James Spilker - James Spilker - Wikipedia

Jim Spilker v roce 2013

James Julius Spilker Jr. (4. srpna 1933 - 24. září 2019) byl americký inženýr a konzultant na katedře letectví a astronautiky na Stanfordská Univerzita. Byl jedním z hlavních architektů globálního pozičního systému (GPS ) a spoluzakladatel společnosti pro vesmírnou komunikaci Stanford Telecommunications a naposledy byl výkonným předsedou AOSense Inc., Sunnyvale, CA.

James Spilker byl zvolen členem National Academy of Engineering (1998) a byl uveden do síně slávy GPS letectva (2000) a do síně slávy v Silicon Valley Engineering (2007). Byl doživotním členem IEEE a členem Institutu navigace (ION). Jako jeden z původců GPS se James Spilker účastnil Goddard Memorial Trophy (2012). Získal cenu Arthur Young Entrepreneur of the Year Award v roce 1987, ION Kepler Award (nejvyšší ocenění ION) v roce 1999 a Burka Award v roce 2002 a cenu US Air Force Space Command Recognition Award za 9 let služby na GPS Independent Revizní tým v roce 2000. V roce 2015 obdržel zlatou medaili IEEE Edisona za příspěvky k technologii a implementaci civilního navigačního systému GPS. V roce 2019 James Spilker sdílel Cenu královny Alžběty za rok 2019 za tři další průkopníky GPS (Bradford Parkinson, Hugo Fruehauf a Richard Schwartz).^[1]

James and Anna Marie Spilker Engineering and Applied Sciences Building ve Stanfordu a v roce 2005 spoluzaložili Stanford University Center for Position, Navigation and Time.^[2][3][4]

Vzdělávání

James J. Spilker Jr. navštěvoval 5 let stipendia na Stanfordské univerzitě, získal stipendia Deans Honors a Hewlett Packard Fellowship a v roce 1955 získal titul BS, v roce 1956 titul MS a titul Ph.D. v roce 1958 vše v elektrotechnice. V roce 1985 absolvoval Senior Management Program na UCLA.

Kariéra

V letech 1958 až 1963 pracoval Spilker jako vedoucí výzkumu ve Lockheed Research Labs v Palo Alto v Kalifornii, kde vynalezl optimální sledovací zařízení pro signály s rozprostřeným spektrem a vymyslel technologii pro komunikaci s letadly létajícími do / z Berlína, když Rusko blokovalo Berlín.

V roce 1963 se stal vedoucím oddělení komunikačních věd společnosti Ford Aerospace Corporation, kde vedl a řídil úsilí jak u pozemních terminálů satelitní komunikace, tak u užitečných dat vojenských komunikačních satelitů pro první kvazi-stacionární komunikační satelity, a vyvinul několik přístupových technologií pro různé satelitní komunikace a se stal ředitelem komunikačních systémů.

V roce 1973 spoluzaložil Stanford Telecommunications Inc. (dále jen Stanford Telecom) s Marshallem Fitzgeraldem a Johnem Browniem. Stanford Telecom byl první ze svých tří startovacích společností v Silicon Valley, se třemi lidmi a bez financování VC. Když byl v roce 1999 prodán, jako výkonný předseda společnosti rozšířil společnost zaměřenou na vojenskou satelitní komunikaci a GPS na více než 1300 zaměstnanců v 5 státech.

Během vedení společnosti Spilker ve společnosti Stanford Telecommunications Inc. navrhoval také polovodičové ASIC (aplikačně specifické integrované obvody) pro korekci chyb, číselně řízené oscilátory a kvadraturní amplitudovou modulaci. Týden letectví a vesmírné technologie v roce 1997 zařadil Stanford Telecom mezi 2 nejkonkurenceschopnější leteckou společnost na světě a 100 nejrychleji rostoucích společností.

Od roku 2001 je Spilker profesorem poradenství na Stanfordské univerzitě na katedře elektrotechniky a letectví a astronautiky.

V roce 2005 spoluautorem prof. Spilkera bylo Stanford University Research Center for Position, Navigation and Time, které pokračuje dodnes a pořádá každoroční mezinárodní sympozium na Stanford University s pozvanými řečníky z celého světa.

V roce 2005 Spilker také spoluzaložil společnost AOSense Inc., společnost pro atomovou fyziku specializující se na inerciální navigaci pomocí interferometrie se studenými atomy. Byl výkonným předsedou společnosti AOSense Inc.

Byl také spoluzakladatelem a předsedou společnosti Rosum, technologicky vyspělé společnosti využívající digitální a analogové televizní signály pro služby určování polohy uvnitř budov a rozšiřování GPS.

James a Anna Marie Spilkerovi ve věnování stavby Stanfordu v roce 2013

V roce 2012 daroval Spilker a jeho manželka Anna Marie Spilker, realitní makléřka a investorka, 28 milionů dolarů Stanfordské univerzitě, aby darovali budovu James and Anna Marie Spilker Engineering and Applied Sciences Building a udělovali profesorský titul na School of Engineering. Budova je jednou ze čtyř nových struktur ve Stanford Science and Engineering Quad.

Spilker byl členem poradního výboru Stanford University Engineering, členem Institutu komunikačních věd University of Southern California (USC), členem GPS Task Force US Defence Science Board a nezávislého hodnotícího týmu GPS Air Space Space Command. . Spilker byl pozvaným přednášejícím a hlavním řečníkem na Samsung Corporation v Koreji (2003), Tsinghua University v čínském Pekingu (2010), laboratoři Marconi poblíž italské Bologny (70. léta) a v Mnichově a Berlíně (2011).

Spilker byl členem National Academy of Engineering (NAE), členem NAE Peer Review Committee v NAE for Electronics, Life Fellow of IEEE, a byl předsedou IEEE Technical Advisory Committee.

Technické příspěvky

Diskriminátor se zpožděným blokováním - optimální sledovací systém

V roce 1961 publikoval Spilker dokument IRE (předchůdce IEEE), který ukazuje, že optimálním sledovacím systémem byla smyčka zámku zpoždění (DLL), nikoli typ diskriminátoru zpoždění typu late-late-gate. Místo toho optimální DLL používá jako referenci diferencovaný signál a konvenční diskriminátor včasné a pozdní brány je optimální pouze pro lichoběžníkový tvar pseudonoise.

Civilní navigace a čas - struktura signálu GPS

Pro úspěch GPS pro civilní komunitu, která je zdaleka největším uživatelem GPS navigace, je naprosto zásadní jeho schopnost pracovat v prostředí s více přístupy. Toho je dosaženo povolením všech satelitů GPS vysílat uživatelům na Zemi stejnou frekvenci bez vzájemného rušení pomocí vícenásobného přístupu s kódovým dělením (CDMA). U CDMA každý satelit vysílá ve společném spektrálním pásmu s pseudonáhodným signálem podobným šumu. Každý satelit vysílá jiný kód s vlastnostmi, že jeho kód má malou interferenci s kódy z jiných satelitů.

Společný program amerického letectva pro GPS poskytl Spilkerovi a jeho malému týmu dvou lidí smlouvu na doporučení struktury satelitního signálu GPS, zejména civilního signálu zvaného jasný / akviziční (CA) signál pro civilní komunitu. Stejná signální architektura se také používá jako akviziční signál pro vojenský signál GPS.

Skupiny kódů s touto nízkou křížovou korelační vlastností se již roky používají v pevných pozemních nebo geostacionárních satelitech a dnes v mobilních telefonech se zanedbatelným Dopplerovým posunem. Ty lze snadno analyzovat pomocí Galoisovy teorie pole.

Jak však zdůraznil Spilker, tato nulová Dopplerova analýza se nevztahuje na GPS s jeho rychle se pohybujícími satelity a neodhaluje nejhorší meze výkonu. Proto je pro úspěch GPS rozhodující použití relativně krátkých kódů CDMA. Spilker a jeho tým analyzovali nejhorší křížovou korelaci mezi kódy pro signály GPS v pásmu L s jejich dopplerovými odchylkami +/- 5 kHz a jasně ukazují, že kódy s Dopplerovým offsetem byly skutečně nejhorším případem, a doporučil 1023- kódy období, i když bez Dopplera nebyly lepší než kódy 511 období. Tyto kódy v období 1023 jsou kódy C / A, které nyní podporují více než 2 miliardy uživatelů.

Výsledky Spilkera byly poprvé publikovány v dokumentu Stanford Telecom pro letectvo, „Special Navigation Satellite Special Study“, 130 stránková zpráva, duben 1974.

Přesný satelitní testovací přijímač pro testování satelitních přenosů C / A a P kódu

Po počátečním vypuštění prvních satelitů GPS vznikla potřeba zajistit, aby přesná modulace signálu odpovídala bit-by-bit a chip-by-chip požadovanému signálu. Toto měření vyžadovalo velkou sledovací anténu a speciální přijímač. Protože satelity jsou při startu vystaveny účinkům záření a vibrací pásu Van Allen, šlo o důležité testy. Spilker a jeho tým ve Stanford Telecommunications úspěšně navrhli, implementovali a provedli naše tyto testy GPS na oběžné dráze, aby se ujistil, že čipy P-kódu a další signály byly přesně správné.

Časově řízený vysílač GPS pseudolitu s hodinami rubidia a kalibračním přijímačem

I když v té době byly na oběžné dráze čtyři satelity GPS plus náhradní oběžné dráhy, jedním z počátečních provozních testů bylo přesné sledování střely námořnictva. Z tohoto důvodu byla výhoda mít pozemní pseudolit na pevném místě, který přenášel signály GPS časově omezeným způsobem, aby většinu času nerušil satelitní přenosy. Spilker a jeho tým vyvinuli přesný GPS pseudolit, který také zahrnoval standardní hodiny rubidia pro tento generátor signálu a kalibrační přijímač, aby bylo zajištěno, že se signál shoduje s vybraným satelitním kódem GPS. Tento časově omezený pseudolitový signál spolu se satelity GPS na oběžné dráze umožňovaly přesné sledování rakety námořnictva a program byl úspěšný.

Segment počáteční provozní kontroly GPS

Funkční ovládací segment GPS je pro GPS zásadní pro výpočet přesných oběžných drah a hodinových chyb pro každý ze satelitů GPS - informace, které musí být přenášeny každému přijímači GPS s přesností. Spilker navrhl, navrhl a implementoval speciální přijímače monitorovacích stanic, součást nového řídicího segmentu IBM / Stanford Telecom, který prováděl přesné koherentní sledování kódu / nosného satelitu od horizontu k horizontu s GPS pseudorange rms chybou pouze 7 mm. Tento výkon popisuje IBM v knize GPS Parkinson / Spilker.^[5]

Přesný civilní signál ve frekvenčním pásmu L5 - modernizace GPS

Počáteční civilní signál GPS fungoval pouze na jedné frekvenci v pásmu L1 (1,57542 GHz). Neumožňoval výpočet nadměrného zpoždění ionosféry a fungoval pouze při nižší hodinové frekvenci 1,023 M čipu / s. Modernizovaný civilní signál GPS navrhli Spilker a A. J. van Dierendonck, kteří za svůj příspěvek obdrželi cenu ION Burka. Tento takzvaný signál L5 pracuje na nižší frekvenci pásma L a má 10krát vyšší frekvenci hodin a delší dobu, což umožňuje korekci ionosférického zpoždění při použití s ​​frekvencí L1 a vyšší přesnost s vyšší rychlostí čipu. Dále pracuje v kmitočtovém pásmu L5 chráněném leteckou navigací. Nový civilní signál GPS / GNSS L5 bude používán k přesné navigaci letadly na světě a mnoha novým aplikacím přesné navigace.

Přijímače vektorového GPS zpracování v éře multi-GNSS

Svět družicové navigace v 21. století zahrnuje nejen modernizované GPS, ale také globální družicové navigační satelity z Ruska (GLONASS), Číny (BDS), Evropy (Galileo) a regionálních systémů z Japonska (QZSS) a Indie (IRNSS). S těmito souhvězdími GNSS a RNSS plus GPS bude mít svět na oběžné dráze více než 132 satelitů a pokud bude mít každý alespoň 2 civilní signály, bude vysíláno více než 264 navigačních signálů.

Spilker poukázal na to, že z hlediska komunikační teorie existuje alternativa ke sledování každého satelitu po druhém jako samostatné odhady.^[5] Místo toho považuje kompozit všech signálů za jediný složený signál, který je nyní jednoduše funkcí stavového vektoru uživatele, který zahrnuje alespoň vektory polohy a rychlosti uživatele. Přijímač pro takový systém definuje jako vektorovou smyčku delay delay. Tento přijímač pracuje na celkovém výkonu přijímaném z celé sady satelitů satelitní konstelace, nejen na výkonu jednoho satelitu. Zisk zpracování vektoru, který sleduje vektor stavu uživatele v jednom kroku, je větší, než by bylo možné před lety, ale nyní jsou počítačové čipy mnohonásobně rychlejší. Zpracování vektorů může mít mnoho výhod pro znevýhodněné uživatele v náročných prostředích, například v městských kaňonech, pod lesním baldachýnem, při narušení vesmírného počasí.

Techniky anti-spoof pro vektorové zpracování pro civilní uživatele

Civilní signály jsou založeny na jasných nezašifrovaných kódech publikovaných a dostupných všem. Terorista nebo jiný výtržník se může pokusit rušit nebo zkazit skutečný signál. Spofer by se pokusil vyslat podobný signál tak, aby byl přijat uživatelem s podobným zpožděním a Dopplerovým posunem ke skutečnému signálu. Jedná se o velmi jednoduchou operaci, pokud uživatel používá konvenční přijímač, který sleduje každý satelitní signál samostatně po jednom se samostatným korelátorem pro každý satelit.

U vektorového zpracování je však problém zcela odlišný - nyní sledujeme souběžně všech 134 satelitů. Spofer nyní musí generovat spoofingové signály, které odpovídají zpoždění vektoru stavu uživatele pro všechny nebo většinu satelitů - což je úkol nesmírně obtížný. Například pokud má signál čipovou rychlost 10 Mcps, musí být odhad polohy vektoru stavu uživatele ve 3D shodný se spooferem na méně než zhruba 20 metrů ve všech 3 rozměrech a také velmi přesně ve vektoru rychlosti, zejména pokud má uživatel dobré hodiny. Zpracování vektoru tak může poskytnout obrovské výhody pro ochranu uživatele před spoofingovými útoky.

Publikace

Knihy

1. Digital Communications by Satellite, Prentice-Hall, 1977. 10 výtisků včetně 1 brožovaného výtisku.
2. GPS Global Positioning System: Theory and Applications. AIAA, spolueditor Bradford Parkinson, 1996. Autor a spoluautor 9 kapitol v knize. Kniha získala medaili AIAA Sommerfield za nejlepší knihu.
3. Poziční, navigační a načasovací technologie v 21. století: integrovaná satelitní navigace, senzorové systémy a civilní aplikace. Wiley - IEEE Press, 2019. Redaktoři: Y. Jade Morton, Frank van Diggelen, James Spilker a Bradford Parkinson. Spolupracovníci: Sherman Lo, Grace Gao.

Hlavní kapitola knihy a technické papíry

• Evolution of Modern Digital Communications Security Technologies, in Science, Technology, and National Security, coauthor with Jim Omura, Paul Baran, Pennsylvania Academy of Sciences, 2002.
• Spilker napsal přes 100 technických prací pro publikace IEEE a ION.

Osobní život

James Spilker se oženil s Annou Marie Spilkerovou, licencovanou realitní makléřkou a zakladatelkou a prezidentkou společnosti New Pacific Investments Inc. v Silicon Valley. Zemřel 23. září 2019 ve věku 86 let.^[6]

Reference