터 국지화 기능성이 또한 도시되어 있다. 나디르 미션 안테나에 의해 취해진 샘플은 시간 및 공간에서 레지스터되고, 이어서 교차 상관 기반 TDOA/FDOA 이미터 국지화 프로세싱 블록으로 라우팅된다. 포괄적 글로벌 추정기는 프로브 차량이 이용되는 정도로 모든 데이터 상에서 동작한다. 전리층 및 대류권 추정치가 사용자에게 라우팅된다. 도로 높이 및 맵핑 업데이트를 포함하는 포괄적 솔루션이 오프라인으로 축적된다.

위성 및 사용자의 모두에 적용 가능한, 회전하는 지구 고정된 기준 프레임에서의 네비게이션 식은 이하와 같고

여기서, c는 광의 속도이고, t'_i는 i번째 송신기 신호가 j번째 수신기에 의해 수신되는 시간이고, t는 신호가 송신기에 의해 브로드캐스팅되는 시간이고, r_j는 j번째 수신기 위치이고, Ω_e는 지구 회전 벡터이고, r_i는 i번째 송신기의 위치이고, 이들 모두는 지구 고정된 기준 프레임에 제공된다. 고차항을 무시하면,

당 기술 분야에 친숙한 바와 같이, 송신기로부터 수신기로의 의사범위는 이하와 같이, 광 거리의 진공 중간 속도와 송신기 및 수신기 클럭 오프셋의 합에 의해 제공되고,

여기서, δt_i는 송신기 클럭 바이어스이고, δt_i는 수신기 클럭 바이어스이다. 실용 구현예에서, 측정 에러는 이하와 같이 포함될 수 있고,

여기서

는 전리층 에러이고,

는 대류권 에러이고, b_ij는 캐리어 페이즈 의사범위 측정치에 적용 가능한 캐리어 페이즈 사이클 모호성 에러이고,

는 다중경로 에러이고, n_ij(t)는 각각의 채널에 대한 열 노이즈 및 간섭이다.

본 출원인은 송신기 및 수신기 위치의 근사 추정치,

및

를 각각 가정하고, 작은 항은 무시하고, 그 근사에 대한 위치의 섭동을 해석하였다. 최종 잔류 의사범위는 이하의 식에 의해 제공되고,

여기서,

는 각각의 송신기로부터 수신기로의 단위 벡터이고, δr은 위치 추정 에러이다. 더 구체적으로, 그 섭동이 데카르트 초기 위치 및 속도의 함수인 궤도 모델, 및 그 섭동이 데카르트 위치 및 속도 바이어스 및 자세, 가속도계, 및 자이로 바이어스의 함수인 관성 측정 유닛 모델을 포함하는 선험 위치 모델이 또한 이용될 수 있다. 일반적인 경우에, 레버 아암 보정 벡터(b)는 차량 자세(q)(본 예에서, 쿼터니언 표현(quaternion representation)에 의해 파라미터화됨)의 함수로서 3×3 직교 회전 행렬(A)에 의해, 안테나 페이즈 중심 위치(r_antenna)에 대해 질량 중심 또는 임의의 다른 기준점에 의해 정의된 바와 같은 사용자 또는 위성 차량 위치(r_reference)를 맵핑하는데 사용된다.

1/f² 전리층 에러 의존성의 주어지면, 듀얼 또는 멀티 주파수 측정치는 대역들 사이의 관찰식을 스케일링하고 디퍼런싱함으로써 무전리층 관찰량이 구성되는 것을 가능하게 한다. Ka 대역과 같은 높은 충분한 주파수의 크로스링크의 경우에, 단일 주파수 또는 주파수의 윈도우를 사용하고 전리층 에러를 한정하는 것이 가능하다. 캐리어 페이즈 측정의 경우에, 이 처리를 위한 개략화된 가정은 다중경로가 작거나 또는 적어도 부분적으로 측정 노이즈와 동등하다는 것이다. 실제로, 당 기술 분야의 숙련자는 가우스-마르코프 모델(Gauss-Markov model)을 포함하는, 성능을 최대화하기 위해 다중경로를 위한 다양한 처리를 적용할 수 있다.

위성 궤도 및 클럭 추정

사용자 포지셔닝을 수행하기 전에, GPS 및 LEO 우주선 궤도를 설정하는 것이 중요하다. IGS 네트워크와 같은 GPS 수신기의 지상 네트워크는 정밀한 GPS 궤도 및 클럭 솔루션을 설정할 수 있다. 이들 GPS 솔루션은 이어서 LEO 우주선에 의해 취해진 GPS로부터 원시 의사범위 측정치와 조합될 수 있는데, 여기서 간단화된 형태의 관찰식은 이하의 식으로서 제공되고,

여기서, n 프라임 표기는 무-전리층 관찰량 구성으로부터 발생하는 약간 더 노이즈가 있는 측정치를 지시하도록 채택되고, 각각의 관찰량은 GPS 위성으로부터 LEO 위성까지 제공된다. 일반적으로, 다수의 GPS 위성 사이의 관찰량의 시계열이 수집되고, 이어서 위치 오프셋 및 바이어스를 해석하는데 사용된다. 각각의 연속적인 솔루션은 수렴할 때까지 향상된 궤도 추정치

를 반복적으로 통지한다.

일반적으로, LEO 위성 궤도를 결정하기 위한 GPS만의 사용은 충분하지 않을 것이다. 예를 들어, GPS 대역 내의 재밍은 LEO 위성에 의한 GPS 신호의 적절한 수신을 방지할 수도 있다. 그러나, 더 규칙적으로, LED 위성이 GPS 대역 내에서 전송할 때, GPS 대역 내에서 동시에 수신하는 것은 일반적으로 비실용적이다. 이들 경우에, 대역외 크로스링크가 LEO 위성 브로드캐스트의 지상 기반 하향링크 범위와 조합된다. 크로스링크 관찰식은 이어서 이하의 식이 되고,

여기서, 각각의 관찰량은 위성 i로부터 j까지 제공된다. 바람직한 실시예에서, 크로스링크는 또한 2방향 모드로 동작되어, 향상된 관찰성을 허용한다. 그러나, 이들에 의한 크로스링크 측정치는 LEO 위성 궤도 및 클럭을 완전히 특정화하기에 충분하지 않다. LEO 송신기 하향링크의 지상 측정치는 이하의 식과 같이 관찰량에 추가되고,

여기서, 각각의 관찰량은 LEO 위성 i로부터 지상 기준 스테이션 j까지 제공된다. 지상 측정을 위해, 본 출원인은 수신기 클럭 및 대류권이 개별의 원자 표준을 통해 또는 지상 기준 사이트에서 GPS 위성의 동시 모니터링을 통해 잘 알려져 있다고 가정한다. 따라서, 무-전리층 지상 하향링크 관찰량은 이하의 식에 의해 제공된다.

임의의 소정의 시기(t_k)에 대해, GPS 위성, 다수의 LEO 위성을 위한 크로스링크 및 하향링크에 대한 동시 관찰량이 수집되고 이하의 관찰 행렬로 조합된다.

여기서, 구성의 목적은 인접한 쌍의 LEO 위성의 궤도 및 클럭, i 및 j, 뿐만 아니라 LEO 위성으로의 GPS 범위 링크의 바이어스의 벡터, b_{GPS - LEOi}, LEO 위성의 쌍 사이의 2방향 크로스링크 바이어스, b_{LEOi - LEOj} 및 b_{LEOj - LEOi}, 및 각각의 LEO 위성으로부터 지상 기준 네트워크로의 2개의 바이어스의 벡터, b_{LEOi -Ref} 및 b_{LEOj -Ref}를 해석하는 것이다. 적층된 벡터 n'은 각각의 잔류 캐리어 페이즈 의사범위를 위한 측정 노이즈를 사전 검출 간격에 걸쳐 연속적인 노이즈로 이산화한다.

일반적으로, 관찰식의 시간 이력은 높은 완전성을 갖는 미지수를 해석하도록 요구된다. 이하의 단축 표기가 상기 행렬식을 축약한다.

여기서, 1 행렬은 적절한 부호를 갖는 것들의 n×1 벡터에 대한 축약된 표기이고, R 행렬은 단위 벡터의 스택이고, I 행렬은 항등 행렬이다. 크로스링크의 경우에, 항등 행렬은 적절한 제로 공간을 갖고 팽창되어 있다. 일반적으로, 다수의 LEO 위성의 클럭 및 궤도는 동시에 추정될 수 있다. 단일 시기로부터의 관찰 행렬은 이어서 이하의 구조를 취한다.

바람직한 실시예에서, 관찰 가능한 구조체는 LEO 송신기 자체로부터를 포함하여, 재밍 및 간섭에 대해 강인하다. 본 예에서, LEO 위성 2 및 3으로부터의 송신기는 소정의 시기에 GPS의 수신을 방지한다. 궤도 솔루션은 GPS, 크로스링크, 및 하향링크 관찰량의 조합에 의해 긴 간격에 걸쳐 추정될 수 있고, 여기서 느리게 변화하는 궤도 성분 및 일정한 바이어스 성분은 새로운 프라임 표기된 측정치의 견지에서 관찰식의 좌측에 합체될 수 있어, 이에 의해 이하와 같이 추정될 더 급속하게 변화하는 클럭 성분을 남겨둔다.

본 예에서, GPS는 LEO 위성 1에 대한 클럭 솔루션을 캘리브레이팅하는 것에 기여하고, 지상 기준 네트워크는 LEO 위성 3에 대한 클럭 솔루션을 캘리브레이팅하는 것에 기여하고, 반면에 3개의 LEO 위성의 3개의 페어링 사이의 크로스링크는 전체를 위한 최적 클럭 추정치를 제공하도록 3개의 위성 함께에 대한 클럭 솔루션을 타이한다.

단축 형태로, 궤도 및 클럭 관찰식은 이하와 같이 쓰여질 수 있고,

여기서, Δρ_k는 GPS, 크로스링크, 및 하향링크 관찰량의 각각의 LEO 위성에 대한 잔류 의사범위 측정치의 벡터이고, 1_clock은 클럭 행렬의 군이고, R^T _k는 위성 단위 벡터의 군이고, I_bias는 의사범위 바이어스 항등 행렬의 군이고, cδt_k는 각각의 시기에 대한 LEO 위성 클럭 바이어스 솔루션의 벡터이고, δr_LEO는 각각의 LEO 위성에 대한 궤도 에러 추정치의 벡터이고, b는 GPS, 크로스링크, 및 하향링크 바이어스의 벡터이다. 관찰 행렬은 이하와 같이 K 시기에 걸쳐 적층될 수 있다.

이 식의 세트는 최소 자승법을 사용하여 현재를 통해 간격에 걸쳐 해석될 수 있다. 실제로, 모든 행렬 요소가 필인되는 것은 아니다. 행렬로부터의 적절한 삭제는 다양한 타이밍 및 범위 링크를 뷰 내에 그리고 뷰 외에 유도하는 이용 불가능한 관찰량 또는 위성 기하학 구조를 고려한다. 바람직한 실시예에서, 관찰식의 칼먼 필터(Kalman filter) 구현예는 세밀화된 클럭 및 궤도 모델과 조합된다. 바람직한 실시예에서, 추정치는 또한 적절한 코드 페이즈 다중경로 모델을 갖는 코드 페이즈 기반 추정으로 증강된다.

솔루션의 완전성은 RAIM을 사용하여 평가될 수 있다. 단일 위성에 대한 잔류 테스트 통계치(Q)는 이하와 같이 형성된다.

바람직한 실시예는 다중 시기에 걸쳐 모든 위성 및 연계된 추정 파라미터를 동시에 포함하도록 솔루션 및 테스트 통계치를 확장한다.

사용자 위치 추정

도 15는 사용자 장비 하드웨어를 도시하고 있다. 듀얼 대역 프론트엔드는 전리층 에러가 없는 타이밍 및 범위 측정을 허용한다. 발진기는 전체 디바이스를 위한 좌표 타이밍을 제공하는 로컬 발진기 합성기를 구동한다. r.f. 신호는 샘플링을 통해 기저대역으로 직접 하향변환된다. 힐버트 변환은 상관기를 위한 복잡한 기저대역 샘플의 스트림을 생성한다.

도 16은 수신기 네비게이션 프로세싱 아키텍처를 도시하고 있다. 상태는 각각의 뷰 내의 GNSS 및 SurePoint^TM 위성에 대해 벡터 위치, 속도, 자세, 사용자 클럭 시간 및 속도, 가속도계 바이어스, 자이로 바이어스, 천정 대류권, 및 클럭 및 클럭 속도 항으로서 정의된다. 칼먼 필터 시간 업데이트는 공분산을 포함하여 전파기의 뱅크(bank)로서 도시되어 있다. 위성 위치는 운영 센터 서비스 데이터 프로세서로부터 분산된 천문력(ephemeris) 표현 파라미터를 사용하여 발생된다. 운영 센터로부터의 클럭 파라미터는 또한 위성 클럭 상태를 예측하는데 사용된다. 선험 상태 전파가 상관기 NCO를 위한 피드포워드 의사범위를 발생하는데 사용된다. 측정 업데이트는 제곱근 정보 구현예 및 효율적인 QR 행렬 분해의 수치적 안정성에 의해 용이해진다.

일단 LEO 위성 클럭 및 궤도가 정확하게 알려지면, 이 정보는 파라미터화되고 사용자 포지셔닝을 보조하기 위해 사용자에 전달된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 궤도 및 클럭 정보는 지상 데이터 네트워크 또는 공간 네트워크를 통해 사용자에 전달될 수 있다.

대류권 에러는 h_i=1/sinEl_i의 기울기 계수(obliquity factor)를 곱한 그 천정값을 사용하여 긴 시간 상수에 걸쳐 뷰 내에 다수의 위성을 사용하여 추정되고, 여기서 El_i는 위성 상승각이다. LEO 위성의 고속 각도 커버리지에 기인하여, 예를 들어 가까운 프론트와 같은 불규칙한 날씨 특징을 수용하기 위해 방위각 성분을 합체하여 더 정교한 대류권 모델이 또한 이용될 수 있다는 것이 즉시 이해될 수 있을 것이다. 캐리어 페이즈 다중경로가 추가의 특정 주목 없이 평균화되는 것으로 재차 가정된다.

관성 보조가 간섭 시나리오에 대한 옵션이다. 사용자 장비가 간섭 거절을 위한 요구를 갖지 않으면, 이하의 관성 처리가 제외될 수 있다.

바람직한 실시예에서 사용자 장비는 SurePoint^TM 추정치에 고도로 상보적인 것으로서 관성 측정 유닛(IMU)을 레버리징한다. 항공 전자 기기 개장을 위해, 다수의 동작 항공기는 미리 고품질 IMU를 이용한다. IMU 성능 및 비용의 경향이 또한 바람직하다. MEMS 기술은 통상적으로 수 초의 캐리어 페이즈-레벨 안정성을 제공할 수 있다. 더욱이, DARPA에 의해 현재 연구되고 있는 바와 같이, 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensates)으로부터의 간섭 패턴에 기초하는 새로운 고성능 IMU를 포함하는 새로운 기술이 도래하고 있다. 바람직한 실시예는 이용 가능해질 수 있는 이러한 시간에 임의의 이러한 새로운 IMU 기술의 전체 잠재성을 동력화한다.

위성 i에 대해, 사용자 상태 추정식은 이하와 같고,

여기서, δx는 북, 동, 하 좌표 시스템에 대한 사용자 잔류 위치 추정치 에러이고, δt는 사용자 클럭 에러이다. 위성 궤도 및 클럭 에러가 추정되기 때문에, 이들 항은 이하와 같이 새로운 프라임 표기된 관찰량의 견지에서 식의 좌측에 수집될 수 있다(Δρ).

관성 모델은 이하와 같이, 관성 측정 유닛 상태 위치 추정치 에러(δx), 속도 추정치 에러(δv), 공칭 사용자 자세에 대한 선형화된 3-축 자세 추정치 에러(δφ), 가속도계 바이어스(b_a), 및 자이로 바이어스 추정치 에러(b_g)를 포함하는 것으로서, 바르-이자크(Bar-Itzhak)[참조 문헌 8]에 의해 유도된 전파를 위해 3차원 선형화된 식을 적용하고,

여기서 모든 w 벡터는 랜덤 노이즈 에러를 표현한다. 자이로 및 가속도계 바이어스를 위한 가우스-마르코프 모델 근사가 또한 추가되었다. 더욱이, 이하의 정의가 적용되고,

여기서, g는 중력에 기인하는 로컬 가속도이고, R은 지구의 반경이고, Ω_N 및 Ω_D는 각각 북 및 하 방향으로 투영된 지구 회전 벡터의 성분이다.

사용자는 용례가 보증되면 차량 상에 다수의 안테나를 이용할 수 있다. 추정식은 사용된 각각의 안테나에 대해, 그러나 각각의 안테나에 대한 개별 레버 아암값을 갖고 간단히 반복된다. 이 프레임워크는 또한 제어된 방사 패턴 안테나(CRPA)를 적분하는 것에 적용될 수 있다.

전통적인 초기밀하게 결합된 비-코히어런트 도트 프로덕트 식별자가 사용자 위치를 대략적으로 추정하고 수신기가 코어스 락(coarse lock) 상태로 체류하는 것을 보장하기 위해 먼저 사용된다. 그러나, 이 식별자는 지속된 동기 적분을 위한 기초를 제공하지 않는다. 간섭 또는 재밍 하에서, 이러한 식별자의 정확성은 코드 칩의 큰 분율로, 즉 군사 신호의 경우에 수 미터로 열화한다.

동기 적분은 간섭 조건 하에서 정밀 관찰량을 제공한다. 관성 및 클럭 항을 구동하는 프로세스 노이즈는 그 기간에 파장의 작은 분율의 시간 또는 위치 안정성이 유지될 수 있는 시간 간격의 견지에서 개략화된 형태로 특징화될 수 있다. 목표는 시간×광의 속도의 항에서 약 20 피코초에 동일한 위치의 항에서 0.5 cm의 정도이다. 몇몇 사용 경우는 20초보다 긴 시간 상수를 갖는 관성 측정 유닛을 이용하고, 반면에 사용된 발진기는 통상적으로 단지 수백 밀리초 동안 충분히 안정하다. 뷰 내의 N개의 위성에 대한 관찰량은 이하와 같이 적층될 수 있다.

가외의 측정 노이즈의 결여시에, 이 식은 이하와 같이 단축 형태로 표현될 수 있다.

GPS 위성 관찰량으로부터, 관성 바이어스는 관성 측정 유닛 시간 상수에 걸쳐 위치 오프셋의 예외로, 일반적으로 관찰 가능하다. 따라서, 관성 모델이 상기 관찰식과 통합될 때, 조합은 이하의 유효 관찰식으로 간단화된다.

지속된 동기 적분은 시기(k)에 대해 Δρ' 관찰량의 벡터를 형성하기 위해 통상적으로 300 내지 500 밀리초인 발진기 시간 상수에 걸쳐 간섭 거절을 위해 가능한 범위로 이용된다.

이 식은 이하와 같이 K개(다수개) 시기에 걸쳐 더 적층될 수 있다.

실제로, 모든 행렬 요소가 반드시 필인될 필요는 없다. 행렬로부터의 적절한 삭제는 다양한 타이밍 및 범위 링크를 뷰 내에 그리고 뷰 외에 유도하는 이용 불가능한 관찰량 또는 위성 기하학 구조를 고려한다.

이 식의 세트는 최소 자승법을 사용하여 현재를 통해 간격에 걸쳐 해석될 수 있다. R 및 h 행렬 요소의 모두에 명백화된 바와 같은 LEO 위성에 의해 제공된 기하학 구조의 고속 변화는 GPS 단독을 사용하여 수십분에 대조적으로, 임의의 포워드 기반 인프라구조로부터 멀리 동작할 때 수십초 이내의 강한 관찰성 및 수렴을 제공한다.

RAIM은 완전성을 설정하기 위해 이하의 테스트 통계치(Q)를 평가함으로써 가산된다.

바람직한 실시예에서, 관찰식의 칼먼 필터 구현예는 세밀화된 클럭 및 궤도 모델과 조합된다. 바람직한 실시예에서, 추정치는 또한 적절한 코드 페이즈 다중경로 모델을 갖는 코드 페이즈 기반 추정으로 증강된다. 더욱이, 완전성이 중요한 용례에서, 바람직한 실시예는 그 룩백 간격이 서비스의 가용성을 보장하도록 설정되는 포워드-백워드 평활화기이다.

외거(Joerger) 등은 고완전성 솔루션이 어떻게 평활하기를 사용하여 얻어질 수 있는지를 설명하고 있다[참조 문헌 9].

바람직한 실시예에서, 완전성 프로세싱은 사용자 상태와 함께 솔루션에 영향을 미치는 모든 위성 상태를 포함한다.

생명 안전을 위한 고완전성

바람직한 실시예는 SBAS 및 GBAS 정확성 및 RAIM 완전성을 상당히 강화한다. WAAS 경고, GPS 측정, 및 FDE는 통상적으로 간섭에 의해 열화한다. SurePoint^TM 시스템은 카테고리 III 정밀 착륙 성능 레벨을 포함하는 모든 비행 페이즈에 대해 간섭 하에서 높은 마진을 위해 엄격한 RAIM 경고 한계(~1 m)를 인에이블링함으로써 보상한다. 이러한 엄격한 RAIM은 위성 경고가 항공기에 통신될 수 없더라도 FDE의 유효성을 보존한다. 그리고, 내장형 간섭 국지화가 네비게이션 및 감시에 대한 혼란의 소스를 제거하기 위해 이미터 분해를 가속화한다.

다른 바람직한 통합이 가능하다. 항공 구현예는 또한 기존의 및/또는 향상된 거리 측정 장비(Distance Measuring Equipment: DME)와 새로운 기능을 통합할 수 있다. GBAS 데이터 링크는 백업 LEO 데이터 링크로서 사용될 수 있다.

최종 결과는 본 발명이 SBAS 및 GBAS 기반 정밀 착륙 및 NextGen 단말 동작을 구현하기 위해 요구되는 바와 같이 향상된 간섭 거절의 모두를 가능하게 하는 것이다. WAAS와 통합될 때, 바람직한 실시예는 제로 가시성 동작 및 자동착륙을 위한 카테고리 III SBAS를 잠재적으로 가능하게 한다.

다수의 항공기에서 기존의 항공 전자 기기를 사용하여, 더 안전한 정시 도착이 전세계의 더 많은 공항에서 가능하다. FAA를 포함하는 ANSP는 특히 SSR 및 ILS와 같은 레거시 인프라구조를 안전하게 리타이어하기 위해 신뢰를 얻기 위한 새로운 오프닝을 가질 수 있다.

바람직한 실시예는 자동차를 위한 강인한 고성능의 어느 차선 기능을 제공한다. 이는 GPS 단독보다 상당히 더 고속의 요구된 완전성에 수렴한다. 자동차가 증가하는 숫자의 더 자율적인 기능을 얻음에 따라, 희귀하지만 불가피한 구성요소 고장을 엄격하게 관리하는 중요성은 처리를 위해 더 중요해지고 있다. 바람직한 실시예는 어느 차선 성능과 일치하는 완전성을 성취한다. 하드 통계 정보를 출력하여, 시스템은 자동차 보험 회사가 새로운 기능을 스케일링업할 때에 미지의 미지수를 이해하고 사용 제거할 수 있는 실용적인 견지에서 예측된 및 실제 통계치를 정량화한다. 실시간으로 위치를 분산하기 위한 자동차간 데이터 링크와 통합된 위성 기반 서비스는 또한 임의의 날씨 또는 환경에서 강인한 "절대" 포지셔닝을 제공하는 도로 조건에 의해 열화하는 카메라, 레이더, 라이다와 같은 "상대" 센서를 보충한다. 그리고, 사용자 장비는 차량 내에 미리 계획된 하드웨어 구성요소를 사용하여 전역적으로 스케일링할 수 있기 때문에, 재료 비용의 증분 청구서는 본질적으로 0이다.

도 17은 사용자를 위한 완전성의 가용성을 근사하는 예를 도시하고 있다. 자동차를 위한 본 예에서, 수평 경고 한계(HAL)는 인명 안전 자율적 차선 유지와 일치하는 1 미터로 정의된다. 중간 지구 궤도(MEO) GNSS 위성은 하늘을 가로질러 서서히 이동하기 때문에, 수십분이 경과할 때까지 RAIM을 사용하여 결함을 검출하기 위해 불충분한 기하학 구조가 존재한다. RAIM 가용성의 확률은 평활화 기간(냉간 시동을 위해 요구되는 시간과 일치함)의 함수로서 플로팅된다. SurePoint^TM 위성에 대해, 가용성은 수십초의 시간 상수 이내에 100%에 도달한다.

본 명세서에서 가능하게 된 위성 네비게이션 완전성은 또한 다른 다양한 센서와 GPS의 융합을 이익으로 할 수 있다. 비-GPS 기반 센서는 일반적으로 고유 완전성을 소유하지 않는다. 도 18은 SurePoint^TM 위성을 구비하는 센서 융합 기능을 도시하고 있다. 수신기 완전성 기능은 언제 그리고 얼마나 많이 신뢰되어야 하는지의 지시를 출력한다. 융합 중에 센서들 사이의 가중이 이어서 고유 완전성 없이 심지어 이들 센서를 포함하는 전체 완전성 주위로 최적화될 수 있다.

간섭 하의 저비용 사용자 장비

고간섭 또는 재밍의 경우에, 노이즈 분포는 일반적인 발진기를 갖는 수신기를 사용하여 코히어런트 트래킹을 위해서는 너무 클 수도 있다. 고간섭 모드를 위한 바람직한 실시예에서, 차등 연산자(Π)가 이하와 같이 시기(k)에 대해 관찰식의 양 측에 인가된다.

여기서, 모든 5개의 위성의 경우에 대해

이다. Π 행렬은 뷰 내의 임의의 수의 위성에 대해 일반화될 수 있다. 노이즈가 각각의 채널을 가로질러 대략적으로 동일한 것으로 가정하면, 차등 연산자는 본질적으로 이하와 같이 기하학 구조에 무관하게 모든 위성을 가로질러 균형화된 방식으로 클럭 추정치의 상쇄를 생성하고,

여기서, ρ" 및 n"은 위성간 이중 차이 및 노이즈 항의 벡터에 대한 단축 표기이다. 주요 단계에서, 관찰식은 사용자 클럭에 독립적으로 렌더링되고, 단지 서서히 변화하는 또는 일정한 상태 변수에 의존한다.

이 시점에, 원시 페이즈 측정치를 누산하는데 실용적인 고려사항을 커버하는 것이 중요하다. 바람직한 실시예에서, 기저대역에서의 누산은 통상적으로 수백 밀리초인 사용자 발진기 코히어런트 시간 상수 이하로 설정된 사전 검출 간격에 걸쳐 각각의 위성에 대해 위상내 및 직교 성분을 수집한다(Δρ'). 위상내 및 직교 성분의 아크탄젠트는 각각의 특정 위성 및 시기에 대해 Δρ'를 산출하는데, 이는 이어서 이중 차이 Δρ"를 형성하기 위해 위성 쌍을 가로질러 차등화된다. 검출 후 이중 차이는 이어서 관성 네비게이션 유닛의 시간 상수와 일치하는 다수의 시기에 걸쳐 더 긴 간격에 대해 적분된다. 프로세스의 수학적 표현은 위성 쌍 i 및 j에 대해 소정의 시기에 이하와 같이 제공되고,

여기서, l은 각각의 위성에 대한 위상내 기저대역 사전 검출 성분 플러스 위상내 노이즈 분포이고, Q는 각각의 위성에 대한 직교 기저대역 사전 검출 성분 플러스 직교 노이즈 분포이다. 캐리어 상의 임의의 데이터 변조는 선험 예측 지식에 기초하여 또는 공간 및/또는 지상 네트워크를 통한 스트리밍을 거쳐 스트립 오프되는(stripped off) 것으로 가정된다. 아크탄젠트 함수는 룩업 테이블로서 효과적으로 구현될 수 있다. 노이즈 분포는 단일 신호(unity signal)에 대해 정규화된다. 변수 β는 모든 위성에 공통인 급속하게 가변하는 클럭 항에 대한 스탠드인(stand-in)이고, 반면에 관찰량에 매립된 변수 α는 서서히 변화하거나 일정한 모든 다른 상태 변수 분포에 대한 스탠드인이다. 간섭의 존재시에, 신호 대 노이즈비는 낮을 수 있는데, 즉 노이즈 항은 1 또는 그 이상의 정도인 경향이 있을 수도 있다. 노이즈는 이중 차이가 관성 시간 상수에 걸쳐 적분됨에 따라 최종 단계에서 하향 평균화된다. 노이즈 항은 크기 때문에, 비선형성이 평균화되는 경향이 있는 아크탄젠트 함수에 도입된다.

결정 단계와 동시에 클럭 항의 상쇄는 또한 대안적인 벡터 적 형태로 보여질 수 있다. 코히어런트 식별자는 위성 지수 i 및 j를 갖는 각각의 위성 쌍에 대해, 사전 검출된 원시 위상내 및 직교 측정치 성분의 함수로서 이하와 같이 표현된다.

이전에 정의된 아이덴티티를 식별자 식에 대입하면,

적-대-합(product-to-sum) 아이덴티티를 호출하면, 사용자 클럭과 연계된 β 성분은 평균화 간격에 걸쳐 2π에 대해 큰 편위를 횡단하고, 또한 이러한 항이 무시될 수 있도록 랜덤 노이즈에 의해 변조되는 것으로 가정된다. 나머지 제곱 노이즈 항을 정리하면, 이하와 같이 된다.

이 식별자에서, 기저대역 신호의 공통 모드 구성요소는 기저대역 신호의 공통 모드 성분이 제거되어, 단지 차등 나머지만을 남겨둔다. 상기 추정식의 위성을 가로지르는 단지 공통 모드량 - 함께 저하하는 각도(β)에 대응함 - 은 사용자 클럭이다. 따라서, 이 식별자에 의해, 동기 적분은 그렇지 않으면 사용자 클럭에 의해 허용될 것인 훨씬 더 긴 간격에 걸쳐 지속 가능해져서, 이에 의해 수신기의 코히어런트 간섭 거절 성능을 상당히 증가시킨다.

기하학 구조의 고속 각도 변화의 장점을 취하여, K 시기는 위치 오프셋, 천정 대류권, 및 캐리어 페이즈 바이어스를 해석하기 위해 이하와 같이 적층될 수 있다.

이 식의 시스템은 최소 자승 피팅을 거쳐 해석될 수 있다. 실제로, 행렬 구성에서 적절하게 삭제될 수 있는 누락 측정치가 존재할 수도 있다. MEO 위성은 하늘을 가로질러 서서히 이동한다. LEO 고속 각도 모션은 기하학적 행렬 요소를 극적으로 진화시켜 이에 의해 수십초 이내에 상태가 관찰 가능하게 할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 완전성이 또한 중요한 용례를 제외하고는, 칼먼 필터 구현예가 이용되는데, 이 경우에 포워드-백워드 평활화기가 이용된다.

상기 식별자에 의해 제공된 구현예를 강조하기 위해, 이하의 형태의 식별자를 이용할 수 있는 당 기술 분야에서 사용되는 통상의 캐리어 페이즈 트래킹 루프와 이를 비교하는 것이 도움이 될 수 있다.

이 식별자에 대해, 추정 에러가 [참조 문헌 10]에 의해 제공된다.

여기서, C/N₀는 캐리어 파워 대 노이즈 파워 스펙트럼 밀도비이고, T는 상관기 사전 검출 간격이고, B_L은 위상 고정 루프 트래킹 대역폭이다. Π 연산자에 따라, 위성의 모든 페어링이 대칭적으로 적용된다. 제곱된 노이즈 항은 어느 성능이 더 안정한 시간 기준으로 이용 가능할 것인지에 본질적으로 배가된다. 그러나, 또한 Π 연산자에 따라, 대략 2배의 위성 측정쌍이 비차등 경우에서와 같이 형성되어, 이에 의해 팩터 2 희석을 효과적으로 회복한다.

관성 품질의 함수로서 재밍 성능의 최종 향상이 도 19에 도시되어 있다. 전통적인 식별자는 발진기 안정성의 정도로 시간 상수에 한정되고, 반면에 향상된 식별자는 사용자 관성과 일치하도록 사용자 적분 시간 상수를 확장할 수 있어, 간섭 거절의 부수적인 향상을 제공한다. 더욱이, GPS도 또한 GNSS 위성도 동시 센티미터-레벨 정확성 또는 고-완전성 사이클 모호성 분해능을 위한 관찰성을 제공하지 않는다. LEO 위성은 나머지 미지수를 제공한다.

새로운 식별자를 이용하기 위한 경고는 이하와 같다: (i) 수신기의 기저대역 수치 제어된 발진기(NCO)는 LEO 도플러 동적 범위(MEO GNSS에 대해 ±5 kHz보다는 LEO에 대해 ±40 kHz)를 커버해야 하고, (ii) 프로세서는 변경된 작업을 수용하도록 충분한 처리량을 가져야 하고, (iii) r.f 대역통과 필터는 잔류 대역외 파워를 감쇠하기 위해 안테나와 수신기 사이의 r.f. 경로 내로 삽입될 필요가 있을 수 있다.

도 20은 GPS L1에 인접한 대역 내의 광대역 스펙트럼을 도시하고 있다. 수신기의 기존의 설치된 베이스는 일반적으로 연속적으로 더 큰 대역폭 사용량을 각각 갖는, 저정밀도, 더 구형 고정밀도, 및 현대 고정밀도로 표기된 3개의 필터 곡선을 점유한다. GPS L1에 인접한 보조 지상파 구성요소(Ancillary Terrestrial Component: ATC) 대역은 마젠타로 좌측에 도시되어 있다. 하부에는 모바일 위성 서비스(Mobile Satellite Services: MSS), GPS, 및 Russian GLONASS로부터 저전력 위성 신호가 도시되어 있다. 일 제안된 대역폭 서비스는 저파워 레벨에서 좌측에 적색으로 도시되어 있다. 관심현안은 다수의 기존의 GPS 수신기의 프론트엔드 필터가 제안된 대역폭 파워 레벨에서 간섭을 유도할 것이라는 것이다. 현대 고정밀도 수신기의 경우에, 대역은 이들 GPS 수신기가 MSS 위성을 트래킹하기 위해 동일한 r.f. 프론트엔드를 사용하기 때문에 중첩한다.

캐리어 페이즈 상의 그 강조 때문에, 바람직한 실시예의 스펙트럼 요구는 좁다. 특히, GPS 신호가 캐리어를 재구성하도록 압축될 수 있는 한(확산 구성요소에 부분 액세스에 의해서도), 그 캐리어는 일반적으로 고완전성 최대 성능 포지셔닝을 위해 충분하다.

본 발명은 불리한 간섭 조건 하에서도 좁아진 GPS 스펙트럼이 최대 고완전성 위치 픽싱을 성취하는 것을 가능하게 하기 때문에, 녹색 지역은 GPS와 인접한 광대역 사이의 가드 대역으로서 정의될 수 있다. 비교적 저비용 대역통과 필터는 최소 대역폭 및 GPS 수신된 파워의 페널티를 부여하기 위해 필딩된 사용자 장비 내에서 반동적으로 삽입될 수 있다. 큰 가드 대역은 C/A 코드 GPS 수신기를 위한 2 MHz 대역폭 필터와 연계된다. 작은 가드 대역은 P(Y) 코드 GPS 수신기를 위한 20 MHz 대역폭 필터와 연계된다. 더욱이, PNT LEO 위성은 GPS 대역 내에서 정밀한 위치 서비스 보정을 브로드캐스팅할 수 있기 때문에, 위성 브로드캐스트는 인접 MSS 대역 내에서 더 이상 요구되지 않는다.

도 21은 시스템의 민간 운송 시스템을 위한 개념을 도시하고 있다. 해양, 표면, 및 항공 사용자를 위한 개별 GPS 증강 시스템을 구성하기보다는, 통합형 정밀도 서비스가 본 발명에 의해 가능해진다. 우주 세그먼트는 GPS 위성, WAAS 위성, 및 LEO 위성을 포함한다. 소프트웨어 업데이트를 갖는 WAAS 지상 모니터 스테이션은 모든 3개의 유형의 위성의 타이밍 및 범위 신호를 트래킹한다. 통합 메시지는 모든 위성 뿐만 아니라 완전성 경고의 정밀한 클럭 및 궤도를 포함하는 WAAS 마스터 스테이션에서 생성된다. 이 데이터 메시지는 WAAS 및 LEO 위성 및 지상 기반 데이터 링크를 포함하여, 다수의 데이터 경로를 거쳐 사용자에 공표된다. 항공에 대해, 지상 기반 데이터 링크는 VHF 라디오이다. 지상 차량에 있어서, 지상 기반 데이터 링크는 전용 단범위 통신(Dedicated Short Range Communications: DSRC) 차량 대 인프라구조(Vehicle to Infrastructure: V2I) 노변 장비(roadside equipment: RSE) 또는 4G LTE를 포함하는 상업용 무선 서비스 공급자로부터의 대역폭을 포함할 수 있다. 해양 사용자에 있어서, 지상 기반 데이터 링크는 타이밍 및 범위를 위해서보다는 데이터 브로드캐스트 사용을 위해 변환된 기존의 DOT 및 해안 가드 NDGPS일 수 있다.

다수의 데이터 링크 경로를 갖는 네트워킹된 시스템은 하나 이상의 타이밍, 범위, 또는 데이터 링크가 열화되거나 이용 불가능할 때 탄력성 및 간섭 거절을 추가한다.

혼합된 공간 세그먼트 동작

도 22는 단일 주파수 위성 및 프로브 차량을 갖는 시스템의 통합을 도시하고 있다. 단일 주파수 위성은 보충 타이밍 및 범위 측정치를 제공하고, 반면에 프로브 차량은 전리층, 대류권, 및 도로 높이를 보조하기 위해 서비스 데이터 프로세서에 부가의 피드백을 제공한다. 프로브 차량의 사용을 위해, 지상 백홀 데이터 링크가 요구된다. 단일 주파수 SurePoint^TM 위성이 사용되거나 또는 단일 주파수 동작이 다른 방식으로 바람직한 경우에, 사용자 클라이언트 차량의 서브세트는 서비스 데이터 프로세서에 의해 컴퓨팅된 로컬 전리층 및 대류권의 추정치를 수신함으로써 프로브 차량에 대해 짧은 베이스라인(전리층 변형의 거리 스케일에 대해)을 형성한다.

프로브 차량으로서 공지된 차량의 서브세트는 카메라와 같은 다른 센서를 위한 완전성 모니터링 및 보조를 위해 사용될 수 있는 시간 경과에 따른 도로맵을 구축하고 업데이트하는 것을 보조하기 위해 솔루션 내에 포함된다. 단일 주파수 LEO 군이 듀얼 대역 측정치를 증강하기 위해 이용 가능할 수 있는 보조 실시예에서, 프로브 차량의 네트워크는 사용자의 더 넓은 메시를 위해 취득을 가속화하는 크라우드-소싱된 수단으로서 이용된다.

프로브 차량이 이용되는 정도로, 서비스 운영자는 이들의 참여를 가능하게 하기 위해 프로브 차량 사용자와 인센티브 기반 계약을 맺는다. 프로브 차량은 운영 센터에 GNSS 및 LEO 관찰량을 라우팅한다. 인센티브 기반 계약의 견지 하에서, 데이터는 일반적으로 프라이버시를 위해 익명화되도록 예측된다. 4G LTE와 같은 개인 무선 네트워크는 백홀 데이터 링크를 제공할 수 있지만, DSRC V2I RSE는 또한 이 목적을 담당할 수 있다.

맵 전용 프로브 추정기에 대해, 운영 센터는 모든 GNSS 및 L때 궤도 및 클럭, 프로브 차량 로케이션, 단일 주파수 전리층 에러, 대류권을 동시에 추정하고, 가능하게는 카메라 이미지와 같은 다른 대기열로 도로를 맵핑한다. 도로맵 상의 추정 시간 상수는 허위 데이터 포인트가 억제되는 것을 보장하기 위해 길다. 단일 주파수 LEO 위성이 솔루션 내로 혼합되는 경우에, 이들 위성을 위한 전리층 및 대기권 추정치가 실시간 데이터 브로드캐스트 내에 포함된다. 고정밀도에 대조적으로 동작하는 전리층 및 대류권의 복잡한 3차원 성질은 단일 주파수 타이밍 및 범위 측정을 위해 요구되기 때문에, 각각의 단축 표현이 각각의 위성에 대해서만 도로를 따라 구성된다. 따라서, 단지 브로드캐스트 내에 포함될 필요가 있는 데이터만이 (i) 실제로 자동차에 의해 요구될 그리고 (ii) 제 1 장소에서 관찰 가능할 전리층의 통합된 슬라이스와 연계되는 것이다. 가장 가능한 실시예에서, 총 전자 콘텐트(Total Electron Content: TEC)는 모두 우주 차량에 의해 각각의 속도 표지판(mile marker)을 스플라인 보간하고(spline interpolates), 천정 대류권은 각각의 속도 표지판을 스플라인 보간한다. 도 23은 특정 위성을 위해 도로를 따라 투영된 추정된 로컬 전리층 및 대류권의 투영의 예를 도시하고 있다.

비-간섭을 위한 상업용 신호 디자인

다른 GNSS 위성의 것들에 대해 비-간섭 신호를 유지하는 것은 극히 중요하다. 도 24는 비-간섭 분석의 맥락에서 신호 디자인을 도시하고 있다. LEO 한계에서 동작하는 것은 임의의 1023 기간 골드 코드(Gold Code) 및 임의의 도플러 시프트(Doppler shift)에 대한 21.6 dB 한계에 대한 임의의 잠재적인 C/A 코드 교차 상관을 제한한다[참조 문헌 11]. L5, L1C 및 L2C의 크로스 상관이 C/A 코드 레벨보다 상당히 낮다.

민간 및 상업용 사용은 신호의 미인증된 사용을 배제하기 위해 암호화를 필요로 할 것이다. 칩핑 레이트(chipping rate)는 1.023 Mcps의 기본 칩핑 주파수(f₀)의 정수배(n)이다. n의 값은 특정 용례에 따라, 1, 6, 또는 10의 값을 취하여, 기존의 또는 계획된 모바일 디바이스와 호환성이 있도록 선택된다. 도 24의 블록도는 우주선 및 사용자 장비 상에 온보드로 사용되는 진보형 암호화 표준(Advanced Encryption Standard: AES)에 기초하는 상업용 코드 발생기를 도시하고 있다. AES는 진정한 랜덤 시퀀스로부터 효과적으로 구별 불가능한 것으로 알려져 있다.

10 f₀ 칩핑 레이트 출력은 P 코드와 동일한 기준에 의해 -53.1 dB의 교차상관 간섭을 산출한다[참조 문헌 12]. 유사하게, 1 f₀의 칩핑 레이트는 -43.1 dB 교차상관 간섭을 산출하는데, 이들 모두는 기존의 GNSS 위성 및 수신기와 호환성이 있다.

암호화 아키텍처는 128-비트 대칭 트래픽 키의 체인을 제공한다. 체인은 적용 가능한 시스템 단위인 글로벌 정적 트래픽 키로 시작한다. 위성 식별은 글로벌 키를 각각의 위성에 고유한 정적 트래픽 키로 변환한다. 다른 고속 사이클링 단계는 모든 다른 초를 업데이트하는 임시키를 생성한다. 특정 사용자 디바이스의 신뢰 레벨에 의존하여, 글로벌 키 또는 임시 트래픽 키는 그 사용자에 분산된다. 트래픽 키의 분산은 각각의 사용 경우에 대해 이하에 더 설명된다.

민간 신호 인증

현재, GNSS 신호는 스푸핑되는데 취약성이 있다. 다수의 제안이 민간 스푸핑에 대해 보호를 위해 이루어져 있지만, 여전히 그 각각은 다양한 실용적인 단점을 갖는다.

도 25는 GNSS에 대한 민간 신호 인증 오버레이를 도시하고 있다. 보호는 GNSS 신호의 구조에 대한 가정을 행하지 않는다. 더욱이, GNSS 공간 및 제어 세그먼트는 비참여적인 것으로 추정되고, 수정될 필요가 없다. 단지 SurePoint^TM 나노위성 오버레이에 의해 브로드캐스팅된 신호만이 요구된다. SurePoint^TM은 SurePoint^TM 나노위성 신호 인증이 GNSS 신호에 전달되는 것을 가능하게 한다. GNSS 신호의 암호화는 요구되지 않는다. 접근법은 대부분의 기존의 민간 수신기 디자인과 함께 동작하는 잠재성을 갖거나 그렇지 않으면 단지 최소 수정만을 요구한다.

FAA와 같은 항행 서비스 제공 기관(ANSP)은 SurePoint^TM 나노위성 워터마크 트래픽 키를 제어한다. 이는 또한 SurePoint^TM 나노위성 페이로드 데이터를 분산하는 지상 및 우주 세그먼트의 구성요소를 동작함으로써 또는 동작됨으로써 행해질 수 있다.

공중에 공지될 수 있는 디지털 서명 알고리즘은 페이로드 데이터의 비서명된 서브프레임 상에서 동작한다. 서명 기능은 보안 하드웨어 경계 내부에서 수행되고 신뢰된 ANSP에만 공지된 개인 서명키를 사용한다. 결과는 서브프레임의 최종 프레임 내에 역 비트로 매립되도록 페이로드 데이터의 서브프레임의 종단에 첨부된 대칭 워터마크 트래픽 키이다. 각각의 SurePoint^TM 나노위성을 위한 워터마크키를 포함하는 서명된 페이로드 데이터가 업로드되어 저장된다. 업로드는 VPN을 거쳐 전이시에 보호된다. 페이로드 데이터는 FIFO 버퍼 내에 상주한다. L1C 또는 L5와 같은 공개적으로 공지된 알고리즘으로 발생된 개방 PRN 코드는 SurePoint^TM 나노위성의 1차 타이밍 및 범위 파형을 합성한다. 페이로드 데이터는 이 개방 PRN 코드 상에 변조된다. 동시에, 워터마크키는 워터마크로서 기능하는 암호화된 확산-스펙트럼 PRN 코드를 발생하는데 사용된다. 이 워터마크 코드는 데이터-변조된 개방 코드와 조합되고, 수집물이 브로드캐스팅된다. 워터마크 및 개방 파형은 임의로 규정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 워터마크 파형은 개방 파형에 대해 규정된 상대 파워 및 페이즈(즉, 워터마크키에 의해 규정된 바와 같이 위상내 및 직교의 연속체 내의 특정 지점에 놓임)로 변조되고, 이어서 개방 파형과 합산된 연속적인 보다 펄스화된 신호를 제공한다.

초기에, 워터마크키는 공개적으로 이용 가능하지 않다. 워터마크키는 페이로드 데이터의 최종 프레임 내에 매립되고, 각각의 서브프레임의 종료시에만, 즉 서브프레임 데이터의 나머지가 미리 브로드캐스팅된 후에 브로드캐스팅된다. 페이로드데이터 전송 시퀀스에서, 워터마크키는 최종적으로 서브프레임의 최종 프레임 내에 브로드캐스팅되어, 이에 의해 팩트 후에 공개적으로 공지되게 한다.

사용자 장비 프론트엔드는 저노이즈 증폭기, 하향컨버터, 및 아날로그-대-디지털 컨버터를 포함한다. 상관기 뱅크는 실시간의 지연된(리프로세싱된) 버전으로 분할된다. 리프로세싱 기능은, 일단 워터마크키가 적절한 워터마크의 존재에 대해 공지되면, 기저대역 샘플이 분석되는 것을 가능하게 한다. 수집 신호의 개방 구성요소를 트래킹함으로써, 사용자 수신기는 페이로드 데이터를 복조하고 역정류할(decommutate) 수 있다. 서브프레임의 최종 프레임은 워터마크키를 생성한다. 제 1 인증 단계에서, 데이터 인증 알고리즘은 페이로드 데이터, 워터마크키, 및 모두 패스되어야 하는 것으로 알려지고 사전 배포되어 있는 공개키 상에서 동작한다.

이전의 기저대역 신호는 이어서 리플레이되고 새롭게 디코딩된 워터마크키에 의해 발생된 워터마크 PRN 코드와 상관된다. 제 2 인증 단계에서, 개방 신호 성분(또는 그 시간 가변 프로파일)에 대한 워터마크의 벡터 파워비(즉, 크기 및 페이즈)는 공지의 브로드캐스트 구성과 일치해야 한다.

LEO 위성이 각각의 SurePoint^TM 나노위성의 시선 상으로 고속 각도 모션을 각인함에 따라, GNSS 위성을 구비하는 위치 픽스는 동시 수신기 자율적 완전성 모니터링(RAIM) 체킹을 패스해야 하고, 고속으로 변화하는 기하학 구조에 무관하게 그와 같이 행한다.

엄격한 완전성 임계치를 갖는 RAIM 체크를 수행하기 위해, 캐리어 페이즈 위치 픽스의 상기 처리로부터의 조합된 GNSS 및 SurePoint^TM 나노위성 및 이들의 솔루션은 이하의 식이 되도록 잔류 테스트 통계치(Q)를 생성하도록 이하와 같이 K 시기에 걸쳐 함께 조합된다.

임계치는 사용자가 측정 수집 간격에 걸쳐 스푸핑되는 가설에 대해 테스트하기 위해 선택된다. 코드 페이즈가 대류권의 선험 모델과 함께 이용되는 간단화된 경우에, 간단화된 테스트 통계치는 이하와 같이 이용된다.

어떠한 IMU도 이용되지 않는 다른 간단화된 경우에, 테스트 통계치는 이하와 같이 감소된다.

완전한 민간 신호 인증은 모든 3개의 개별 테스트(RAIM, 파워, 및 데이터)가 패스하는 것을 요구한다. 임의의 개별 테스트가 실패하면, 사용자 장비는 결함, 희귀 정상 조건, 또는 가능한 스푸핑의 존재를 지시할 경고를 발행한다.

사용자 위치의 증거

다른 주요 문제점은 위치의 증거를 설정하는 것이다. 이러한 기능은 또한 인증을 위해 유용할 수 있어, 팩터로서 위치를 사용함으로써 아이덴티티를 설정한다. 위치의 증거는 재정적 트랜잭션의 기만 방지, 법 시행, 유로 도로 검증, 운전중 자동차 보험 지불, 임계 인프라구조의 보호, 및 공중 트래픽 감시 해킹 저지에 적용 가능하다.

도 26은 사용자 위치의 증거를 위한 운영의 개념을 도시하고 있다. 신호 인증시에 이전의 섹션에서 SurePoint^TM 나노위성에 의해 발생된 인증 파형에 유사하게, 암호화된 확산-스펙트럼 파형 브로드캐스트가 사용자 위치 인증을 위한 기초이다. 시스템 네트워크 인프라구조는 브로드캐스트를 발생하는데 사용된 암호화키를 보호하기 위해 신뢰되는 것으로 가정된다. SurePoint^TM 나노위성의 궤도 및 클럭이 미리 캘리브레이팅되는 것으로 가정하면, 조사된 로케이션 내의 신뢰된 지상 모니터는 브로드캐스트가 적절하게 동작하는 독립적인 체크를 제공한다.

인증 서버는 나노위성 브로드캐스트를 취득하여 트래킹하기 위한 보조 정보로서 사용자 디바이스가 이용할 수 있는 파형 파라미터의 세트를 사용자에게 이용 가능하게 한다. 파형 파라미터는 각각의 나노위성에 대해 사용자 ID 체크 및 천체력 계수를 포함한다. 허가된 사용자를 위한 신뢰된 사용 경우에, 파형 파라미터는 또한 암호화된 파형 브로드캐스트의 직접 사용자 디바이스 트래킹을 가능하게 하기 위한 나노위성 브로드캐스트를 위한 트래픽 키를 포함한다. 인증 서버는 이어서 모바일 사용자 디바이스에 의해 발생된 측정 관찰량을 액세스하는 것이 가능하다.

정상적으로 동작하는 GNSS 수신기는 GNSS 위성을 뷰 내에서 트래킹하고, 사용자 위치 및 클럭 오프셋을 추정한다. 바람직한 실시예에서, GNSS 위성 타이밍 및 범위 관찰량은 위성에 대한 하나 이상의 시선을 따라 하나 이상의 암호화된 LEO 나노위성 타이밍 및 범위 관찰량과의 일관성을 위해 체크된다. 풀 사용자 위치 인증은 3개의 위치의 성분 플러스 시간을 위한 적어도 4개의 독립적인 암호화된 의사범위를 요구한다. LEO 나노위성은 특히 짧은 간격에 걸쳐 동작하는 2개의 위성을 뷰 내에 갖는, 더 적은 수의 위성을 갖는 확정 테스트를 제공한다. 요구된 인증의 레벨에 따라, 심지어 전체 지구를 서비스하는 단일의 나노위성은 값을 제공할 수 있다. 나노위성이 사용자 위치 기만을 위한 랜덤 "스팟 체크"를 수행하거나 그 검출을 위한 적은 시간 긴급이 존재하면, 더 적은 수의 위성이 요구된다. 바람직한 실시예에서, 군은 임의의 소정의 시간에서 지구 상의 모든 포인트에 걸쳐 적어도 한 쌍의 위성을 포지셔닝하도록 치수설정된다. 이러한 구성에서, 위치 기만은 대부분의 경우에 요구시에 거의 순시적으로, 또는 나머지 경우에 수십초 이내에 매우 높은 확신으로 검출될 수 있다.

신뢰의 위임이 이용된다. 사용자 디바이스의 저, 중 및 고 신뢰를 포함하는, 3개의 시나리오가 도 27a 내지 도 27c에 고려된다. 하드웨어 보안 모듈(Hardware Security Module: HSM) 및 표준 공개키 인프라구조(Public Key Infrastructure: PKI)가 인증 서버와 하나 이상의 사용자 디바이스 사이에 정보를 확산하는데 사용된다. HSM을 포함하는 사용자 디바이스는 신뢰된 시설에서 초기화된다. HSM은 암호화를 위한 비대칭 공개-개인키 쌍 및 디지털 서명을 위한 제 2 쌍을 발생한다. 공개키는 인증 서버에 제공된다. 인증 서버가 특정 사용자 디바이스에 새로운 트래픽 키(또는 정밀한 클럭 및 천체력 보조 데이터)와 같은 암호화된 정보를 보안적으로 전달할 필요가 있을 때, 이는 사용자의 디바이스의 공개 암호화키를 사용하여 정보를 암호화하고, 이어서 데이터를 사용자 디바이스에 전송한다. 사용자 디바이스 HSM은 이어서 정보를 복호화하기 위해 그 개인 암호화키를 사용한다. 사용자 디바이스는 개인키, 트래픽 키, 또는 암호가 물리적 공격을 거쳐 즉시 액세스될 수 없도록 설계된다. 유사하게, 사용자 디바이스에 의해 발생된 측정 관찰량은 HSM에 의해 디지털 서명되고, 이어서 데이터 패키지가 인증 서버에 전달된다.

도 27a에 도시된 저신뢰 사용자 디바이스 경우는 인증 서버에 재차 디지털 서명된 위치 픽스 및 원시 기저대역 측정 관찰량을 전달하고, 여기서 GNSS 및 (트래픽 키의 지식을 갖고) 나노위성 측정 관찰량이 의사범위 측정치로 변환된다. 이들 의사범위 측정치는 신호 인증시에 이전의 섹션에 제공된 RAIM 변형예와 일치하는 위치 픽스 및 RAIM 플래그로 변환된다. 위치 픽스가 인증되게 하기 위해, 나노위성 수신된 신호 파워는 적절한 포락선 내에 놓여야 하고, RAIM 체크가 패스되어야 한다. 저신뢰 사용자 디바이스 경우는 최소 보안 설비를 갖지만, 증가된 대역폭의 페널티가 존재한다.

도 27b에 도시된 중신뢰 사용자 디바이스는 적대자가 문서 위조를 위해 활용할 시스템 단위 트래픽 키를 손상시킬 것인 단일 사용자 디바이스 물품 상의 공격의 몇몇 위험이 존재하는 시나리오를 고려한다. 기저대역 FIFO는 짧은 시간 기간 동안 기저대역 샘플을 지연시키고, 트래픽 키는 팩트 후에, 즉 도 24에 도시된 고속 사이클링 임시 트래픽 키의 경우에 1초 또는 2초 후에 사용자 디바이스에 분산된다. 따라서, 인증은 1초 또는 2초만큼 지연한다. 위치 픽스 추정치는 나노위성 상관기를 위한 의사범위 및 도플러 피드포워드를 계산하기 위해 SurePoint^TM 나노위성 궤도 및 클럭 예측과 함께 사용된다. 위치 픽스가 인증되게 하기 위해, 나노위성 수신된 파워 레벨은 적절한 범위 내에 놓여야 하는데, 즉 유효한 신호 불연속이 긍정적일 것이다. 최소 대역폭 요구가 네트워크에 이루어진다.

고신뢰 사용자 디바이스 경우에 있어서, PKI는 신뢰된 디바이스 HSM에 글로벌 트래픽 키를 보안적으로 분산한다. 이 경우에, 실시간 상관기는 실시간으로 의사범위를 출력하는 상관기를 갖는 모든 GNSS 위성 및 나노위성을 포함한다. 고신뢰 사용자 디바이스 경우는 신호 인증시에 이전의 섹션으로부터 RAIM 완전성 체크를 이용하는, GNSS 및 SurePoint^TM 나노위성의 모두를 갖는 올-인-뷰(all-in-view) 포지셔닝을 수행한다. 위치 픽스가 인증되게 하기 위해, 나노위성 수신된 파워 레벨은 적절한 범위 내에 놓여야 하고, RAIM 체크는 패스해야 한다. 디지털 서명된 위치 픽스 및 RAIM 잔류물은 인증 서버로 재차 전송되어, 단지 네트워크의 최소 대역폭 요구만을 필요로 한다.

우주선 클럭의 사용자 추정

공통 지식은 위성 네비게이션이 우주선 내에 원자 클럭을 필요로 한다는 것이다. 실제로, 시스템 설계자는 크로스링크 및 다른 초안정 클럭을 포함하여, 우주선 시간을 유지하기 위한 다수의 서브시스템 옵션을 가질 수 있다. 각각은 부수적인 성능 및 비용 고려사항을 가질 것이다. 시스템 설계자가 가능한 더 저비용 대안의 선택을 가짐으로써 비용 이익을 실현할 것인 정도로, 이하의 개발은 어떻게 오븐 제어된 결정 발진기(oven-controlled crystal oscillator: OCXO)가 선택 및 이용 가능한 트레이드 공간을 개방하기 위해 정확한 캐리어-페이즈 기반 포지셔닝을 위해 이용될 수 있는지를 나타내고 있다.

공지의 궤도 내의 그러나 비캘리브레이팅된 클럭을 갖는 위성 i를 고려한다. 상기로부터, 대응 사용자 관찰식은 이하의 식이 된다.

위성 클럭 주파수는 이들의 알란 편차(Allan deviation)에 따라 이들의 안정성을 유지한다. 간단화된 선형 모델은 정의된 위성 클럭 안정성 시간 상수를 적용하고, 여기서 송신기 캐리어 페이즈는 0.5 cm와 같은 지정된 범위 공차 이내로 구속될 수 있다. 사용자 관찰식은 이어서 이하의 식이 된다.

이 정의 하에서, 위성 클럭 바이어스는 이제 b'_i로서 전달되는 사이클 모호성 바이어스로부터 구별 불가능하다.

관찰식은 이어서 상기와 같이 행렬 형태로 적층될 수 있다.

이 식의 시스템은 LEO 클럭 기울기 관찰량을 렌더링하기 위해, 다수의 시기에 걸쳐 순차적 추정기에서 구현될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 그러나, 사용자 장비가 (i) 재밍 또는 간섭을 받게 되고, 또한 (ii) 짧은 간격 동안 단지 동기 적분만을 제공할 수 있는 저비용 발진기를 이용하는 조건 하에서 LEO 위성 클럭 바이어스를 추정하는 것이 또한 바람직하다. 이 경우는 상기에서 초기에 설명된 상관 접근법 후에 더 개발된다.

단축 표기에서, Δρ' 관찰량의 벡터가 각각의 시기(k)에 대해 조합된다.

상기와 같이 간섭 하에서 위성간 검출 경우에서, 차등 연산자(Π)는 이하와 같이 관찰식의 양 측에 적용된다.

시기를 위한 최종 식의 시스템은 이어서 이하의 식에 의해 제공된다.

GPS 위성 주파수 표준의 공지된 더 큰 안정성을 합체하여, GPS 클럭은 위성 패스에 앞서 캘리브레이팅되고, 따라서 관찰식의 좌측으로 예측되어 유도된다. LEO 위성 상에서 동작하는 Π의 칼럼만을 보유하여, 이하의 수정된 관찰식을 남겨두는 새로운 차등 연산자 Π_LEO가 정의된다.

기하학 구조의 고속 각도 변화의 장점을 취하여, K 시기가 위치 오프셋, LEO 클럭 바이어스 레이트, 천정 대류권, 및 캐리어 페이즈 바이어스를 해석하기 위해 이하와 같이 적층될 수 있다.

이 식의 시스템은 최소 자승 피팅을 거쳐 해석될 수 있다. 실제로, 행렬 구성에서 적절하게 삭제될 수 있는 누락 측정치가 존재할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 순차적인 추정 및 RAIM이 이용된다.

800 km의 고도(h) 및 9 km/sec의 속도(v)를 가정한다. 목적은 지구에 대해 가능한 낮지만, 대기 항력이 관리될 수 있고(이에 의해 h를 최소화함) LEO 위성을 역행 궤도 내에서 동작하도록(이에 의해 v를 최대화함) 충분히 높게 위성을 동작함으로써 성취될 수 있는 관찰 시간 상수(h/v)를 최소화하는 것이다. 수렴을 위한 최종적인 시간 상수는 본 예에서 약 80 내지 90초이다. MEO GNSS 위성은 상당히 더 긴 시간 상수를 갖는다.

도 28은 어떻게 비캘리브레이팅된 클럭 및 고속 각도 LEO 모션의 타임 스케일이 정확한 포지셔닝에서 미지수를 해석하도록 적용될 수 있는지를 도시하고 있다. 목적은 위성 클럭 안전성의 시간 상수와 일치하도록 상기 유도된 관찰성 시간 상수를 정렬하는 것이다. 80 내지 90초의 상기 수렴 시간은 센티미터-레벨 성능을 위한 OCXO로부터 얻어질 수 있는 안정성과 정렬될 가능성이 있다. 따라서, OCXO 실행 개루프는 우주선 타이밍 기준을 제공할 수 있다. 또한, 전체 시스템은 인명 안전 용례를 위한 고정확성, 완전성, 및 재밍 저항을 여전히 제공한다.

LEO 나노위성은 2개 정도의 LEO 위성이 뷰 내에 있는 고완전성 솔루션을 가능하게 한다. 이따금씩의 위성 고장을 고려하기 위해 더 높은 가용성을 위해, 시스템 중복성은 3개의 LEO 위성이 지구 상의 임의의 로케이션을 위한 사용자의 뷰 내에 있도록 아키텍처링될 수 있다. 바람직한 실시예는 3개의 LEO 위성이 지정된 최소 상승 각도를 위해 지구 상의 임의의 로케이션에 대해 사용자의 뷰 내에 있는 것을 보장한다. 위성 고장의 경우에, 스페어는 개방 슬롯을 향해 신속하게 드리프트될 수 있다. 그 동안에, 사용자는 서비스시에 중단을 경험하지 않는다. 2개의 위성 고장이 정확히 동일한 로케이션에 걸쳐 발생하는 드문 경우에(이는 희귀한 반복 사이클을 갖는 지구 상의 작은 고유의 위치에 걸쳐 수 분으로 제한된 운전정지를 유도할 것임), 짧은 갭이 발생할 때 미리 예측함으로써 관리될 수 있다. 몇주 이내에, 스페어가 동작할 수 있다.

의사위성 구현예

도시 영역에서, 위성은 완전히 가시적이지 않을 수 있다. LEO 위성으로부터 유도된 향상된 성능은 하늘의 커버리지가 차단될 수 있는 로케이션에서도 도시 영역으로 확장될 수 있다. 본 예에서, 의사위성(의사 위성)은 포지셔닝을 수행하기 위해 그리고 최대 완전성을 위해 RAIM을 갖고 그와 같이 행하기 위해 시선 기초로 이용될 수 있다. 의사위성 내의 발진기는 프리러닝 기초로 동작하도록 설계되는데, 즉 어떠한 동기화도 요구되지 않는다. 또한, 디바이스의 고유 중간 기간 안정성에 기인하여(10초 정도), 차량은 그 위치를 해석할 수 있다. 이 경우에, 송신기는 비캘리브레이팅된 클럭을 사용하여 실행되기 때문에 저가일 수 있다. 송신기가 데이터 백홀 또는 초안정한 기준을 갖는 것은 명시적인 요구는 아니다. 바람직한 실시예는 그 네비게이션 데이터베이스 내에 저장된 발진기 안정성 사양의 지식만을 갖고 동작하는 것이 가능하다. 예를 들어, 소정의 디바이스는 (i) 10초의 간격에 걸쳐 센티미터-레벨 에러(루트 TVAR)를 지속하는 것이 가능하고, (ii) 그 클럭 속도가 특정 수의 10억분의 1만큼 구속되게 한다는 것이 알려져 있을 수 있다. 디바이스의 주파수 오프셋은 미지일 수 있고 실제로 날마다 그리고 온도 및 다른 팩터에 따라 드리프트할 수 있지만, 단기간 클럭 안전성은 비캘리브레이팅된 발진기의 경우에 대해 상기 처리에서 제공된 SurePoint^TM 나노위성에 대한 경우에서와 같이 실시예에서 활용되는 것이다.

새로운 네비게이션 처리는 따라서 이하와 같이 제공되고,

여기서, 대류권은 의사위성 링크를 위해 무시되고 지상 네트워크에 의해 위성 링크를 위해 캘리브레이팅되는 것으로 가정된다. 더욱이, GPS 및 LEO 클럭은 또한 지상 네트워크에 의해 캘리브레이팅되는 것으로 가정되어, 따라서 차등 연산자 Π_PL이 단지 의사위성을 위한 미지의 클럭 속도에 적용된다.

2개의 경우는 접근법을 도시하고 있는데, 도 29는 의사위성이 퍽 송신기 내에 매립된 거리 내에 장착되어 있는 경우를 도시하고 있고, 도 30은 의사위성이 거리 위로 상승되어 있는 경우를 도시하고 있다.

거리-레벨 접근법에서, Streetline과 같은 주차 시스템이 이제 차량의 존재를 검출할 수 있는 주차 공간 내에 매립된 퍽 센서에 기초하여 전국적으로 미리 설치되어 있다. 이들 주차퍽은 센서 출력을 서비스 데이터 프로세서로 라우팅하기 위해 애드혹 통신 네트워크를 형성하기 위한 내장형 송수신기를 포함한다. 각각의 송신기로부터의 브로드캐스트는 차량 사용을 위한 저파워 네비게이션 브로드캐스트의 도시 네트워크를 형성하기 위한 의사위성으로서 역할을 할 수 있다. 이 구현예에서, 차량 내에 통합된 무선 수신 안테나는 브로드캐스트를 수신하고, 캐리어 페이즈를 측정하고, 방사측정 범위를 수행할 수 있다. 헤딩을 포함하는 부가의 정보가 차량 상에 통합된 2개 이상의 안테나로 이용 가능하게 된다. 위성 브로드캐스트 클럭이 비캘리브레이팅되어 있는 경우에 대해 상기에 소개된 네비게이션 프로세싱 식이 직접 적용 가능하다. 의사위성 클럭이 비캘리브레이팅되지만 10초의 정도의 시간 상수 동안 센티미터 레벨로 안정하게 유지되는 것으로 가정하면, 간격은 차량이 의사위성에 대해 큰 각도로 횡단하게 하는데 충분히 길다. 차량 내의 네비게이션 프로세서는 자동차 위치 뿐만 아니라 솔루션에 사용되는 각각의 의사위성을 위한 의사위성 클럭 및 클럭 속도를 해석한다. 따라서, 의사위성의 설치를 위해 요구되는 정보만이 정확한 조사이다.

도 30의 상승된 송신기 경우에, 재차 송신기는 대규모로 용이하게 매립될 수 있는 소형의 저가의 아이템이다. 이 변형예는 또한 프리러닝 기초로 저비용으로 동작할 수 있다. 이는 태양열 파워를 사용하는 저파워 브로드캐스트를 이용할 수 있다. 설치는 단지 안정한 물체 상에 물리적으로 장착하는 것으로 이루어진다. 이는 프로브 차량을 거쳐 자체로 조사되고 모니터링될 수 있다. 그 주파수는 차량과 함께 사용을 위해 미리 계획된 DSRC V21 대역을 포함하여, 선택된 대역으로 동조될 수 있다. 특히, 단지 캐리어 성분이 네비게이션을 위해 사용되기 때문에, 의사위성 사용은 동시 데이터 변조와 호환성이 있다. 따라서, 예를 들어 5.9 GHz를 사용하는 무선 용례가 차량에 대해 미리 계획된 사용자 장비와 호환성이 있을 수 있다.

수비 및 지능 용례

GPS는 그 듀얼 사용 속성을 위한 범례이고, 서로 이익을 주기 위해 국가 보안 및 민간-상업용 기능을 인에이블링한다. 이하의 섹션에서는, 이하를 포함하는 듀얼 사용 및 수비 및 지능에 관한 다른 실시예가 설명된다:

1. 전술된 민간 및 상업용 PNT 실시예를 수비 및 지능에 재적용하는 것;

2. 수비 및 지능을 위해 구체적으로 새로운 PNT 실시예를 맞춤화하는 것;

3. 수비 및 지능을 위한 새로운 PNT-인에이블링된 실시예를 기술하는 것;

4. 민간-상업용 사용 및 수비 및 지능의 모두를 이익을 주기 위해 비용 절약을 위한 새로운 실시예를 개시하는 것.

군사적 교란방지 및 높은 가용성

군사적 용도를 위해, 본 발명은 고 마스크 각도 가시성, 서브-데시미터 정확도의 급속 취득 및 생명 안전 무결성, 개선된 강인성 및 낮은 반복 비용의 연속적 지역 고 파워를 포함하는 전례없는 새로운 성능에 대한 기능을 제공한다. GPS는 방대하게 미국에서 발달해있다. 그럼에도 불구하고, 새로운 성능은 GPS 군, 개선된 신호 보안성, 군의 개선된 강인성, 최초 정착까지의 시간 감축, 개선된 정확도, 개선된 계곡 및 도시 계곡 성능 및 교란장치 민감성 감소를 포함하는 부문적 GPS 개선 수요를 해결할 수 있다.

도 31은 물리적 시스템 아키텍처를 도시한다. 저 지구 궤도(LEO)에서의 적어도 100개 저비용 위성(가능하게는 나노위성, 즉, <10 kg)이 GPS에 대한 글로벌 오버레이를 형성한다. 나노위성 사이에서의 통합된 거리설정 및 통신은 GPS 및 나노위성 양자 모두에 대한 약점에 대항한 새로운 시스템-레벨 복원성을 제공하는 새로운 네트워크를 생성한다. 주된 중점은 교란 방지 보호 및 실내 투과력에 대한 높은 능력과 산악 및 도시 계곡 환경에 대한 고 상승 각도 가용성이다. 교란 방지 및 새로운 실내 기능성은 규정된 지역 작동 영역(AoO) 내에서 현저히 증가된 파워 레벨에서 지속 원 브로드캐스트 파워를 제공함으로써 달성된다. 높은 가용성은 저 정밀 정밀도 희석(PDOP)을 유지하도록 군을 크기설정함으로써 달성된다. 이런 PDOP는 고 상승 마스크 각도 임계치, 예컨대, 45도 이상을 초과하여 유지된다. 군 내의 모든 위성이 도면에 도시되어 있지는 않으며-AoO에 걸친 것들만이 도시되어 있다.

LEO 위성은 이들이 지구의 다양한 지역, 예컨대, AoO 위를 통과할 때 그 브로드캐스트 파워가 스위칭 온 및 오프될 수 있도록 충분히 낮은 고도에서 동작한다. 소개구, 나디르-페이스 위상 어레이는 AoO를 정밀하게 조명하기 위해 브로드캐스트 비임을 위한 기민한 조종을 제공한다. 저 고도로부터의 이런 파워 변조 및 조종을 조합함으로써, 간단한 하드웨어가 피조명 지역 경계의 섬세한 제어를 유지할 수 있다. 변형된 GPS 위성 상의 고 이득 안테나로부터의 지속 동작 스팟 비임 브로드캐스트에 중점을 두는 대신, 시스템은 온보드 배터리 기능 및 고파워, 잠재적으로, 위성당 1 킬로와트 r.f. 이상으로 단지 수 분의 짧은 간격에 걸쳐 동작하는 광폭 대역갭 파워 증폭기, 예컨대, 갈륨 니트라이드(GaN)를 사용한다. 궤도 사이클은 AoO 통과 사이에서 약 12 시간의 정확한 궤도 및 클록 추산을 제공한다. 동일한 간격에 걸쳐, 태양 전지가 배터리를 충전한다. 위성이 AoO에 도달할 때, GaN 파워 증폭기는 충전된 배터리로부터 그 에너지를 도출하여 고파워 GPS-호환성 타이밍 및 거리설정 비임을 브로드캐스트한다. 통과는 단지 수분 지속되며, 그 동안, 파워 증폭기로부터의 폐열은 열 커패시터에 축적된다. 후속 12 시간 회복(상술한 선행 12 시간 캘리브레이션 및 충전 간격과 겹침)에 걸쳐, 폐열이 소산된다.

시스템은 위성이 미소 체적, 질량 및 비용으로 대량으로 더 쉽게 제조될 수 있도록 시스템은 전자장치, 파워, 열 및 구조 요소의 깊은 통합을 이용한다. 또한, 전체 군 질량을 최소화함으로써, 발진 비용도 감소될 수 있다.

도 32는 동작 개념을 도시한다. 위성 디자인은 잠재적으로 서브-데시미터 정확도를 위해 완전한 성능을 획득하도록 LEO 궤도 및 네트워크 아키텍처를 여전히 활용하면서 부품 비용을 최소화하도록 안정성이 최적화된 발진기의 사용을 지원한다. 지구는 전통적으로 두 개의 지역으로 분할되며, 이 두 개의 지역은 준-적대적 및 완전 적대적이다. 위성 궤도 및 클록은 적대적 영토로의 전이를 위한 준비시 연합(준-적대적) 영토 위에서 캘리브레이션된다. 연합 영토에서, 시스템에 대한 공격은 지원 GPS 다운링크, LEO 다운링크, 크로스링크 및 피더링크를 사용한 추산을 단지 부분적으로만 열화시키는 것으로 가정된다. 위성이 연합 영토 위를 비행할 때, 시스템은 모든 연합 장소에서의 모든 시간 내내는 아니지만, 일부 장소에 있는 시간 모두 또는 모든 장소에서의 시간 중 일부 지원 링크의 교란을 허용하는 탄력적 네트워크를 형성한다. 그러나, 적 영토 위에서, 위성 지원 링크는 완전 비동작 상태가 되는 것으로 가정된다. LEO 다운링크는 이때 사용자 장비에 대한 적대적 교란의 무력 압도를 위해 크기설정된다.

고파워 송신 신호는 GPS 대역 내에 있을 수 있거나 신호는 적대적 교란을 추가로 회피하기 위해 대역 밖에서 브로드캐스트될 수 있다. 대역내 선택은 소프트웨어 변경을 통해 기존 GPS 사용자 장비와 호환성이 있도록 설계된다.

시스템 아키텍처는 그 물리적 디자인에 의한 비용 감소를 제공하여 시스템- 및 위성-레벨 단순성의 부문적 개선과, 그에 따른 비용의 개선을 제공한다. 두 번째로, 비용 감소는 프록시로서 궤도상 군 질량에 관련하여 추가로 나타날 수 있으며, 그 이유는 발진 비용이 두드러지는 경향이 있기 때문이다. 결과는 현저히 낮은 비용으로 고 상승 각도에서 지속적 브로드캐스트 파워의 현저한 지역적 증가이다.

동작 구성은 이들이 GPS와 함께 사용될 수 있는 방식에 관하여 매우 유연할 수 있다. 예로서, 더 큰 크기의 다중 AoO가 군 파워 자원 제약을 받으면서 기민성 기반으로 더 높은 파워의 신호로 선택적으로 조명될 수 있다. LEO 고도는 브로드캐스트이 AoO 경계의 가장자리에 정확하게 합치되게 할 수 있어서 파워 소비 및 부차적 간섭을 추가로 최소화한다.

시스템 아키텍처의 핵심 속성은 그 열 제어 서브시스템의 단순성이다. 신뢰성있는 저비용 고파워 위성을 설계 및 축조하는 데 가장 큰 논점 중 하나는 페이로드 파워 증폭기의 열적 관리이며, 페이로드 파워 증폭기는 각각 낮은 듀티 사이클에서 수백 와트를 초과하는 r.f. 파워를 발생한다. 단지 수분의 가동 시간에, 이들은 현저한 폐열을 생성하며, 이 폐열은 다음 12 시간 반복 사이클에 걸쳐 소산될 필요가 있다. 예시적 150 W 파워 증폭기가 도시되어 있다. 도 33은 그 작은 물리적 크기를 강조하고 있다. 양호한 실시예는 상 변화 재료(PCM)를 사용한다.

PCM은 높은 융해 열을 가지며, 결과적으로, 이들은 온도를 일정하게 유지하면서 용융 동안 상당한 에너지를 흡수할 수 있다. PCM은 간단하고 저비용인 솔루션이다. PCM이 열 에너지를 흡수할 때, 온도는 그 용융점까지 상승하기 시작한다. PCM에서 용융이 시작되고 나면, 온도는 상 변화 동안 일정하게 유지된다. 이는 열원으로부터의 열 에너지가 고체로부터 액체로 또는 그 반대로의 재료의 상의 변화를 위해 사용되기 때문에 발생한다. PCM의 선택 및 크기설정은 파워 증폭기에 의해 생성되는 열 에너지의 양과 원하는 온도에 의존한다. 도 33은 PCM이 폐열을 포획하고 그후 느리게 이를 시간을 두고 소산시키는 방식에 대한 접근법을 예시한다.

도 34는 PCM과 우주선 사이의 열 제어 계면 표면을 포함하는, 우주선의 잔여부에 통합된 파워 증폭기를 위한 장착 지점을 도시한다. 융해 열 및 용융점은 20℃-예시적 150W 파워 증폭기를 위한 효율적 동작 온도-에 근접해지는 것을 목표로한다. 매력적 열적 특성을 갖는 PCM은 752 kj/kg의 높은 융해 열과 28℃의 용융점을 갖는 포스포늄 클로라이드이다[참조문헌 13].

마이크로스트립 패치 안테나 요소를 위한 방사 요소와 접지 평면을 분리시키기 위한 유전성 구조를 필요로 하는 L-대역 안테나 페이스를 위해 특수 재료가 선택된다. 양호한 실시예에서, 적외선에 광학적으로 투명한 재료, 예컨대, 아연 셀레나이드가 사용된다. 다른 전략은 높은 열 전도도를 갖는 유전체, 예컨대, 알루미늄 니트라이드를 선택하는 것을 포함한다.

우주선 개념 설계가 도 35에 도시되어 있다. 양호한 실시예에서, 우주선 아키텍처는 본질적으로 평탄하고, 단순성을 위해 깊게 통합된다. 마이크로스트립 패치 안테나 어레이가 일 측 상에서 나디르를 향해 배향되고, 평탄한 솔라 어레이는 반대 방향을 향하며, 대량의 배터리 및 열적 상 변화 재료가 그 사이에 개재된다. 벌크 재료의 양은 위성의 원하는 파워 출력에 비례한다.

우주선 크기 및 군 아키텍처가 결합된다. 궤도 고도 및 위성간 간격은 페이로드, 크로스링크 및 피더링크 안테나 개구 영역과 솔라 파워 생성을 위한 회복 시간 및 지구 이클립스 시간에 맞춰진다.

태양을 향한 우주선 배향은 최대 파워, 파워-열 사이의 최적화 및 페이로드 관련 기능을 제공하기 위한 회복 주기 동안 변한다. 한편, 태양/반-태양 배향은 열 방사기를 지구로부터 이격 방향으로 각지게 하고, 깊은 우주의 반-태양 저온 열 방사 배경과 가용 솔라 파워를 활용한다. 다른 한편, 페이로드 위상 어레이는 물리적 및/또는 전기적으로 GPS 위성을 향해 배향되어 CRPA로서 수신 모드에서 작용함으로써 궤도 및 클록 캘리브레이션 동안 위성의 교란의 영향을 최소화한다.

도 36은 공중 및 상업적 용례를 위해 이전에 개발된 바와 같은 군사적 신속 취득 정확성 및 무결성을 위한 동작 개념을 도시한다. 방어 구성을 위한 고-파워 출력은 센티미터-수준 정확도 및 높은 무결성(10^-7 무결성 리스크에서 1 m 경보 한계)의 LEO-기반 급속 취득에 동시적 추가적 교란방지를 제공한다. 시스템 아키텍처는 추가로 초-긴밀 결합 관성 보조 및 결맞음 교란방지, CRAP 교란방지, 기회의 신호를 보완하며, 기존 타격 용도 경우와 조화된다.

이미터 국지화

도 37은 동작의 이미터 지오로케이션(geolocation) 개념을 도시한다. 중앙에서, 다수의 이미터(의도적 교란장치 및/또는 다른 간섭원)가 위치확인을 교란한다. SurePoint™ 위성 나디르 안테나는 이미터 국지화 동작 센터의 중앙 서버로 지구 터미널을 거쳐 광대역 샘플을 다운링크한다. 위성 궤도 및 클록 솔루션은 샘플의 센티미터-수준 위치 및 시간 정합을 가능하게 한다. 중앙 서버의 프로세서는 샘플을 교차상관시키고 도달 시간 편차(TDOA) 처리를 사용하여 이미터 위치의 실시간 추산치를 생성한다.

도 38은 이미터 지오로케이션 구성 형태의 물리적 모습을 도시한다. 본 예에서, 세 개의 SurePoint™ 위성-각각 급속 각도 운동의 추가적 이득을 동반하여 샘플을 수집-이 동시적으로 다수의 이미터를 감지한다.

우주 및 지상-기반 측정이 조합될 때, 추가적 감도가 가능하다. 도 37에 도시된 바와 같이, 정확하게 평가된 라디오 스테이션 센서가 이 솔루션에 통합될 수 있다. 샘플 및 그 정확한 시간 정합은 동작 스테이션으로 전송된다. GPS가 비가용상태인 경우, SurePoint™ 피드백링크가 또한 GPS 대역 외부에 있을 때 시간 정합을 위해 사용될 수 있다.

양호한 실시예에서, 이미터 국지화 기능은 중요한 상보적 또는 독립적 기능이다. 이전 부분에서 상술한 바와 같이, 강인한 PNT 기능은 중단되지 않은 동작을 보증하도록 20 dB만큼 많이 실시간으로 간섭을 격퇴한다. 한편, 이미터 국지화 기능은 기관이 간섭 근원을 신속히 국지화 및 제거할 수 있게 한다.

우주는 방해받지 않는 시선과 우수한 형태의 최적의 유리한 지점을 제공한다. 또한, 큰 각도의 LEO 위성 운동에 걸쳐 이미터를 추적하는 것은 특수한 장점을 가능하게 한다. 협대역 이미터에 대하여, 사이클 모호성은 실제 근원 위치로서 가장하는 이미지 솔루션을 생성할 수 있다. LEO 급속 각도 운동은 이러한 모호성 해석에 상당한 레버리지를 제공한다. LEO 급속 각도 형태는 진정하게 임의의 이미터 파형을 추적할 수 있게 한다.

무선 엄폐

시선으로서 LEO 위성 상에서 GPS를 트래킹하는 것은 대기권을 엄폐하고 전리층이 날씨에 대해 비가치있는 도구가 된다. 예는 GPS/MET, COSMIC, 및 PlanetIQ이다. 종래 기술에서, GPS 위성 송신기로부터 LEO 수신기까지의 시선은 페이즈 프로파일 측정 밀도를 생성하기 위해 지구의 대기권 내로 깊이 커팅된다. 듀얼 주파수 측정은 전리층 성분이 분리될 수 있게 하여, 단지 대기권 굴절만을 밀도의 지시기로서 남겨둔다.

불행하게도, 밀도는 온도, 압력, 및 수증기의 조합이어서, 이들의 개별 분포가 완전히 분석될 수 없게 된다. 도 39에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서 새로운 관찰량이 인접한 SurePoint^TM 위성들 사이에 전송 및 수신하고 K 대역 크로스링크를 활용함으로써 이용 가능해진다.

18 내지 26.5 GHz의 K 대역이 수증기에 의해 특히 흡수된다. H₂O 공진 피크는 22.24 GHz이다. 도 40은 K 대역에서 수증기 흡수 라인을 도시하고 있다[참조 문헌 14]. K 대역 및 L 대역 수신 진폭을 비교함으로써, 수증기 성분이 직접 추정될 수 있다.

포괄적 동작 데이터를 구성하기 위해, SurePoint^TM 나노위성을 포함하여, LEO 수신기는 보충 엄폐를 제공하도록 여전히 GPS를 이용할 수 있다. 더욱이, GPS는 SurePoint^TM 나노위성의 시간 및 공간 등록에 계속 기여할 수 있다.

나노위성은 이들이 지역을 횡단함에 따라 다수의 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 인접한 나노위성에 의한 엄폐 이벤트 중에, 전송 나노위성은 또한 도 39에 도시된 바와 같이 지상 지역에 걸쳐 브로드캐스팅될 수 있다. 일반적으로, SurePoint^TM 나노위성은 이하의 섹션에서 더 설명되는 바와 같이, 다수의 시스템-레벨 기능을 취하도록 궤도 페이즈에 의해 역할을 스위칭할 수 있다.

글로벌 및 지역적 기민성

시스템 레벨에서, SurePoint^TM 나노위성의 군은 다수의 글로벌 기능을 동시에 취급할 수 있는 기민한 아키텍처를 제공한다. 다양한 동작 기능이 지구 상에서 어디에서 소정의 위성이 이동하는지의 함수로서 다수의 역할을 취하도록 궤도 페이즈에 의해 스위칭 온 및 오프될 수 있다. 도 41은 물리적 네트워크의 표현의 시간 진화를 도시하고 있다. 각각의 SurePoint^TM 위성은 초기 시기에 실선 도트 및 이후의 짧은 후속 시간에 비어 있는 도트에 의해 지시되어 있다. 지구는 적어도 3개의 개별 동작이 동시에 발생하고 있는 지역으로 분할된다. 좌상부에서, 군사 동작이 진행중이다. 하부 중심에서, 민간 및 상업용 사용자가 브로드캐스트를 사용한다. 그리고, 우측에서, 시스템은 간섭을 지오로케이팅하는데 사용된다.

도 42는 초기 시간에 네트워크의 물리적 표현을 도시하고 있다. SurePoint^TM 나노위성 전이 라인 및 후속의 위치는 명료화를 위해 도시되어 있지 않다. 군사 동작 영역에서, 크로스링크 및 피더링크는 재밍되는 것으로 가정되어, 따라서 도시된 지역적 SurePoint^TM 나노위성은 이들의 프리-러닝 클럭(free-running clock)에 기초하여 독립적으로 브로드캐스팅된다. 민간 및 상업용 경우에, 크로스링크는 위치 및 시간 기준을 제공한다. 크로스링크는 또한, 단지 PNT 나노위성 송신기가 동작하지 않는 민간 및 상업용 동작 지역 외부에서 수신될 수 있는 GPS 위성에 대해서만, GPS로 추적된다. 무선 엄폐 이벤트를 위한 조화된 K 대역 크로스링크의 경우가 또한 도시되어 있다. 간섭 국지화 경우에, 크로스링크는 이제 수신 전용 모드에서 동작하는 위성의 위치 및 시간 등록을 위해 재차 사용된다. 위치 및 시간 등록을 위해 사용되는 GPS의 예가 또한 도시되어 있어, 지상 소스로부터 나오는 간섭이 우주선 광대역 수신 기능을 과장하지 않을 가능성을 강조한다. 고속 피더링크 다운이 실시간 간섭 국지화를 위해 이용된다.

도 43은 SurePoint^TM 나노위성이 초기 시간에 이전의 도면 이래로 모두 이동되어 있는, 후속 시간에 네트워크의 물리적 표현을 도시하고 있다. 동일한 기능이 각각의 지역 내에서 위성에 의해 수행되고 있다. 그러나, 키포인트는 각각의 기능을 담당하는 실제 위성이 상이하고 시간 경과에 따라 신속하게 변화한다.

도 44는 다수의 위성을 위한 동작 타임라인을 도시하고 있다. 적색 간격은 위성 타이밍 및 범위 브로드캐스트가 인에이블링될 때, 통상적으로 위성 푸트프린트가 사용자와 교차할 때, 스케쥴링 시간을 지시하고 있다. 실제로, 선택된 육지 덩어리(land mass) 및/또는 사용자 국가가 동작을 위해 설계될 것이고, 이에 의해 위성 궤도의 함수로서 타임라인을 규정한다. 대부분의 해안 사용자 동작은 육지에 근접하여 수행되기 때문에, 이들 사용자는 또한 용이하게 커버될 수 있다. 청색 간격은 그 동안에 송신기가 파워 오프되어, 천정 및/또는 나디르 안테나에 결합된 온보드 수신기를 인에이블링하는 시간을 지시하고 있다. 청색 간격은 또한, 온보드 송신기는 동일한 대역 상에서의 동시 수신을 더 이상 배제하지 않기 때문에(적어도 원리적으로, 전자 기기는 동시 수신 및 전송을 위해 설계될 수 있지만), 궤도 결정을 위한 천정 GNSS 수신기 측정 수집에 대응한다. 동일한 기준에 의해, 이미터 지오로케이션은 위성 클럭 등록이 타이밍 기준으로서 백홀을 사용하여 수행되는 경우를 포함하여, 청색 간격에서 발생할 수 있다. 진홍색 지역은 2 내지 20 ms의 기간을 가져, 동시 수신 및 전송 기능을 효과적으로 제공하는 수신과 전송 사이에서 고속 사이클링을 도시하고 있다. 사용자 장비가 이러한 듀티 사이클을 갖는 타이밍 및 범위 신호를 지원하는 한, 동시 포지셔닝 및 이미터 지오로케이션이 가능하다.

녹색 바아는 그 동안에 소정의 쌍의 위성이 크로스링크를 거쳐 서로 접촉하고 있는 시간을 지시하고 있다. 크로스링크 시선은 상승되어 수평선 위로 설정되는 경향이 있을 것이어서, 무선 엄폐가 각각의 간격의 시작 및 종료시에 발생하게 된다. 위성이 전송하고 수신하는 것에 대한 분별이 존재하는 정도로, 도면은 어떻게 지역을 걸쳐 미리 브로드캐스팅되는 임의의 위성이 무선 엄폐를 위해 동시에 사용될 수 있는지를 도시하고 있다.

분산형 어퍼쳐

위성의 안테나의 시간 및 공간이 파장의 작은 분율의 정확성에 공지되어 있는 정도로, 시스템은 더 큰 PNT-인에이블링된 목적으로 위성의 그룹이 동기 조화하여 동작하게 한다. 도 45는 지역적 사용을 위해 적합된 예시적인 구성을 도시하고 있다. 대략 3,000개의 자유 비행 어퍼쳐 요소가 대지동기 고도 근처의 궤도 내에서 전개된다. 병진 제어는 그 단축이 나디르 벡터와 정렬되고 그 장축이 원형 분포를 형성하는, 타원체형 가우스 프로파일로 요소의 밀도를 유지한다. 원의 반경은 가변 크기를 취하도록 명령될 수 있어, 수 킬로미터 내지 수백 킬로미터에 걸친다. 각각의 요소의 페이징은 송신기로서 또는 수신기로서 제어되어, 하나 이상의 스팟 빔을 생성한다.

본 명세서에 설명된 일반적인 실시예에서, 분산형 어퍼쳐는 무한대로 포커싱되지 않고, 오히려 지구의 표면에 또는 근처에 있다. 안테나의 프레넬 거리 파라미터(F)는 이하와 같이 정의되고,

여기서, D는 직경과 같은 안테나 어퍼쳐의 특성 크기이고, λ는 파장이다. 프레넬 영역(방사성 근접장)이 규정되는데 여기서 F는 1 이상의 정도이다. 따라서, 전형적인 동작 파라미터값에 대해, 우주 분산형 어퍼쳐 안테나는 프레넬 영역에서 동작하는 경향이 있다.

도 46은 더 많은 수의 요소를 갖는 더 낮은 고도에서 글로벌 사용을 위해 도시된 분산형 어퍼쳐의 버전을 도시하고 있다. 도시된 용례에서, 다수의 궤도 요소로부터의 동기화된 전송은 GPS 신호 브로드캐스트를 에뮬레이팅하도록 함께 풀링된다(pool). 궤도 분산형 어퍼쳐는 다수의 GPS형 신호를 동시에 합성한다. 군사 장점은 브로드캐스트의 소스가 확산되고 공격에 탄력적이기 때문에 확립된다. 더욱이, 증가된 파워는 GPS 재밍에 대해 향상된 가용성을 위해 사용자에 포커싱될 수 있다.

그러나 프레넬 영역 내에서 동작하는 수렴하는 오목형 파면은 고유적이다. 그럼에도 불구하고, 신호는 이하와 같이, 기존의 GPS 수신기와 호환 가능하도록 설계된다.

진폭(A) 및 파수(k=2π/λ)를 갖는 초점으로부터 나오는 아웃바운드 구형파를 발생하는 지정된 초점(r₀)에서 동작하는 가상의 송신기를 가정한다. 그 공지된 위치(r_i)에서 분산형 어퍼쳐 내에서, 모든 어퍼쳐 요소(i)의 안테나 포인트(P_i)에서 최종적인 가설 신호의 예측된 수신된 진폭 및 복소 위상(U_outbound)을 명시적으로 계산하는 것이 가능하다.

역 파 함수(U_inbound)가 반대 방향에서 전파하도록 규정된다. 각각의 어퍼쳐 요소에서의 파 값은 이어서 초점을 향해 전파하는 이러한 파를 위해 부합되어야 하는 경계 조건을 규정한다.

데카르트 공간(x) 전체를 통해 파(φ)의 물리적으로 실현 가능한 모델을 생성하기 위해, 각각의 송신기 요소는 이하와 같이 인바운드 파 경계 조건과 일치하는 발신 구형 파면을 발생하도록 명령될 수 있다.

모든 어퍼쳐 요소로부터 분포를 수집하여, 최종 파는 이어서 이하와 같이 제공된다.

호이헨스-프레넬(Huygens-Fresnel) 원리에 의해, 송신기의 수가 증가함에 따라, 수집 브로드캐스트 파면은 초점을 향해 전파하는 인바운드 구형 파면의 것에 접근한다. 초점은 조명될 동작 영역의 크기 및 위치에 기초하여 선택된다. 다수의 AoA가 또한 동시에 이용될 수 있다. 신호를 수신하는 사용자 장비는 초점이 가상 위상으로서 새로운 역할을 취하는 것을 제외하고는, 착신 신호를 트래킹하는 것이 가능하다.

도 47은 격자 로브가 30 dB의 레벨로 억제되어 있는 프레넬 영역에서 초점을 갖는 대지동기 고도 부근에서 랜덤하게 동작하는 분산된 3,000개의 요소를 갖는 지역적 분산형 어퍼쳐로부터 얻어진 패턴의 예를 도시하고 있다.

도 48은 더 대형의 분산형 어퍼쳐 시스템을 형성하기 위해 다른 어퍼쳐 요소와 연결하는 자급형 자유 비행 어퍼쳐 요소를 도시하고 있다. 우주선 디자인은 고파워 PNT 나노위성을 위해 전술된 것의 변형예이다. 바람직한 실시예의 폼팩터는, 그 어퍼쳐 직경이 다수의 동시 빔이 지원될 것인 지구 상에서 표면 영역과 일치하도록 치수 설정되는 편평한 디스크이다. 도면에서, 마이크로스트립 패치 안테나의 어레이는 단일 우주선을 위한 위상 어레이가 최소 유출을 갖고 지구를 조명하는 것을 가능하게 한다. 좁은 스팟 빔은 이어서 조화하여 동기식으로 작용하는 완전 분산형 어레이에 의해 형성될 것이다. 트래픽 안테나는 일반적으로 수비 및 지능 미션의 범위를 지원하기 위해 광대역이지만, 미션의 주 목적이 GPS 군사 대역에 관한 것이면, 안테나는 GPS L1 및 L2를 지원하도록 구체적으로 설계된다.

짧은 기계적 스탠드오프의 세트는 디스크가 런칭을 위해 적층되고 낮은 상대 에너지를 갖고 전개되는 것을 가능하게 한다. 매립된 반작용 휠은 3축 자세 제어를 가능하게 한다. 각각의 면 상의 태양열 전지는, 트래픽 안테나로부터 대향측 상의 전지의 대부분과 함께, 파워를 제공한다. 가능한 정도로, 포인팅 전략은 이하에 더 상세히 설명되는 태양열 세일링 제어 특권을 받게 되는, 트래픽 면을 대부분 지구를 향해 그리고 태양열 패널면을 대부분 태양을 향해 포인팅하는 것이다.

각각의 면 상에 또한 매립된 위상 배열 크로스링크 안테나는 고대역폭 통신 뿐만 아니라 상대 위치 및 자세 지식을 가능하게 한다. 태양, 지구, 및 별 이미저는 자세 추정의 2차 수단을 제공한다. 각도 모멘텀 태양열 압력 토크 트림 탭은 각도 모멘텀을 관리하는데 사용될 수 있는 비대칭성을 생성한다. 디스크의 주계 주위로 연장하는 전류 루프는 또한 잔류 자기장이 모멘텀 관리를 위해 사용되는 것을 가능하게 한다.

도 49는 어떻게 모멘텀이 간단한 고신뢰성 접근법에 의해 그리고 소모품 없이 관리되는지를 도시하고 있다. 우주선 자체는 거의 대칭이 되도록 설계되어, 이에 의해 혼란 토크를 최소화한다. 태양열 압력 토크는 원하는 모멘텀 제어를 성취하기 위해 태양 라인 둘레의 다양한 클럭 각도에서 태양열 압력 트림 탭을 배향하도록 반작용 휠을 사용함으로써 변조된다. 우주선 본체의 주계 주위로 연장하는 전류 루프는 또한 지구의 자기장과 함께 모멘텀 제어를 위해 사용될 수 있는 자기 모멘트를 생성한다. 태양 라인 둘레의 제어 가능한 "핀휠" 토크를 생성하기 위해, 폼팩터를 보존하기 위해 또한 디스크 표면 상에 편평하게 놓이게 되는 능동 디바이스가 또한 이용될 수도 있다. 후보자는 저프로파일 톱니형 표면 상에 장착된 액정 및 디지털 마이크로미러 디바이스(Digital Micromirror Device: DMD)를 포함한다. 집합적으로, 다양한 접근법이 모든 3개의 축에 대한 모멘텀 제어를 제공한다.

도 50은 어떻게 태양열 세일링이 자유 비행 어퍼쳐 요소의 클러스터를 위한 모든 3개의 정도의 상대 병진 제어를 제공할 수 있는지를 도시하고 있다. 간단화를 위해, 클러스터의 중심의 위치는 제어되지 않는 것으로 가정된다. 베이스라인 배향은 태양 라인에 대해 디스크의 디폴트 각도를 설정하고, 이어서 태양 라인 둘레에서 디스크를 회전시키는 것으로 이루어진다. 모든 요소가 동일한 베이스라인 구성을 채택하면, 클러스터를 가로지르는 인라인 또는 직교 합력이 존재하지 않는다. 디스크의 각도가 태양 라인 둘레의 디스크의 회전을 변경하지 않고 변경되면, 클러스터 중심에 대한 인라인 힘은 얼마나 많이 태양 라인을 따른 디스크의 단면이 증가되거나 감소되는지에 따라 변조된다. 직교 힘 제어를 위해, 태양 라인 둘레의 회전은 원하는 클럭 각도에서 일시정지 또는 감속된다. 그 클럭 각도에서 유효 체류 시간이 설정된다. 직교 힘 성분은 체류의 듀티 사이클에 비례한다. 그 방향은 체류의 클럭 각도와 정렬한다.

글로벌 군을 위한 목적 구성은 랜덤한 균등하게 이격된 분포이다. 지역적 클러스터를 위한 목적 구성은 전술된 타원체형 확률 분포이다. 오일러-힐 식은 중심이 되도록 가정된 공칭 궤도 둘레의 위성의 편위에 대한, 또는 다른 위성에 대한 동적 모델이다. 크로스링크 범위를 위해 상기와 동일한 관찰식을 적용하면, 관찰식은 이하와 같고,

여기서, 각각의 관찰량은 위성 i로부터 j로 제공되고, 여기서 재차 크로스링크는 향상된 관찰성을 위해 2방향 모드로 동작하는 것으로 가정된다.

오일러-힐 식이 또한 임의로 명령된 클러스터 분포를 디폴트로 지원하지 않고, 랜덤한 것으로 방치한다. 따라서, 비정적 명령된 기준 궤도가 군을 위해 선택되고, 최적의 제어 법칙이 기준을 향해 어퍼쳐 요소를 계속 스티어링한다. 최종 결과는 랜덤 타원체형 가우스 구성에 적어도 근접하는 분포이다. 위치유지는 페이로드, 파워, 및 열적 동작 제약에 부합하도록 우주선 자세를 적절하게 유지하고 각도 모멘텀을 바운딩하는 것을 받아 수행된다.

도 51은 어떻게 분산형 어퍼쳐가 런칭되고 전개될 수 있는지를 도시하고 있다. 디스크형 어퍼쳐 요소는 상위 스테이지 삽입 차량 상에 적층된다. 각각의 우주선 디스크는 그 PCB 기반 구조체 내에 매립된 내장형 스탠드오프에 의해 분리된다. 스탠드오프는 장력 하에서 종방향으로 클램프되고, 종방향 부하 및 측방향 진동을 수용하도록 설계된다. 런칭 차량은 조립체를 LEO 또는 타원형 전달 궤도 내로 삽입한다. 거기로부터, 높은 비추력 스러스터가 상위 스테이지를 동작 궤도 내로 상승시킨다. 클램프 해제시에, 개별 어퍼쳐 요소는 자유 비행으로 전이한다. 이들 요소는 도 51에 도시된 바와 같이, 스탠드오프에 매립된 분리 스프링에 의해 상위 스테이지 및 서로로부터 이격하여 압박된다.

상위 스테이지 미션은 그 시점에 완료될 수 있다. 대안적으로, 상위 스테이지는 중앙집중형 피더링크 및 빔성형 기능성을 분산형 어퍼쳐에 제공하기 위해 통신 허브로서 기능하도록 설계될 수 있다. 궤도 부스러기가 관심현안인 정도로, 상위 스테이지는 또한 어퍼쳐 요소가 미션의 종료시에 사용되게 하기 위해 검색 시스템을 갖출 수 있다. 검색 프로세스는 어퍼쳐 요소의 반협동적 조작을 사용하여 간단화될 수 있다. 생존 우주선은 미리 순서대로 정렬되도록 명령될 수 있어, 상위 스테이지가 이어서 간단화된 조작을 사용하여 이들을 검색할 수 있게 된다.

스케일을 위해, 도 51은 우주 분산 버전을 위한 대표적인 등가의 지상 어퍼쳐 영역을 도시하고 있다. 본 예에서, 전개된 표면 영역은 딥 스페이스 네트워크 34 m 직경 접시 안테나와 일치하지만, 지상 용례를 위한 프레넬 영역에서 동작하도록 또한 포커싱될 수 있는 광대하게 더 높은 분해능을 갖는다.

도 52는 어떻게 페이로드 반도체 모듈이 범용 용례 및 비용 절감을 위해 편성되는지를 도시하고 있다. 통합형 송수신(T/R) 모듈은 GaN 및 내장형 저노이즈 증폭기와 같은 광대역 갭 기술에 기초하는 고파워 증폭기를 포함한다. T/R 모듈은 능동 안테나 요소 모듈을 형성하기 위해 상향/하향 컨버터 및 아날로그 대 디지털 및 디지털 대 아날로그 컨버터와 또한 통합된다. MMIC를 사용하여 엄격하게 통합된 이러한 모듈은 디지털 기저대역 데이터를 발생하여 수락하도록 우주선 상의 각각의 단일 안테나 요소를 인에이블링하는 기본 빌딩 블록을 형성한다.

각각의 우주선은 크로스링크를 거쳐 접속된 디지털 네트워크 내에서 노드가 된다. 각각의 노드 내의 라우터는 어드레스된 상태로 데이터 패킷을 이동시킨다. 바람직한 실시예에서, 통상의 인터넷 프로토콜이 TCP/IP 또는 UDP와 같은 전송층을 위해 이용된다.

도 53은 우주선-레벨 디지털 라우팅 및 어떻게 다수의 능동 안테나 요소가 트래픽 및 백홀 링크를 포함하도록 배열 어레이를 형성하기 위해 디지털 인터페이스와 각각의 우주선 상에서 통합되는지를 도시하고 있다. 이와 관련하여, 백홀 링크는 크로스링크 및 (적용 가능할 때) 피더링크를 포함하도록 기호 논리적 통신을 제공하는 것으로서 정의된다. 각각의 링크에 대해, 우주선-레벨 디지털 빔성형기가 존재한다. 각각의 안테나로부터의 착신 기저대역 신호는 최종 출력에 조합된다. 발신 기저대역 신호는 적절한 안테나 요소에 지향된다. PNT-인에이블링된 빔성형 콘트롤러는 파장의 작은 분율에 정확한 위치 및 레버 아암의 지식으로 동작한다. 콘트롤러는 순시적 우주선 정밀 위치, 자세, 및 라인 캘리브레이션 파라미터의 지식에 기초하여, 빔성형 행렬 요소 지연 및 가중치를 계산한다. 일반적으로, 하나 이상의 빔은 동시에 지원될 수 있다. 각각의 빔을 위한 연계된 모뎀과의 크로스링크는 디지털 통신을 위한 군-단위 네트워크를 생성한다. 라우터는 인터넷 라우터 동작에 일치하는 디지털 데이터의 흐름을 지향시킨다. 디지털 스트리밍 데이터는 정보 및 합성된 파형을 포함하여, 이것이 표현할 수 있는 것에서 융통성이 있다. 맞춤형 파형의 디지털 표현은 네트워크를 통해 스트리밍될 수 있고, 또는 변조된 파형은 이들을 변조하는 데이터만으로부터 브로드캐스트의 포인트에서 각각의 우주선에 의해 합성될 수 있다. 아키텍처는 다수의 동시 빔을 수용한다.

각각의 우주선 라우터에는 네트워크 데이터 인터페이스가 접속된다. 이 인터페이스의 목적은 (1) 파형을 소싱하고, (2) 기저대역 신호를 조합하고, (3) 기저대역 신호를 싱킹하고, (4) 백홀 데이터를 소싱하고, (5) 백홀 데이터를 싱킹하는 것이다. 파형 소스는 임의의 우주선에서 발생할 수 있고, 동일한 또는 상이한 우주선 내의 하나 이상의 트래픽 링크로부터 브로드캐스팅될 수 있다. 조합기는 다수의 우주선으로부터 트래픽 신호를 합산하여, 이에 의해 분산형 빔성형을 용이하게 한다. 그 입력보다 더 낮은 처리량을 요구하는 조합기 출력은 그 명령된 목적지로 네트워크 내로 재차 라우팅된다. 기저대역 싱크 기능은 네트워크로부터 조합된 기저대역 신호를 수신한다. 아이템 (1) 및 (3)은 집합적으로 분산형 어퍼쳐의 디지털 기저대역 전송 및 수신 "단말"로서 기능한다. 인터페이스는 또한 데이터가 크로스링크를 거쳐 임의의 다른 우주선으로 그리고 그로부터 라우팅될 수 있게 한다. 이러한 네트워크 데이터는 그 전이 중에 하나 이상의 중간 우주선 라우터를 횡단할 수 있다.

군-레벨 분산형 어퍼쳐의 거시적 거동은 어떻게 기저대역 트래픽 데이터가 우주 네트워크 전체를 통해 라우팅되어 프로세싱되는지에 의해 제어된다. 분산형 어퍼쳐가 수신 모드에서 동작하면, 각각의 트래픽 안테나 요소로부터의 기저대역 샘플은 이들의 빔성형기 내에서 조합된다. 최종적인 어퍼쳐 요소 기저대역 신호는 또한 선택된 착신 빔을 위한 군-레벨 빔성형 요소 내의 제어된 페이즈 및 그룹 지연을 받게 되고, 이어서 수집되어 다른 어퍼쳐 요소로부터의 것들과 조합된다. 분산형 어퍼쳐로부터의 전송을 위해, 프로세스는 역으로 동작한다. 파형 또는 데이터 스트림은 모든 우주선으로 라우팅되고, 여기서 디지털 스트림이 그 발신 파형으로 변조된다. 군-레벨 빔성형 요소는 파형을 위한 지연 및 가중치를 제어하고, 이는 이어서 발신 빔을 포함하도록 트래픽 안테나 요소를 거쳐 브로드캐스트된다.

도 54는 어떻게 중앙집중형 빔성형이 구현되는지를 도시하고 있다. 착신 트래픽 신호는 각각의 어퍼쳐 요소 내의 빔성형 콘트롤러에 의해 원하는 착신빔에 따라 지연된다. 기저대역 트래픽 신호는 이어서 크로스링크를 거쳐 허브 우주선으로 디지털식으로 전송되는데, 여기서 이들 신호는 전체 분산형 어퍼쳐를 가로질러 조합된다. 원한다면, 조합된 기저대역 신호는 이어서 피더링크를 거쳐 지상 스테이션으로 또한 릴레이될 수 있다. 전송 모드는 역으로 동작한다. 피더링크를 거쳐 지상으로부터 또는 허브 우주선 내에서 발생하는 파형 또는 데이터 스트림은 크로스링크를 거쳐 개별 어퍼쳐 요소에 분산된다. 각각의 어퍼쳐 요소 내의 변조기는 브로드캐스트 파형을 합성하고, 이는 이어서 각각의 발신 빔을 포함하기 위해 전송을 위해 적절하게 페이징된다.

도 55는 크로스링크를 거쳐 도달하는 착신 기저대역 신호가 어떻게 조합기에 그리고 이어서 피더링크에 지향되는지를 도시하고 있다. 역 경로가 또한 도시되어 있다. 네트워크 데이터는 분산형 어퍼쳐의 각각의 빔의 디지털 "단말"로서 기능한다.

도 56은 기저대역 신호와 노 허브의 분산형 조합을 허용하는 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 분산형 어퍼쳐가 수신 모드에서 동작할 때, 분리 위성은 기저대역 신호가 할당된 목적지 노드에 네트워크를 전이함에 따라 분산형 기초로 조합을 수행한다. 전송 모드는 원점의 노드와 동일한 방식으로 그러나 역으로 동작한다. 원점 또는 목적지 노드의 네트워크 데이터 인터페이스 포트는 대응하는 분산형 어퍼쳐 빔의 "단말"로서 기능한다. 피더링크 통신은 백홀 또는 트래픽 안테나를 사용하여 특정 분산형 어퍼쳐 빔을 생성함으로써 또는 지상 스테이션으로부터 직접 개별 우주선을 어드레싱함으로써 구현된다.

군 트레이드 공간

도 57은 원하는 속성에 기초하여 군 아키텍처를 위한 개략화된 모델을 도시하고 있다. 플롯은 다양한 동작 모드를 위한 궤도 고도의 함수로서 위성의 요구되는 수의 추정치를 도시하고 있다. 참조를 위해, 기존의 GPS 군이 지시된다. 녹색 커브는 다수의 위성이 45도 상승 마스크를 유지하도록 요구되고, 또한 고파워 브로드캐스트와 연계된 위성의 수에 대응한다. "기회의 고도"는 대기 항력이 동작 궤도 추정치에 대한 상당한 혼란으로서 감소하도록 얻어질 수 있는 최저 고도에 대응한다. 이 고도는 또한 매우 다수의 런칭이 미리 이 고도를 타겟화하기 때문에 즉시 액세스 가능하다. 사용자에 의해 보여지는 바와 같은 LEO 군 고속 각도 모션은 서브-데시미터 정확성 및 인명 안전 완전성의 취득을 상당히 가속한다.

이상적인 분산형 어퍼쳐는 어퍼쳐 내의 요소의 총 개수를 큰 수를 향해 구동하면서, 가능하게는 양자 컴퓨터를 이용하여, 임의의 작은 "분자" 크기의 레벨로 분해를 행한다. 미래의 기술은 분산형 연산, 시간 및 공간 등록, 및 에너지 저장 및 변환이 또한 소형 요소 치수를 사용하여 수행되는 것을 가능하게 할 수 있다. 글로벌 클라우드 내에서 전개된 이러한 소형 요소와 통상의 우주선 사이의 랜덤 충돌은 저에너지일 것이고 따라서 무해하다.

1.4.1. 분산형 어퍼쳐 용례

이하의 표는 분산형 어퍼쳐를 위한 주요 용례를 레이아웃하고 있다.

통신 듀얼 사용 용례는 이하를 포함한다.

· 위성 뉴스 수집을 이용하는 저널리즘

· 원조 기관

· 비상 응답 및 재난 원조

· 원격 영역에서 실시간 데이터 취득을 위한 네트워크 액세스

· 원격 일시적 사무실

· 전술적 군사 동작

· 석유 및 가스를 포함하는 에너지

· 광산 및 건설중기

· 해상 동작

· 삼림지

개발 세계를 위한 용례의 예는 지상 인프라구조로부터 이격하는 원격 영역에서 동작하는 기존의 휴대폰(수정된 소프트웨어를 가짐)에 의해 SMS 메시지를 송신하고 수신하는 "트위터위성(Twittersat)" 능력일 것이다.

상업용 사용자를 위한 용례의 예는 공중 제트 항공기 상에 와이파이 "핫스팟"을 생성하는 것일 수 있고, 여기서 기존의 모바일 디바이스(수정된 소프트웨어를 갖는)는 우주 인프라구조와 항공기의 윈도우를 통해 직접 통신하고, 항공기 또는 지상 인터페이스 인프라구조 상에 로컬 리피터를 필요로 하지 않는다. 핫스팟의 크기는 몇 개의 열의 시트로부터 전체 항공기의 범위의 임의의 크기로 설정될 수 있다. 핫스팟 위치는 메시지의 콘텐트에 의해 그리고 ADS-B 신호의 우주 소스를 삼각측량함으로써 항공기의 ADS-B 브로드캐스트의 폐루프 트래킹에 의해 항공기의 위치를 트래킹할 것이다. 유사하게, 저널리스트는 통상의 스마트폰(수정된 소프트웨어를 갖는)으로부터 포워드 기반 인프라구조 또는 VSAT로부터 이격한 원격 영역으로부터의 우주 인프라구조 내로 직접 라이브 HD 비디오를 스트리밍할 수 있다.

진보형 스푸핑

도 58은 진보형 스푸핑 시나리오를 도시하고 있다. 2개의 항공기가 서로 근접하여 동작한다. 항공기는 지구 상의 임의의 장소에 위치된 비협동적 GNSS 사용자인 것으로 가정된다. 항공기 표기된 물리적 타겟이 정상적으로 동작하는 것으로 가정된다. 스푸핑 시나리오의 가설적 목적은 물리적 타겟의 부근 내로 무의식적으로 스푸핑 타겟을 조작하는 것이다. 지상 기준 스테이션의 네트워크는 GNSS 브로드캐스트를 전역적으로 모니터링하고 모든 신호 파라미터를 센티미터 레벨로 캘리브레이팅한다. 캘리브레이션 파라미터는 상향링크되고 분산형 어퍼쳐 전체에 걸쳐 크로스링크를 거쳐 분산된다. 각각의 어퍼쳐 요소는 또한 GNSS 신호를 수신하고 위치 및 시간을 추정할 수 있기 때문에, 캘리브레이션은 각각의 어퍼쳐 요소가 센티미터 레벨로 페이즈 코히어런스를 갖고 동작할 수 있게 한다.

전통적인 스푸핑은 타겟의 위치 및 자세의 정밀한 지식을 위한 요구를 갖고 단일 타겟에 맞춤화된 장치를 이용하였다. 스푸퍼는 모든 신호를 타겟의 수신 안테나에 한번에 브로드캐스팅하고, 따라서 예를 들어 타겟 모션이 수신된 신호에 정확하게 타이되지 않으면, 타겟이 적절하지 않은 신호 속성을 검출하는 무수히 많은 기회가 존재한다. 더욱이, 다른 수신기에 대한 부대적인 효과를 회피하는 것이 곤란하다.

분산형 어퍼쳐는 스푸퍼의 의도에 따라 완전히 새로운 GNSS 신호를 합성한다. 이들 신호는 스푸퍼에 의해 호출된 특정 방향으로부터 오고, 각각의 오류 위성을 위해 공간적으로 구별된다.

스푸핑 신호 합성에 추가하여, 기존의 GNSS 신호에 정밀하게 정합하는 새로운 파가 초점 영역 내에 착신 신호를 정밀하게 취소하기(소거하기) 위해 180도 위상외로 위치될 수 있다. 달리 말하면, 초점 영역 내부에서, 원래 신호는 해로운 스푸핑 신호에 의해 결함 없이 대체된다.

신호 속성은 센티미터 레벨로 조정 방식으로 제어될 수 있다. 타겟이 관성 네비게이션 유닛을 가지면, 위치 에러의 프로파일은 관성 바이어스 드리프트에 정확하게 정합하는 프로파일 내에서 유도될 수 있어, 스푸핑의 착수가 완전히 심리스하고 검출불가능하다.

진보된 스푸핑을 위해, 초점 영역은 부대적인 효과가 존재하지 않는 것 외부에서 선택된다. 다수의 독립적인 초점 영역은 전적으로 상이하면서 또한 동시의 효과를 갖기 위해 선택될 수 있다. 스푸퍼는 초점 영역을 배치하거나 또는 기존의 신호를 정확하게 대체하기 위해 스푸핑 타겟의 정확한 위치를 인지할 필요가 없다. 스푸퍼는 초점 영역 좌표 개방 루프를 명령할 필요가 있어, 이에 의해 스푸핑 초점 영역의 선택된 분해능보다 더 양호한 스푸핑 타겟의 선험 지식을 암시하는 것만이 요구된다.
참조 문헌
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11. Ibid., page 105, Table 11.
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Claims (15)

1. 서비스 데이터 프로세서, 글로벌 내비게이션 위성 시스템(Global Navigation Satellite System: GNSS) 위성으로부터 수신된 측정치, 및 저 지구 궤도(low Earth orbit: LEO) 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하여 - 상기 측정치들은 캐리어 페이즈 의사범위 정보(carrier phase pseudorange information)를 포함함 -, 사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝(resilient carrier phase positioning)을 지원하기 위한 방법에 있어서,
   a. 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나로부터, (ii) 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) LEO간 크로스링크 전송을 거쳐 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 다른 LEO 위성으로부터 수신된 상기 측정치를 수락하는 단계와,
   b. 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, 이용 가능한 상기 캐리어 페이즈 의사범위 정보로부터 상기 적어도 하나의 LEO 위성을 위한 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 발생하는 단계와,
   c. 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, 상기 사용자 디바이스들에 상기 예측을 분산(disseminate)하여, 상기 사용자 디바이스들로 하여금, GNSS 및 LEO 위성으로부터 상기 사용자 디바이스들 각각의 상기 측정치를 수신하는 상기 사용자 디바이스들의 각각의 위치를 컴퓨팅하기 위해 상기 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 적용하는 것을 가능하게 하는 단계를 포함하는
   사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝을 지원하기 위한 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   a. 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서는, (i) 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나로부터 및 (ii) 상기 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나 및 상기 적어도 하나의 LEO 위성으로부터 수신된 상기 측정치를 수락하고,
   b. 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서는, (i) 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나로부터 수신된 상기 캐리어 페이즈 의사범위 정보로부터 궤도 예측을 발생하고, (ii) 상기 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나 및 상기 적어도 하나의 LEO 위성으로부터 수신된 상기 캐리어 페이즈 의사범위 정보로부터 상기 클럭 예측을 발생하는
   사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝을 지원하기 위한 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   a. 상기 사용자 디바이스들이, 적어도 하나의 LEO 위성을 위한 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서에 의해 분산된 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 수락하는 단계 - 상기 정밀한 궤도 및 클럭 예측은, (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성으로부터, (ii) 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) 상기 적어도 하나의 LEO 위성과 적어도 하나의 다른 LEO 위성 사이의 LEO간 크로스링크 전송으로부터 수신된 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서에 의해 수락된 이용 가능한 캐리어 페이즈 의사범위 정보로부터 발생됨 - 와,
   b. 상기 사용자 디바이스들이, GNSS 및 LEO 위성으로부터 상기 사용자 디바이스들 각각의 상기 측정치를 수신하는 상기 사용자 디바이스들 각각의 위치를 컴퓨팅하기 위해 상기 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 적용하는 단계를 포함하는
   사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝을 지원하기 위한 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 측정치의 측정은 잠재적인 간섭을 방지하기 위해 적어도 하나의 쌍의 위성을 가로질러 코히어런트 교차 상관(coherent cross-correlation)을 형성하는 것을 더 포함하는
   사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝을 지원하기 위한 방법.
   
5. 서비스 데이터 프로세서, GNSS 위성으로부터 수신된 측정치, 및 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하여 - 상기 측정치들은 캐리어 페이즈 의사범위 정보를 포함함 -, 사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝을 지원하기 위한 서비스 데이터 프로세서에 있어서,
   a. (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나로부터, (ii) 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 GNSS 위성 중 적어도 하나 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) LEO간 크로스링크 전송을 거쳐 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 적어도 하나의 다른 LEO 위성으로부터 수신된 상기 측정치를 수락하기 위한 수단;
   b. 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 수신된 이용 가능한 상기 캐리어 페이즈 의사범위 정보로부터 상기 적어도 하나의 LEO 위성을 위한 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 발생하기 위한 수단과,
   c. 상기 사용자 디바이스들에 상기 예측을 분산하여, 상기 사용자 디바이스들로 하여금, GNSS 및 LEO 위성으로부터 상기 사용자 디바이스들 각각의 상기 측정치를 수신하는 상기 사용자 디바이스들의 각각의 위치를 컴퓨팅하기 위해 상기 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 적용하는 것을 가능하게 하기 위한 수단을 포함하는
   사용자 디바이스들의 탄력적 캐리어 페이즈 포지셔닝을 지원하기 위한 서비스 데이터 프로세서.
   
6. 사용자 디바이스의 위치를 컴퓨팅하기 위해 GNSS 위성으로부터 수신된 측정치, 및 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하도록 복수의 사용자 디바이스들을 지원하는 - 상기 측정치들은 캐리어 페이즈 의사범위 정보를 포함함 -, 서비스 데이터 프로세서에 의해 지원되는 사용자 디바이스에 있어서,
   a. 적어도 하나의 LEO 위성을 위한 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서에 의해 분산된 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 수락하기 위한 수락 수단 - 상기 정밀한 궤도 및 클럭 예측은 (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성으로부터, (ii) 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) LEO간 크로스링크 전송으로서 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 다른 LEO 위성으로부터 수신된 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서에 의해 수락된 이용 가능한 캐리어 페이즈 의사범위 정보로부터 발생됨 - 과,
   b. 상기 사용자 디바이스가 GNSS 및 LEO 위성으로부터 상기 사용자 디바이스의 상기 측정치를 수신하는 상기 사용자 디바이스의 개별 위치를 컴퓨팅하기 위해 상기 정밀한 궤도 및 클럭 예측을 적용함으로써 상기 사용자 디바이스의 위치를 컴퓨팅하기 위한 컴퓨팅 수단을 포함하는
   GNSS 및 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하도록 서비스 데이터 프로세서에 의해 지원되는 사용자 디바이스.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 컴퓨팅 및 RAIM 수단은 또한 관성 측정 유닛, 카메라, 라이다(lidar), 또는 레이더 중 적어도 하나로부터 샘플을 가중하는
   GNSS 및 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하도록 서비스 데이터 프로세서에 의해 지원되는 사용자 디바이스.
   
8. 서비스 데이터 프로세서 및 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하여 - 상기 측정치는 의사범위를 포함함 -, 적어도 하나의 이미터를 국지화(localize)하기 위한 방법에 있어서,
   a. 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 GNSS 위성으로부터, (ii) 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) LEO간 크로스링크 전송을 거쳐 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 다른 LEO 위성으로부터 수신된 상기 측정치를 수락하는 단계와,
   b. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 이용 가능한 상기 의사범위로부터 적어도 2개의 LEO 위성을 위한 정밀한 궤도 및 클럭 추정치를 발생하는 단계와,
   c. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 상기 적어도 2개의 LEO 위성에 의해 수신된 상기 적어도 하나의 이미터의 신호 샘플 스트림을 수집하는 단계와,
   d. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 상기 정밀한 궤도 및 클럭 추정치에 따라 상기 적어도 2개의 샘플 스트림의 시간 및 공간 등록을 하는 단계와,
   e. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 각각의 이미터를 국지화하기 위해 상기 샘플 스트림을 교차 상관하는 단계를 포함하는
   방법.
   
9. 서비스 데이터 프로세서, 및 코로케이팅된(collocated) 지상 기준 스테이션을 각각 갖는 적어도 하나의 지상 스테이션과 적어도 하나의 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하여 - 상기 측정치는 의사범위를 포함함 -, 적어도 하나의 이미터를 국지화하기 위한 방법에 있어서,
   a. 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 GNSS 위성으로부터, (ii) 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) LEO간 크로스링크 전송을 거쳐 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 다른 LEO 위성으로부터 수신된 상기 측정치를 수락하는 단계와,
   b. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 이용 가능한 상기 의사범위로부터 상기 적어도 하나의 LEO 위성을 위한 정밀한 궤도 및 클럭 추정치와 상기 적어도 하나의 지상 기준 스테이션을 위한 정밀한 위치 및 클럭 추정치를 발생하는 단계와,
   c. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 상기 적어도 하나의 LEO 위성 및 적어도 하나의 지상 스테이션에 의해 수신된 상기 적어도 하나의 이미터의 샘플 스트림을 수집하는 단계와,
   d. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 상기 적어도 하나의 LEO 위성의 상기 정밀한 궤도 및 클럭 추정치 및 상기 적어도 하나의 지상 기준 스테이션의 상기 정밀한 위치 및 클럭 추정치에 따라 상기 샘플 스트림의 시간 및 공간 등록을 하는 단계와,
   e. 상기 서비스 데이터 프로세서가, 각각의 이미터를 국지화하기 위해 상기 샘플 스트림을 교차 상관하는 단계를 포함하는
   방법.
   
10. GNSS 신호 민간 인증을 위한 방법에 있어서,
    a. 초기에 기밀인 워터마크키에 기초하여 워터마크 PRN 파형을 발생하는 단계와,
    b. 개방 파형의 데이터 내로 상기 워터마크키를 임베드(embed)하는 단계와,
    c. 상기 개방 파형과 상기 워터마크 PRN 파형을 합산하는 단계와,
    d. 적어도 하나의 LEO 위성으로부터 상기 합산된 파형을 포함하는 신호를 브로드캐스팅하여, 적어도 하나의 사용자 디바이스로 하여금, GNSS 신호와 함께 상기 합산된 파형을 수신하고, (i) 파워 체크, (ii) GNSS RAIM 체크, 및/또는 (iii) 데이터 체크 중 적어도 하나를 수행하도록 상기 워터마크키에 액세스하는 것을 가능하게 하는 단계를 포함하는
    방법.
    
11. 사용자 위치의 입증를 위한 방법에 있어서,
    a. 적어도 하나의 인증 서버가, 사용자 디바이스로부터 GNSS 위성 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터 수신된 데이터로서 저장된 신호를 수집하는 단계 - 상기 적어도 하나의 LEO 위성으로부터의 각각의 신호는 기밀인 트래픽 키에 기초하여 암호화된 파형을 포함함 - 와,
    b. 상기 인증 서버가, 상기 LEO 위성 신호를 위한 상기 트래픽 키를 사용하여 상기 저장된 데이터로부터 의사범위를 측정하는 단계와,
    c. 상기 인증 서버가, 상기 적어도 하나의 LEO 위성으로부터의 적어도 하나의 의사범위를 사용하여 GNSS RAIM 체크를 수행하는 단계를 포함하는
    방법.
    
12. 서비스 데이터 프로세서 및 LEO 위성으로부터 수신된 측정치를 이용하는 - 상기 측정치는 의사범위를 포함함 -, 적어도 하나의 사용자를 위한 GNSS 신호 인증을 위한 방법에 있어서,
    a. 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, (i) 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 GNSS 위성으로부터, (ii) 적어도 하나의 LEO 위성 신호가 트래픽 키를 사용하여 발생되는 적어도 하나의 지상 기준 스테이션에 의해 상기 적어도 하나의 GNSS 위성 및 적어도 하나의 LEO 위성으로부터, 및/또는 (iii) LEO간 크로스링크 전송을 거쳐 상기 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 적어도 하나의 다른 LEO 위성으로부터 수신된 상기 측정치를 수락하는 단계와,
    b. 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, 이용 가능한 상기 의사범위로부터 상기 적어도 하나의 LEO 위성을 위한 궤도 및 클럭 예측을 발생하는 단계와,
    c. 상기 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서가, 예측 및 트래픽 키를 적어도 하나의 허가된 사용자 디바이스에 분산하여 상기 사용자 디바이스로 하여금, 적어도 하나의 LEO 위성 신호를 수신하고, 의사범위를 측정하고, 상기 궤도 및 클럭 예측을 적용하고, 적어도 하나의 GNSS 위성으로부터 신호를 수신하여 의사범위를 측정하고, 상기 적어도 하나의 LEO 위성으로부터의 적어도 하나의 의사범위를 사용하여 GNSS RAIM 체크를 수행하는 것을 가능하게 하는 단계를 포함하는
    방법.
13. 지역적 고파워 네비게이션 신호(regional, high-power navigation signals)를 발생하기 위한 방법에 있어서,
    a. 재밍(jamming) 및/또는 시스템 열화(system degradation)의 정도에 의해 허용된 정도로 적어도 하나의 LEO 위성에 의해 GNSS 위성으로부터 신호를 수신하여 의사범위를 측정하는 단계와,
    b. 재밍 및/또는 시스템 열화의 정도에 의해 허용된 정도로 지상 기준 스테이션에 의해 상기 GNSS 위성 및 상기 LEO 위성으로부터 신호를 수신하여 의사범위를 측정하는 단계와,
    c. 재밍 및/또는 네트워크 열화의 정도에 의해 허용된 정도로 적어도 하나의 서비스 데이터 프로세서 내에서 상기 의사범위를 수집하고 상기 의사범위로부터 상기 LEO 위성을 위한 궤도 및 클럭 예측을 발생하는 단계와,
    d. 재밍 및/또는 네트워크 열화의 정도에 의해 허용된 정도로 상기 예측을 적어도 하나의 사용자 디바이스에 분산하는 단계와,
    e. 동작 영역에 걸쳐 상기 LEO 위성의 서브세트로부터 고파워 레벨에서 신호를 브로드캐스팅하는 단계와,
    f. 상기 적어도 하나의 사용자 디바이스에 의해 고파워 LEO 위성으로부터 신호를 수신하고 의사범위를 측정하는 단계와,
    g. 사용자 의사범위 및 예측으로부터 상기 사용자 디바이스의 위치를 컴퓨팅하는 단계를 포함하는
    지역적 고파워 네비게이션 신호를 발생하기 위한 방법.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    고파워 레벨에서 신호를 브로드캐스팅하는 동안에 각각의 상기 LEO 위성 상에 폐열(waste heat)을 축적하는 단계와,
    모든 다른 시간 동안 상기 폐열을 방산하는 단계를 더 포함하는
    지역적 고파워 네비게이션 신호를 발생하기 위한 방법.
    
15. 우주 분산형 어퍼쳐(pace-borne distributed aperture)를 빔성형하는 방법에 있어서,
    a. 우주 내에서 자유 비행하는 다수의 랜덤하게 또는 의사랜덤하게 위치된 어퍼쳐 요소를 조작하는 단계와,
    b. 상기 어퍼쳐 요소를 정밀하게 공간적으로 그리고 시간적으로 등록하는 단계와,
    c. 상기 분산형 어퍼쳐의 프레넬 영역(Fresnel region) 내의 적어도 하나의 전송 및/또는 수신 초점을 합성하는 단계를 포함하는
    방법.

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