CODIGOS DE ENSANCHAMIENTO PARA UN SISTEMA DE NAVEGACION POR SATELITE.

Método para crear un conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios para ser usados en un sistema de navegación por satélite que comprende una constelación de satélites (601),

en el que cada satélite de la constelación utiliza un código (611) de ensanchamiento por niveles que comprende por lo menos un código primario y un código secundario, y en el que a cada satélite de la constelación se le asigna un código de ensanchamiento secundario diferente de entre dicho conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios, comprendiendo el método:

generar (510) un conjunto inicial de patrones de bits, en los que cada patrón de bits representa un código de ensanchamiento secundario potencial; y

realizar (525, 535, 545) un proceso de optimización sobre patrones de bits dentro del conjunto inicial de patrones de bits, con lo cual por lo menos algunos de los patrones de bits en dicho conjunto inicial son modificados o sustituidos, para crear un conjunto final de patrones de bits para ser usados como conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios, en el que el proceso de optimización utiliza una función de rendimiento o coste obtenida a partir de por lo menos una de entre: (a) la función de autocorrelación para un patrón de bits, y/o (b) la función de correlación cruzada entre patrones de bits diferentes

Códigos de ensanchamiento para un sistema de navegación por satélite.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la generación y el uso de códigos de ensanchamiento para un sistema de navegación por satélite.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de navegación por satélite están resultando cada vez más importantes en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo dispositivos de mano para la determinación de la posición, soporte de navegación incorporada al automóvil, y otras. El principal sistema de navegación por satélite en servicio en la actualidad es el sistema de posicionamiento global (GPS) explotado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Las ventas en todo el mundo de equipos GPS alcanzaron casi los 3.500 millones de dólares para el 2003, y se espera que esta cifra crezca constantemente durante los siguientes años. Más adelante durante esta década, se ha planificado el lanzamiento y la disponibilidad de servicio de un sistema homólogo europeo de navegación por satélite, denominado Galileo.

Un sistema de navegación por satélite comprende una constelación de satélites que radiodifunden cada uno de ellos una o más señales hacia la tierra. Los componentes básicos de una señal de satélite son un código de ensanchamiento (al que se hace referencia también como código de posicionamiento, sincronización o determinación de la distancia) que se combina con datos de navegación. A continuación, la combinación resultante se modula sobre una portadora a una frecuencia fijada para su transmisión hacia la tierra. En general, cada satélite transmite en múltiples frecuencias, que pueden ayudar a compensar cualquier distorsión atmosférica.

En algunos casos, se pueden modular múltiples señales (a las que se hace referencia como canales) sobre una única portadora a través de algún esquema de multiplexado apropiado. Por ejemplo, se ha planificado que ciertas señales del Galileo comprendan un canal de datos en cuadratura de fase con un canal piloto. El canal piloto contiene solamente un código de ensanchamiento, aunque no datos de navegación, mientras que el canal de datos contiene tanto el código de ensanchamiento como los datos de navegación.

El componente del código de ensanchamiento de una señal de satélite comprende típicamente una secuencia predeterminada de bits (a los que en ocasiones se hace referencia como "segmentos") y se usa para realizar dos tareas principales. En primer lugar, el código de ensanchamiento proporciona un mecanismo de sincronización para permitir que un receptor se enganche a una señal de satélite. De este modo, cada satélite (y típicamente cada canal radiodifundido desde ese satélite) tiene su propio código de sincronización. Cuando un receptor se activa por primera vez, el mismo no sabe qué señales de satélite se pueden recibir, ya que ciertos satélites de la constelación estarán por debajo del horizonte para esa ubicación en particular en ese instante de tiempo en particular. El receptor usa los códigos de sincronización para engancharse a una señal de un primer satélite. Una vez que se ha realizado esto, se puede acceder a los datos de navegación en la señal. A continuación, esto proporciona datos de efemérides para los otros satélites en la constelación, y permite que los satélites restantes que son visibles para el receptor se capten de forma relativamente rápida.

Muchos receptores utilizan un proceso de adquisición de dos fases. En la primera fase, el receptor realiza una correlación cruzada simultánea de la señal entrante con respecto al conjunto de todas las señales posibles. Esto realiza una búsqueda de una señal de cualquier satélite, con cualquier deriva de temporización posible entre el satélite y receptor, y con cualquier desplazamiento Doppler posible entre el satélite y el receptor (lo cual depende del movimiento del satélite en el espacio). Si se halla que una correlación cruzada supera un umbral predeterminado, entonces se realiza una segunda fase que conlleva un análisis más detallado, para la combinación pertinente de satélite, deriva de temporización y desplazamiento Doppler. Este análisis de la segunda fase puede conllevar, por ejemplo, un tiempo de integración mayor, un intento de acceder a y de codificar los datos de navegación, etcétera, para confirmar que se ha realizado una adquisición correcta.

La segunda tarea principal de un código de ensanchamiento es proporcionar una estimación de la distancia desde el satélite al receptor, basándose en el tiempo que ha tardado la señal en viajar desde el satélite al receptor, el cual se puede expresar como: c(Tr-Ts), en la que:

c es la velocidad de la luz (conocida, sujeta a efectos ionosféricos, etcétera),

Ts es el tiempo de envío desde el satélite, el cual está codificado en la propia señal, y

Tr es el tiempo de recepción de la señal en el receptor.

A continuación, se puede determinar la posición del receptor en el espacio tridimensional usando un proceso de trilateración, dadas las posiciones conocidas de los satélites (según se especifica en sus datos de navegación). En teoría, esto se puede realizar con información de señales de un mínimo de tres satélites. No obstante, en la práctica, se puede decir que Tr = Tm+o, en la que Tm es el tiempo medido de recepción en el receptor, y o es la deriva entre el reloj del receptor y el reloj del satélite, la cual es en general desconocida, excepto para receptores especializados. Esto implica entonces que se obtiene información de señal de por lo menos un satélite adicional para compensar la deriva de tiempo desconocida en el receptor. Si hay disponibles señales de otros satélites, se puede realizar una determinación estadística de la posición usando cualquier algoritmo apropiado tal como el de los mínimos cuadrados. Esto puede proporcionar además alguna indicación del error asociado a una posición estimada.

Un parámetro importante para el código de ensanchamiento es la velocidad de bits a la que se transmite el código de ensanchamiento, ya que esto, a su vez, controla la precisión con la que se puede realizar la determinación posicional. Por ejemplo, con una velocidad de bits de 1 MHz, cada bit representa un tiempo de desplazamiento de la luz de 300 metros. La precisión del posicionamiento se determina entonces por el nivel de precisión con el que se puede valorar la deriva de fase entre el satélite y el receptor, para un único bit. Esto en general depende del ruido en el sistema. Por ejemplo, si la deriva de fase se puede medir a una precisión de 90 grados (p/2), esto se corresponde con una determinación posicional de 75 metros. Se apreciará que el disponer de una velocidad mayor de bits para el código de ensanchamiento permite la realización de determinaciones más precisas de la posición.

Otro parámetro importante para el código de ensanchamiento es su longitud total, en otras palabras, el número de bits o segmentos en el código de ensanchamiento antes de que se repita. Una razón de esto es que la longitud finita del código de ensanchamiento puede dar como resultado una ambigüedad en la determinación de la posición. Por ejemplo, supóngase que la velocidad de bits es 10 MHz y la longitud total de la secuencia de bits es 256 bits, lo cual se corresponde por lo tanto con un tiempo de desplazamiento de la luz de 7,68 km. Como resultado, la medición de la distancia desde el satélite al receptor no está especificada de forma exclusiva, sino que, por el contrario, únicamente se puede expresar como 7,68n + d km, en la que d se determina por la temporización relativa del código de ensanchamiento según haya sido radiodifundido y según haya sido recibido, pero n es un entero no conocido. Existen varias formas con las que se puede resolver la ambigüedad en cuanto al valor de n, incluyendo el uso de señales de un número mayor de satélites, o usando el conocimiento de una posición aproximada obtenida a partir de alguna otra fuente. Un planteamiento común es relacionar la fase del código con el borde de bit correspondiente al bit de datos de navegación (a este proceso se le denomina sincronización de bits), y también relacionar el borde de bit con el tiempo de la semana (ToW) contenida en los datos de navegación transmitidos por el satélite.

Se apreciará que el incremento de la longitud de repetición para el código de ensanchamiento ayuda a reducir problemas con determinaciones ambiguas de la distancia. Una mayor longitud para el código de ensanchamiento...

1. Método para crear un conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios para ser usados en un sistema de navegación por satélite que comprende una constelación de satélites (601), en el que cada satélite de la constelación utiliza un código (611) de ensanchamiento por niveles que comprende por lo menos un código primario y un código secundario, y en el que a cada satélite de la constelación se le asigna un código de ensanchamiento secundario diferente de entre dicho conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios, comprendiendo el método:

generar (510) un conjunto inicial de patrones de bits, en los que cada patrón de bits representa un código de ensanchamiento secundario potencial; y

realizar (525, 535, 545) un proceso de optimización sobre patrones de bits dentro del conjunto inicial de patrones de bits, con lo cual por lo menos algunos de los patrones de bits en dicho conjunto inicial son modificados o sustituidos, para crear un conjunto final de patrones de bits para ser usados como conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios, en el que el proceso de optimización utiliza una función de rendimiento o coste obtenida a partir de por lo menos una de entre: (a) la función de autocorrelación para un patrón de bits, y/o (b) la función de correlación cruzada entre patrones de bits diferentes.

2. Método según la reivindicación 1, en el que los patrones de bits en el conjunto inicial de patrones de bits comprenden secuencias aleatorias de bits.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que el proceso de optimización incluye rechazar patrones de bits que no cumplen un criterio de equilibrio (530).

4. Método según la reivindicación 3, en el que dicho criterio de equilibrio se basa en la raíz cuadrada del número de bits en un patrón de bits.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el proceso de optimización incluye modificar los patrones de bits invirtiendo aleatoriamente un bit en por lo menos uno de los patrones de bits (525).

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el proceso de optimización incluye una primera fase en la que se identifican patrones de bits que tienen buenas propiedades individuales según dicha función de rendimiento o coste obtenida a partir de la función de autocorrelación para un patrón de bits, y una segunda fase en la que se selecciona el conjunto de códigos de ensanchamiento secundarios a partir de los patrones de bits identificados que tienen buenas propiedades individuales.

7. Método según la reivindicación 6, en el que la primera fase identifica por lo menos 250 patrones de bits que tienen buenas propiedades individuales.

8. Método según la reivindicación 6 ó 7, en el que la segunda fase incluye calcular la función de correlación cruzada entre cada par de patrones de bits identificados que tienen buenas propiedades individuales.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el número de bits en un patrón de bits está en el intervalo comprendido entre 25 y 512.

10. Método según la reivindicación 9, en el que el número de bits en un patrón de bits está en el intervalo comprendido entre 50 y 128.

11. Receptor (701) que incorpora un conjunto final de patrones de bits creados usando el método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

12. Receptor según la reivindicación 11, en el que dichos patrones de bits están protegidos por un código de corrección de errores (712).

13. Receptor según la reivindicación 11 ó 12, que comprende además por lo menos una memoria de solo lectura (ROM) (710) que almacena las partes de código primario y código secundario de los códigos de ensanchamiento por niveles.

14. Receptor según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, incorporando dicho receptor un conjunto final de patrones de bits seleccionados sustancialmente a partir de los patrones de bits expuestos en el Apéndice 1.1 ó el Apéndice 1.2.

15. Dispositivo de memoria extraíble para ser usado en un receptor, en el que dicho dispositivo de memoria incorpora un conjunto final de patrones de bits creados usando el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

16. Dispositivo de memoria extraíble según la reivindicación 15, en el que dichos patrones de bits están protegidos por un código de corrección de errores.

17. Dispositivo de memoria extraíble según la reivindicación 15 ó 16, en el que dicho dispositivo de memoria incorpora un conjunto final de patrones de bits seleccionados sustancialmente a partir de los patrones de bits expuestos en el Apéndice 1.1 ó el Apéndice 1.2.

18. Aparato (601) que incorpora uno o más patrones de bits del conjunto final de patrones de bits creados usando el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

19. Aparato según la reivindicación 18, en el que dicho aparato incorpora por lo menos un patrón de bits seleccionado de los patrones de bits expuestos en el Apéndice 1.1 ó el Apéndice 1.2.

20. Aparato según la reivindicación 18 ó 19, en el que dicho aparato comprende un satélite.

21. Aparato según la reivindicación 18 ó 19, en el que dicho aparato comprende un pseudolite.

22. Método de funcionamiento de un receptor (701) para ser usado conjuntamente con un sistema de navegación por satélite, comprendiendo el método:

acceder a un conjunto de patrones de bits almacenados (611A, 611B), correspondiéndose dichos patrones de bits con códigos secundarios usados por el sistema de navegación por satélite y creados usando el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10; y

usar los patrones de bits almacenados para adquirir señales del sistema de navegación por satélite.

23. Método de funcionamiento de un receptor para ser usado conjuntamente con un sistema de navegación por satélite según la reivindicación 22, en el que dichos patrones de bits correspondientes a códigos secundarios usados por el sistema de navegación por satélite se seleccionan sustancialmente a partir de los patrones de bits expuestos en el Apéndice 1.1 ó el Apéndice 1.2.

24. Método según la reivindicación 22 ó 23, en el que el receptor accede, a través de una red, a dichos patrones de bits almacenados.

25. Método de funcionamiento de un servidor que se comunica con receptores para su uso conjuntamente con un sistema de navegación por satélite, comprendiendo el método:

almacenar un conjunto de patrones de bits, correspondiéndose dichos patrones de bits con códigos secundarios usados por el sistema de navegación por satélite y creados usando el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10;

recibir una solicitud de un receptor para acceder al conjunto de patrones de bits almacenados; y

suministrar los patrones de bits almacenados al receptor en respuesta a dicha solicitud para su uso en la adquisición de señales del sistema de navegación por satélite.

26. Método de funcionamiento de un servidor según la reivindicación 25, en el que dichos patrones de bits correspondientes a códigos secundarios usados por el sistema de navegación por satélite se seleccionan sustancialmente a partir de los patrones de bits expuestos en el Apéndice 1.1 ó el Apéndice 1.2.