Sistema y procedimiento para la atenuación del multitrayecto y la mejora de las relaciones señal/ruido en redes de localización de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA).

Un procedimiento para determinar mediciones de distancia en entornos multitrayecto y mejorar a continuación la determinación de la localización en un receptor de posición

(209) que incorpora una antena (210) de haz direccionalmente ágil, estando configurado dicho receptor de posición (209) para recibir señales de posicionamiento (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo transmitidas, cada una en un intervalo de tiempo de transmisión único, mediante una red de dispositivos de unidad de posicionamiento sincronizados cronológicamente (201-204) en localizaciones conocidas en una secuencia predeterminada de acceso múltiple por división de tiempo, comprendiendo el procedimiento:

a) calcular la localización de dicho receptor de posición (209) a partir de dichas señales de posicionamiento (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo recibidas; y

b) dirigir un diagrama (212) de ganancia direccional de dicha antena (201) de haz direccionalmente ágil exclusivamente hacia el origen de la señal de posicionamiento (205) de acceso múltiple por división de tiempo recibida actualmente, siendo dicho direccionamiento sensible a:

i) dicha localización calculada de dicho receptor de posición (209), y

ii) dichas localizaciones conocidas de dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) sincronizados cronológicamente.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/AU2003/001246.

Solicitante: LOCATA CORPORATION.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 9 ISLAND VIEW IRVINE, CA 92604 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: SMALL, DAVID.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS > COMUNICACIONES MULTIPLEX (peculiar de la transmisión... > H04J3/00 (Sistemas múltiplex de división de tiempos (H04J 14/08  tiene prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS > TRANSMISION > Sistemas de radiotransmisión, es decir, utilizando... > H04B7/10 (utilizando un solo sistema de antenas caracterizado por sus propiedades de polarización o directivas, p. ej. diversidad de polarización, diversidad de dirección)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Dispositivos para cambiar o hacer variar la orientación... > H01Q3/26 (haciendo variar la fase relativa o la amplitud relativa de la energía de excitación entre dos o más elementos radiantes activos; haciendo variar la distribución de energía a través de una abertura radiante (H01Q 3/22, H01Q 3/24 tienen prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Sistemas o redes de antenas (disposiciones para cambiar... > H01Q21/29 (Combinaciones de unidades de antenas de tipos diferentes que actúan las unas sobre las otras para dar una característica direccional deseada (H01Q 25/00 tiene prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > Dispositivos para cambiar o hacer variar la orientación... > H01Q3/24 (haciendo variar la orientación por conmutación de la energía suministrada desde un elemento activo radiante a otro, p. ej. por conmutación de lóbulo)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > ANTENAS (elementos radiantes o antenas para calentamiento... > H01Q21/00 (Sistemas o redes de antenas (disposiciones para cambiar o variar la orientación o forma del diagrama direccional de las ondas radiadas por una antena o sistema de antenas H01Q 3/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Sistemas de posicionamiento por satélite; Determinación... > G01S19/05 (proporcionando datos de navegación asistida)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Sistemas de posicionamiento por satélite; Determinación... > G01S19/11 (siendo los elementos cooperantes seudolitos o repetidores de señales de sistemas de posicionamiento por satélite)

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Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento para la atenuación del multitrayecto y la mejora de las relaciones señal/ruido en redes de localización de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)

Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a sistemas y procedimientos para la generación de determinaciones precisas de posiciones para aparatos móviles en presencia de ruido e interferencia multitrayecto. En particular, la presente invención se refiere a la atenuación de multitrayecto de código y de fase de portadora, y a la mejora de las relaciones señal/ruido en señales de posicionamiento recibidas, generadas por redes de localización de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) .

Antecedentes de la invención Una de las mayores fuentes de error en todos los sistemas de posicionamiento por radiofrecuencia (RF) es el multitrayecto. El multitrayecto se refiere al fenómeno de una señal que alcanza una antena de recepción a través de dos o más trayectos. Habitualmente, una antena de recepción recibe una señal directa y una o varias señales reflejadas desde estructuras en la proximidad de la antena de recepción. Las mediciones subsiguientes de la distancia determinadas por un receptor de posición son la suma de las señales recibidas, que en general se miden "largas" debido a la naturaleza retardada de las recepciones multitrayecto. Por lo tanto, las recepciones multitrayecto causan sesgos en la pseudodistancia basada en código en las redes de localización, los cuales pueden degradar sustancialmente la precisión de la posición absoluta medida mediante un receptor de posición. Además, las recepciones multitrayecto que llegan a la antena de recepción con fases diferentes a las de la señal directa se sumarán destructivamente con la señal directa, y por lo tanto provocan una pérdida de potencia de la señal recibida, conocida como desvanecimiento de la señal. Un desvanecimiento moderado de la señal provoca errores de la fase medida de la portadora de hasta +/-90 grados, y sesgos en la pseudodistancia del orden de decenas de metros. Los desvanecimientos severos de la señal provocan desestabilización del bucle de seguimiento del receptor, pérdidas de ciclo, sesgos de la pseudodistancia del orden de cientos de metros, y posiblemente la pérdida completa de bloqueo en la señal de posicionamiento. Además, la medición no intencionada de las señales multitrayecto fuera del eje corrompe las mediciones Doppler del receptor, lo que conduce a una degradación significativa en la precisión de las mediciones de la velocidad y de la distancia del portador en un receptor de posición. Esto hace que las mediciones de velocidad se lean "bajas", y que las mediciones integradas de la fase de portadora se proporcionen "cortas".

Las relaciones señal/ruido recibidas de las señales de posicionamiento afectan asimismo a la precisión medida de las señales de distancia. En general, cuanto mayor es la intensidad de la señal recibida mejor es la precisión de la medición. Las relaciones señal/ruido se degradan mediante (1) el aumento de la distancia desde la fuente de transmisión, (2) la atenuación de la señal provocada por obstrucciones en el campo visual, tales como edificaciones y follaje, (3) el desvanecimiento de la señal por multitrayecto y (4) un mayor ruido de fondo provocado por inhibidores de señal intencionados o involuntarios que emiten señales a la frecuencia de la señal de posicionamiento.

Las metodologías de la técnica anterior para la atenuación del ruido y del multitrayecto que utilizan diseños de antenas se han centrado en dos áreas clave: (1) antenas de limitación del multitrayecto y (2) sistemas de antenas de haces múltiples programables. Las antenas de limitación de multitrayecto conforman el diagrama de ganancia de la antena de recepción para reducir la intensidad de las señales reflejadas fuera del eje. La forma más común de esta antena es la denominada antena de anillo estrangulador utilizada en aplicaciones GPS para atenuar las reflexiones en tierra de la señal de satélite. Las antenas de limitación del multitrayecto posicionan habitualmente una antena de ganancia direccional en una orientación fijada, generalmente posicionada en oposición a la superficie reflectante problemática (el suelo, en el caso de una antena GPS de anillo estrangulador) . Este procedimiento tiene una aplicación limitada en entornos de gran multitrayecto, tales como en interiores o en áreas urbanas, donde las señales se reflejan desde muchas direcciones que incluyen edificios, muros, suelos, tejados, mobiliario y personas.

Los sistemas de antenas de haces múltiples programables conforman dinámicamente el diagrama de ganancia de la antena de recepción para reducir el efecto de fuentes de interferencia, tales como inhibidores de señal intencionados, y reducen asimismo el efecto de las señales multitrayecto. Los sistemas de antenas de haces múltiples programables (1) combinan una serie de elementos de antena para formar una ganancia nula en un diagrama de ganancia de una sola antena, o (2) combinan una serie de antenas de ganancia direccional, cada una de estas enfocada a uno de los satélites GPS, para formar una serie de picos en un diagrama de ganancia de una sola antena, o bien (3) monitorizan individualmente una serie de antenas de ganancia direccional, cada una enfocada sobre uno de los satélites GPS, a través de una matriz de circuitos del receptor. Un sistema de antenas de haces múltiples programables, que produce una ganancia nula ajustable dinámicamente en su diagrama de ganancia de la antena, tiene aplicación para atenuar el efecto de la inhibición de señales y mejora por lo tanto las relaciones señal/ruido recibidas reduciendo la ganancia de la antena en la dirección de la fuente de ruido. Sin embargo, este sistema de antenas tiene aplicación limitada para atenuación de multitrayecto en entornos de multitrayecto elevado, donde las señales multitrayecto se reflejan desde muchas direcciones. Un sistema de antenas de haces múltiples programable, que produce una serie de picos de ganancia ajustables dinámicamente en su

diagrama de ganancia de antena, tiene aplicación para atenuar el efecto de la inhibición de señales y mejorar las relaciones señal/ruido recibidas aumentando la ganancia en la dirección de los satélites y reduciendo la ganancia en la dirección de la fuente de ruido. Sin embargo, este sistema de antenas tiene aplicación limitada para atenuación de multitrayecto en entornos de multitrayecto elevado, en los que se recibe una cantidad significativa de multitrayecto a través de picos de ganancia de antena fuera del eje, que están previstos para la recepción de otras señales de posicionamiento de satélite. La monitorización individual de una serie de antenas de ganancia direccional mediante una matriz de circuitos de receptor tiene aplicación para atenuar el efecto de la inhibición de señales y mejorar las relaciones señal/ruido recibidas, y atenúa asimismo el efecto del multitrayecto. Sin embargo, una matriz de circuitos del receptor tiene muchos inconvenientes, que incluyen: (a) la introducción potencial de retardos de grupo variables con el tiempo y de sesgos de línea en mediciones de señales de posicionamiento individuales debido a la utilización de trayectos de recepción diferentes. Estos retardos cambian con variaciones de la temperatura de los componentes y de la tensión de alimentación, provocando por tanto errores de distancia variables con el tiempo y las subsiguientes imprecisiones de posición en las soluciones de posición, velocidad y tiempo (PVT, Position Velocity Time) del receptor de posición; (b) gran consumo de energía debido a los circuitos adicionales de radiofrecuencia (RF) , que hacen el receptor de posición inadecuado para aplicaciones en que están limitados... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento para determinar mediciones de distancia en entornos multitrayecto y mejorar a continuación la determinación de la localización en un receptor de posición (209) que incorpora una antena (210) de haz direccionalmente ágil, estando configurado dicho receptor de posición (209) para recibir señales de posicionamiento (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo transmitidas, cada una en un intervalo de tiempo de transmisión único, mediante una red de dispositivos de unidad de posicionamiento sincronizados cronológicamente (201-204) en localizaciones conocidas en una secuencia predeterminada de acceso múltiple por división de tiempo, comprendiendo el procedimiento:

a) calcular la localización de dicho receptor de posición (209) a partir de dichas señales de posicionamiento 10 (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo recibidas; y b) dirigir un diagrama (212) de ganancia direccional de dicha antena (201) de haz direccionalmente ágil exclusivamente hacia el origen de la señal de posicionamiento (205) de acceso múltiple por división de tiempo recibida actualmente, siendo dicho direccionamiento sensible a:

i) dicha localización calculada de dicho receptor de posición (209) , y ii) dichas localizaciones conocidas de dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) sincronizados cronológicamente.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho cálculo de la localización de dicho receptor de posición (209) a partir de dichas señales de posicionamiento (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo recibidas incluye adicionalmente un cálculo de un tiempo de red de dichas señales de posicionamiento (205-208) transmitidas mediante dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) en localizaciones conocidas, y dicho direccionamiento es sensible adicionalmente a dicho tiempo de red calculado.

3. El procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho cálculo de la localización de dicho receptor de posición (209) a partir de dichas señales de posicionamiento (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo recibidas incluye adicionalmente la determinación de una secuencia de acceso múltiple por división de tiempo de dichas señales de posicionamiento (205-208) transmitidas mediante dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) en localizaciones conocidas, y dicho direccionamiento es sensible adicionalmente a dicha secuencia de acceso múltiple por división de tiempo determinada.

4. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho cálculo de la localización de dicho receptor de posición (209) a partir de dichas señales de posicionamiento (205-208) de acceso múltiple por división de tiempo recibidas incluye adicionalmente un cálculo del retardo de propagación de dichas señales de posicionamiento (205-208) transmitidas mediante dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) en localizaciones conocidas, y dicho direccionamiento es sensible adicionalmente a dicho retardo de propagación calculado.

5. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho receptor de posición (209) que incorpora una antena (210) de haz direccionalmente ágil está configurado además con un medio (211) de determinación de la actitud, dicho cálculo incluye una etapa adicional de determinación de la actitud de dicho receptor de posición (209) y dicho direccionamiento es sensible adicionalmente a dicha actitud determinada.

6. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha etapa de cálculo de la localización de dicho receptor de posición (209) comprende configurar dicha antena (210) de haz direccionalmente 40 ágil para recibir dichas señales de posicionamiento (205-208) desde todas las direcciones.

7. Un sistema para determinar mediciones de distancia en entornos multitrayecto en una red de localización de acceso múltiple por división de tiempo, comprendiendo el sistema:

a) una serie de dispositivos de unidad de posicionamiento sincronizados cronológicamente (201-204) en localizaciones conocidas que transmiten, cada uno en un intervalo de tiempo de transmisión único, señales 45 de posicionamiento (205-208) en una secuencia predeterminada de acceso múltiple por división de tiempo;

b) un receptor de posición (209) configurado con una antena (210) de haz direccionalmente ágil;

c) un medio configurado para calcular la localización de dicho receptor de posición (209) a partir de dichas señales de posicionamiento transmitidas (205-208) ;

d) un medio configurado para dirigir un diagrama (212) de ganancia direccional de dicha antena (210) de haz 50 direccionalmente ágil exclusivamente hacia el origen de la señal de posicionamiento recibida actualmente (205) , siendo dicho direccionamiento sensible a:

i) dicha localización calculada de dicho receptor de posición (209) , y 13

ii) dichas localizaciones conocidas de dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) sincronizados cronológicamente.

8. El sistema según la reivindicación 7, en el que dicho medio configurado para calcular la localización de dicho receptor de posición (209) incluye adicionalmente un medio configurado para calcular un tiempo de red de dichas señales de posicionamiento (205-208) transmitidas mediante dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201204) en localizaciones conocidas, y dicho medio de direccionamiento es sensible adicionalmente a dicho tiempo de red calculado.

9. El sistema según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que dicho medio configurado para calcular la localización de dicho receptor de posición (209) incluye adicionalmente un medio configurado para determinar una secuencia de acceso múltiple por división de tiempo de dichas señales de posicionamiento (205-208) transmitidas mediante dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) en localizaciones conocidas, y dicho medio de direccionamiento es sensible adicionalmente a dicha secuencia determinada de acceso múltiple por división de tiempo.

10. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que dicho medio configurado para calcular la localización de dicho receptor de posición (209) incluye adicionalmente un medio configurado para calcular el retardo de propagación de dichas señales de posicionamiento (205-208) transmitidas mediante dichos dispositivos de unidad de posicionamiento (201-204) en localizaciones conocidas, y dicho medio de direccionamiento es sensible adicionalmente a dicho retardo de propagación calculado.

11. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que dicho receptor de posición (209)

configurado con una antena (210) de haz direccionalmente ágil comprende además un medio (211) de determinación de la actitud configurado para determinar la actitud de dicho receptor de posición (209) , y dicho medio de direccionamiento es sensible adicionalmente a dicha actitud determinada.

12. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en el que dicho medio configurado para calcular la localización de dicho receptor de posición (209) comprende medios configurados para ajustar dicha antena (210) de haz direccionalmente ágil para recibir dichas señales de posicionamiento transmitidas (205-208) desde todas las direcciones.