Джеймс Спилкер - James Spilker
Джеймс Джулиус Спилкер-младший (4 августа 1933 - 24 сентября 2019) был американским инженером и профессором-консультантом на факультете аэронавтики и астронавтики Стэнфордского университета . Он был одним из главных архитекторов Глобальной системы позиционирования ( GPS ), соучредителем компании по космической связи Stanford Telecommunications, а в последнее время был исполнительным председателем AOSense Inc., Саннивейл, Калифорния.
Джеймс Спилкер был избран членом Национальной инженерной академии (1998 г.) и был занесен в Зал славы GPS ВВС (2000 г.) и Зал славы инженеров Кремниевой долины (2007 г.). Он был пожизненным научным сотрудником IEEE и научным сотрудником Института навигации (ION). Как один из создателей GPS, Джеймс Спилкер участвовал в церемонии вручения награды «Мемориал Годдарда» (2012). Он выиграл премию Артура Молодого предпринимателя года в 1987 году, премию ION Kepler (высшая награда ION) в 1999 году и премию Бурка в 2002 году, а также премию космического командования ВВС США за 9 лет работы в GPS Independent. Группа проверки в 2000 году. В 2015 году он получил медаль IEEE Edison за вклад в разработку и внедрение гражданской навигационной системы GPS. В 2019 году Джеймс Спилкер разделил Премию королевы Елизаветы 2019 года в области инженерии с тремя другими пионерами GPS (Брэдфорд Паркинсон, Хьюго Фрюхауф и Ричард Шварц).
Джеймс и Анна Мари Спилкер Инженерное и прикладное здание в Стэнфорде, а в 2005 году стали соучредителями Центра позиционирования, навигации и времени Стэнфордского университета.
Образование
Джеймс Дж. Спилкер-младший учился в Стэнфордском университете в течение 5 лет по стипендии, получил звание декана с отличием и стипендию Hewlett Packard, а также получил степень бакалавра наук в 1955 году, степень магистра в 1956 году и докторскую степень. в 1958 г. - все по специальности «Электротехника». Он закончил программу высшего руководства Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1985 году.
Карьера
С 1958 по 1963 год Спилкер работал научным руководителем в Lockheed Research Labs в Пало-Альто, Калифорния, где он изобрел оптимальное устройство слежения за сигналами с расширенным спектром и разработал технологию связи с самолетами, летевшими в / из Берлина, когда Россия блокировала Берлин.
В 1963 году он стал менеджером отдела коммуникационных наук Ford Aerospace Corporation, где он руководил и руководил работами как над наземными терминалами спутниковой связи, так и с полезной нагрузкой на спутники военной связи для первых квазистационарных спутников связи, а также разработал технологии множественного доступа для различных спутниковых коммуникаций и стал директором по коммуникационным системам.
В 1973 году он вместе с Маршаллом Фицджеральдом и Джоном Брауни стал соучредителем Stanford Telecommunications Inc. (также известной как Stanford Telecom). Stanford Telecom была первой из трех его стартапов в Кремниевой долине, в которой работали три человека и не было венчурного финансирования. В качестве исполнительного председателя компании он расширил компанию военной спутниковой связи и GPS до более чем 1300 сотрудников в 5 штатах, когда продал ее в 1999 году.
Во время руководства Спилкером в Stanford Telecommunications Inc. он также разрабатывал полупроводниковые ASIC (специализированные интегральные схемы) для коррекции ошибок, генераторов с числовым управлением и квадратурной амплитудной модуляции. Авиационная неделя и космические технологии в 1997 году поставили Stanford Telecom на второе место в рейтинге конкурентоспособных аэрокосмических компаний в мире и на 100 самых быстрорастущих компаний.
С 2001 года Спилкер был профессором-консультантом в Стэнфордском университете на факультете электротехники, аэронавтики и астронавтики.
В 2005 году профессор Спилкер стал соучредителем Исследовательского центра положения, навигации и времени Стэнфордского университета, который действует и сегодня и ежегодно проводит Международный симпозиум в Стэнфордском университете с приглашенными докладчиками со всего мира.
В 2005 году Спилкер также стал соучредителем AOSense Inc., компании по атомной физике, специализирующейся на инерциальной навигации с использованием интерферометрии холодного атома. Он был исполнительным председателем AOSense Inc.
Он также был соучредителем и председателем Rosum, высокотехнологичной компании, использующей цифровые и аналоговые телевизионные сигналы для услуг определения местоположения внутри помещений и расширения GPS.
В 2012 году Спилкер и его жена Анна Мари Спилкер, брокер и инвестор по недвижимости, пожертвовали 28 миллионов долларов Стэнфордскому университету, чтобы подарить им здание инженерных и прикладных наук Джеймса и Анны Мари Спилкер, а также получить должность профессора в Школе инженерии. Здание является одним из четырех новых строений в Стэнфордском научно-инженерном центре.
Спилкер был членом инженерного консультативного совета Стэнфордского университета, членом Института коммуникационных наук Университета Южной Калифорнии (USC), членом целевой группы GPS Совета по оборонным наукам США и группы независимой проверки GPS космического командования ВВС США. . Спилкер был приглашенным лектором и основным докладчиком в Samsung Corporation в Корее (2003 г.), Университете Цинхуа в Пекине, Китай (2010 г.), лаборатории Маркони недалеко от Болоньи, Италия (1970-е гг.), А также в Мюнхене и Берлине, Германия (2011 г.).
Спилкер был членом Национальной инженерной академии (NAE), членом экспертного комитета NAE по электронике, пожизненным членом IEEE и председателем Технического консультативного комитета IEEE.
Технический вклад
Дискриминатор с задержкой - оптимальная система слежения
В 1961 году Спилкер опубликовал статью IRE (предшественницу IEEE), показывающую, что оптимальной системой слежения является контур блокировки задержки (DLL), а не дискриминатор задержки типа раннего-позднего стробирования. Вместо этого оптимальная DLL использует дифференцированный сигнал в качестве эталона, а традиционный дискриминатор с ранним и поздним затвором оптимален только для трапециевидной формы волны псевдошума.
Абсолютно критически важным для успеха GPS для гражданского сообщества, которое на сегодняшний день является крупнейшим пользователем GPS-навигации, является его способность работать в среде с множественным доступом. Это достигается за счет того, что все спутники GPS могут осуществлять вещание пользователям на Земле на одной и той же частоте, не создавая помех друг другу, с использованием множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). При использовании CDMA каждый спутник передает в общей спектральной полосе шумоподобный псевдослучайный сигнал. Каждый спутник передает свой код, свойства которого заключаются в том, что его код мало влияет на коды других спутников.
Объединенный программный офис GPS ВВС США дал Спилкеру и его небольшой группе из двух человек контракт на рекомендацию структуры спутникового сигнала GPS, особенно гражданского сигнала, называемого сигналом очистки / захвата (CA), для гражданского сообщества. Та же архитектура сигнала также используется в качестве сигнала захвата для военного сигнала GPS.
Семейства кодов с этим свойством низкой взаимной корреляции годами использовались в фиксированных наземных или геостационарных спутниках точка-точка, а сегодня в мобильных телефонах с незначительным доплеровским сдвигом. Их легко проанализировать с помощью теории поля Галуа.
Однако, как указал Спилкер, нулевой доплеровский анализ не применим к GPS с его быстро движущимися спутниками и не выявляет наихудшие пределы производительности. Следовательно, критически важным для успеха GPS является использование относительно коротких кодов CDMA. Спилкер и его команда проанализировали взаимную корреляцию наихудшего случая между кодами для сигналов GPS L-диапазона с их доплеровскими смещениями +/- 5 кГц и ясно показали, что коды с доплеровским смещением действительно были наихудшим случаем, и он рекомендовал 1023- коды периода, хотя без доплера они были не лучше, чем коды с 511 периодами. Эти 1023-периодные коды являются кодами C / A, которые сейчас обслуживают более 2 миллиардов пользователей.
Результаты Спилкера были впервые опубликованы в документе Stanford Telecom для ВВС "Специальное исследование навигационных спутников для обороны", 130-страничный отчет, апрель 1974 года.
Прецизионный спутниковый тестовый приемник для тестирования спутниковых передач с кодами C / A и P
При первоначальном запуске первых спутников GPS возникла необходимость убедиться в том, что точная модуляция сигнала побитно и поэтапно соответствует желаемому сигналу. Это измерение потребовало большой следящей антенны и специального приемника. Поскольку при запуске спутники подвергаются воздействию излучения пояса Ван Аллена и вибрации, это были важные испытания. Спилкер и его команда из Stanford Telecommunications успешно спроектировали, внедрили и провели наши орбитальные тесты GPS, чтобы убедиться, что микросхемы P-кода и другие сигналы были в точности правильными.
Псевдолитовый GPS-передатчик с синхронизацией по времени, рубидиевыми часами и калибровочным приемником
Несмотря на то, что в то время на орбите находилось четыре спутника GPS, а также запасные части на орбите, одно из начальных эксплуатационных испытаний заключалось в точном отслеживании военно-морской ракеты. По этой причине было преимущество иметь наземный псевдолит на фиксированном участке, который передавал сигналы GPS с синхронизацией по времени, чтобы не мешать спутниковым передачам большую часть времени. Спилкер и его команда разработали прецизионный псевдолит GPS, который также включал стандартные часы рубидия для этого генератора сигналов и калибровочный приемник, чтобы гарантировать, что сигнал соответствует выбранному коду спутника GPS. Этот синхронизированный по времени псевдолитный сигнал вместе с орбитальными спутниками GPS позволил точно отслеживать военно-морскую ракету, и программа была успешной.
Сегмент начального оперативного контроля GPS
Сегмент оперативного управления GPS имеет решающее значение для GPS для вычисления точных орбит и ошибок часов для каждого из спутников GPS - информации, которая должна передаваться на каждый приемник GPS с точностью. Спилкер предложил, спроектировал и внедрил специальные приемники станций мониторинга, часть нового сегмента управления IBM / Stanford Telecom, которые выполняли точное когерентное слежение за спутником с кодом / несущей от горизонта до горизонта со среднеквадратичной ошибкой псевдодальности GPS всего 7 мм. Эта производительность описана IBM в книге Parkinson / Spilker GPS.
Прецизионный гражданский сигнал в диапазоне частот L5 - модернизация GPS
Первоначальный гражданский сигнал GPS работал только на одной частоте в диапазоне L1 (1,57542 ГГц). Он не позволял вычислять избыточную задержку ионосферы и работал только на более низкой тактовой частоте 1,023 млн чипов / с. Модернизированный гражданский сигнал GPS был разработан Спилкером и AJ van Dierendonck, получившими за свой вклад награду ION Burka. Этот так называемый сигнал L5 работает на более низкой частоте L-диапазона и имеет в 10 раз более высокую тактовую частоту и более длительный период, что позволяет корректировать ионосферную задержку при использовании с частотой L1 и обеспечивает большую точность при более высокой скорости передачи посылок. Кроме того, он работает в полосе частот L5, защищенной от авиационной навигации. Новый гражданский сигнал GPS / GNSS L5 будет использоваться для точной навигации на авиалайнерах мира и во многих новых точных навигационных приложениях.
Приемники GPS с векторной обработкой в эпоху мульти-GNSS
Спилкер указал, что с точки зрения теории связи существует альтернатива отслеживанию каждого спутника по отдельности в виде отдельных оценок. Вместо этого он рассматривает совокупность всех сигналов как единый составной сигнал, который теперь является просто функцией вектора состояния пользователя, который включает, по крайней мере, векторы положения и скорости пользователя. Приемник для такой системы он определяет как контур с векторной задержкой и синхронизацией. Этот приемник работает на полной мощности, полученной от всего набора спутников спутниковой группировки, а не только на мощности одного спутника. Выигрыш от векторной обработки, которая отслеживает вектор состояния пользователя за один шаг, больше, чем было бы возможно много лет назад, но теперь компьютерные микросхемы работают во много раз быстрее. Векторная обработка может иметь много преимуществ для пользователей из неблагополучных семей в сложных условиях, например, в городских каньонах, под пологом леса, во время нарушений космической погоды.
Методы защиты от спуфинга с векторной обработкой для гражданских пользователей
Гражданские сигналы основаны на открытых незашифрованных кодах, опубликованных и доступных для всех. Террорист или другие нарушители спокойствия могут попытаться заглушить или подделать истинный сигнал. Спуфер попытается передать аналогичный сигнал, чтобы он был принят пользователем с аналогичной задержкой и доплеровским сдвигом к истинному сигналу. Это очень простая операция, если пользователь использует обычный приемник, который отслеживает каждый спутниковый сигнал отдельно по одному с отдельным коррелятором для каждого спутника. Однако если атака должна произойти незамеченной, задача нетривиальная.
Однако с векторной обработкой проблема совсем другая - теперь мы отслеживаем совокупность всех 134 спутников параллельно. Теперь спуфер должен генерировать сигналы спуфинга, которые соответствуют задержке вектора состояния пользователя для всех или большинства спутников - задача огромной сложности. Например, если сигнал имеет скорость передачи чипов 10 млн / с, оценка положения вектора состояния пользователя в 3D должна соответствовать спуферу менее чем примерно на 20 метров во всех трех измерениях, а также очень точно в векторе скорости, особенно если у пользователя есть хорошие часы. Таким образом, векторная обработка может дать огромные преимущества для защиты пользователя от атак подмены.
Публикации
Книги
- Цифровая связь через спутник, Прентис-Холл, 1977 г. 10 экземпляров, в том числе 1 в мягкой обложке.
- Система глобального позиционирования GPS: теория и приложения. AIAA, соредактор с Брэдфордом Паркинсоном, 1996. Автор и соавтор 9 глав книги. Книга получила медаль за лучшую книгу AIAA Sommerfield.
- Позиционирование, навигация и временные технологии в 21 веке: интегрированная спутниковая навигация, сенсорные системы и гражданские приложения. Wiley - IEEE Press, 2019. Редакторы: Ю. Джейд Мортон, Фрэнк ван Диггелен, Джеймс Спилкер и Брэдфорд Паркинсон. Помощники редактора: Шерман Ло, Грейс Гао.
Основные главы книги и технические статьи
- Эволюция современных технологий безопасности цифровых коммуникаций, в науке, технологиях и национальной безопасности, в соавторстве с Джимом Омурой, Полом Бараном, Академия наук Пенсильвании, 2002.
- Спилкер написал более 100 технических статей для публикаций IEEE и ION.
Личная жизнь
Джеймс Спилкер был женат на Анне Мари Спилкер, лицензированном брокере по недвижимости и основателе и президенте New Pacific Investments Inc. в Кремниевой долине. Он умер 24 сентября 2019 года в возрасте 86 лет.