METODO DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES DE POSICIONAMIENTO, EN PARTICULAR PARA APLICACIONES DE INTERIORES.

- Un método de procesamiento de un conjunto de señales de posicionamiento moduladas por código constituido por una superposición de señales individuales generadas por una pluralidad de emisores,

estando las señales individuales generadas por cada emisor definido por un código de modulación conocido, por un retardo de código desconocido y por un desplazamiento de frecuencia de portadora desconocido, comprendiendo el método los pasos de: (a) recibir y convertir dicha señal de posicionamiento durante un período de tiempo predeterminado, muestreando la señal de posicionamiento recibida a un período de muestreo predeterminado y convirtiéndola a formato digital; (b) para cada código de modulación conocido, determinar la primeros conjuntos de desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba y de retardos de código, generando localmente señales moduladas por código definidas por dicho código de modulación, dichos desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba y dichos retardos de código de prueba, y calculando correlaciones de dicha señal digitalizada con dichas señales moduladas por código generadas localmente; Caracterizado por que comprende adicionalmente los pasos de: (c) para cada código de modulación conocido (ci) y desplazamiento de frecuencia de portadora de prueba: (c1) determinar un pico de correlación principal de mayor magnitud ( * X i (τ* f 0 , f 0 )) como una función del retardo de código de prueba (1); * (c2) determinar si dicho pico de correlación principal ( X i (τ* f 0 , f 0 )) es posiblemente representativo de una señal individual generada por un emisor que utiliza dicho código de modulación (ci), comparando su magnitud con un umbral (2); y (c3) si se determina que dicho pico de correlación principal ( X i (τ* f 0, f 0 )) es posiblemente representativo de una señal individual, determinar si se ve afectado por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores en base a la diferencia entre su magnitud y la de un pico de correlación secundario de menor magnitud ( X i (τ'f 0 , f 0 )) correspondiente a un retardo de código diferente para el mismo desplazamiento de frecuencia de portadora de prueba (3); (d) para cada código de modulación conocido seleccionar, entre los picos de correlación que se ha determinado que posiblemente sean representativos de una señal individual y que no se ven afectados por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores, si los hubiere, el que tanga mayor magnitud, y tomar las correspondientes estimaciones de desplazamiento de frecuencia portadora y retardo de código de prueba como estimaciones del desplazamiento de frecuencia portadora y retardo de código desconocidos de dicha señal individual

La invención se refiere a un método de procesamiento de un conjunto de señales de posicionamiento de espectro ensanchado, y en particular a una señal del sistema global de navegación por satélite (GNSS), tal como una señal GPS, Glonass o Galileo. El método de la invención es particularmente adecuado para aplicaciones de posicionamiento urbanas y de interiores.

Los sistemas globales de navegación por satélite son sistemas que permiten a un receptor, ubicado en cualquier parte o en las proximidades de la Tierra, calcular su posición por medio de las señales emitidas por emisores de satélite sincronizados. Ejemplos de estos sistemas son el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) [Kaplan, 1996], Glonass y Galileo [Hein, 2000]. Un GNSS comprende una pluralidad de emisores de satélite que generan señales moduladas por código de secuencia directa [Utlaut, 1978], es decir, el código (tomando valores de + 1 y -1 o cualquier otro conjunto discreto de valores) multiplica la señal original. Por lo tanto, una señal de posicionamiento GNSS está constituida generalmente por una superposición de señales individuales moduladas por código generadas por un subconjunto de dichos emisores de satélite, estando cada señal individual definida por un código de propagación conocido, por un retardo de código desconocido y por un desplazamiento de la frecuencia portadora desconocido (usualmente denominado "Efecto Doppler", incluso si no es enteramente debido al efecto Doppler, sino también a desfases de frecuencia del oscilador y reloj). La determinación del retardo de código es la clave para el posicionamiento, pero una buena estimación del desplazamiento de frecuencia "Doppler" es esencial a fin de realizar una estimación de retardo de código precisa [Kaplan, de 1996, Tsui, 2005].

En los sistemas GNSS, el posicionamiento de una unidad de recepción requiere en primer lugar la estimación del momento de la transmisión y el momento de la recepción de las señales procedentes de diferentes emisores de satélite. A partir del momento de la recepción y del momento de la transmisión se calculan los denominados pseudorangos entre el receptor y cada transmisor. A continuación, la posición se calcula por triangulación utilizando los pseudorangos y la posición de los emisores de satélite.

En el uso convencional de los receptores GNSS, tanto el momento de la transmisión como la posición del emisor de satélite son obtenidos estimando el retardo de código, es decir, el retardo entre el código de la señal entrante y una réplica local del código de los receptores, sincronizando esa réplica local para el código de la señal entrante y demodulando la información (también conocida como mensaje de navegación) transportada en la señal entrante. Por lo tanto, la estimación del retardo de código para cada señal procedente de un emisor de satélite será una de las principales tareas del receptor. Los pseudorangos se corrigen antes de la triangulación con el fin de eliminar errores provenientes del reloj del emisor de satélite, del movimiento del emisor de satélite (efectos relativísticos) y de la propagación a través de la ionosfera y la troposfera. Las correcciones para los tres primeros errores pueden ser obtenidas a partir del mensaje de navegación. Para el último de ellos, el receptor puede aplicar algunos modelos conocidos [Kaplan, 1996]. Como la referencia temporal utilizada en el receptor no está sincronizada con la utilizada por el transmisor, el error del reloj del receptor es otra incógnita a ser estimada, además de las tres coordenadas de posición. Por lo tanto, son necesarios al menos los pseudorangos para cuatro emisores de satélite para establecer la posición del receptor. Si el error de reloj de la unidad receptora se mantiene igual a cero por cualquier medio y/o algunas de las coordenadas de posición son conocidas, se reducirá el número de emisores de satélite requerido por el número de incógnitas que se eliminan.

En algunas ocasiones, no es posible demodular el mensaje de navegación, ya sea debido al bajo nivel de la señal recibida o debido a las limitaciones de tiempo en el momento del primer establecimiento de posición (hay que reseñar que sería necesario obtener la información en el mensaje de navegación de cada emisor de satélite durante un intervalo de tiempo de hasta treinta segundos). En ese caso, se utiliza un método asistido: la información contenida en el mensaje de navegación es proporcionada por un Servidor de Ubicación, que obtiene la información desde una unidad receptora de exteriores ubicada en las cercanías o desde otros medios. Este método se denomina GNSS Asistido, A-GNSS en abreviatura (GPS Asistido o A-GPS para el caso particular de GPS) y puede reducir el momento del primer establecimiento de posición hasta varios segundos y puede ayudar a reducir la potencia mínima requerida en la señal recibida. En las condiciones esperadas de uso del GNSS-Asistido, el mensaje de navegación por lo general no se recupera y, por lo tanto, el receptor no tiene disponibles las "marcas" en la señal que indican el momento de la transmisión (como, por ejemplo, el momento-de-la-semana, TOW). Se pueden determinar las diferencias entre los momentos de transmisión de las señales de los emisores de satélite recibidas directamente a partir de las mediciones, pero no el valor absoluto puesto que existe un término constante pero desconocido que afecta a todos ellos. Esta dificultad puede tratarse de dos maneras:

• Haciendo mediciones a por lo menos cinco emisores de satélite (en lugar de cuatro, como en la operación convencional) y estimando ese término en el proceso de establecimiento de la posición del receptor [Peterson, 1995, Syrjarinne, 2000].

• Sincronizando el receptor a la referencia temporal del GNSS con alta precisión. Esto permite a la unidad receptora medir los momentos de transmisión sin tener acceso a las marcas en las señales. Como en la operación convencional, el número mínimo de emisores de satélite recibidos es cuatro. La sincronización precisa puede conseguirse por medios externos, tales como el enlace de comunicaciones entre el Servidor de Ubicación y el receptor [3GPP, 2005].

Como se propone en los párrafos anteriores el cálculo de la posición puede tener lugar en el receptor. Este método normalmente se denomina "cálculo de ubicación basado en el receptor". No obstante, en aras de la complejidad y ahorro de costes en el receptor, este cálculo puede realizarse en una unidad externa a la que el receptor envía los pseudorangos y momentos de recepción de las señales, y otra información pertinente a través de un enlace de datos. Este método normalmente se denomina "cálculo de ubicación asistido por el receptor" y fue explotado por la patente estadounidense 5.225.842 concedida a Brown et al. El cálculo de la posición podría hacerse de manera convencional o de una manera asistida dependiendo de los datos proporcionados por el receptor y, finalmente, por el Servidor de Ubicación.

Los algoritmos de posicionamiento y procesamiento de señal GNSS convencionales fallan cuando el receptor se encuentra en zonas urbanas muy densas, como cañones urbanos, o en el interior de edificios. En ambos tipos de entornos, las señales GNSS están sujetas a alta atenuación y obstrucción (debido a la propagación a través de los edificios y los denominados "cañones urbanos"), el denominado "problema de cerca-lejos" (puesto que las señales proceden de diferentes emisores de satélite que experimentan atenuaciones muy diferentes), y multiruta severa debido a la reflexión de la señal y a la difracción [LaChapelle, 2004b]. Puesto que la propagación en ambos tipos de entornos, es decir, cañones urbanos e interiores de edificios, sufre los mismos problemas, en lo sucesivo se denominan conjuntamente entornos de interiores.

La atenuación debida a la propagación en entornos "de interiores" puede ser más de 30 dB. Por lo tanto las señales transmitidas por las unidades de transmisión a bordo de los emisores de satélite llegarán a un receptor de interiores con un nivel muy débil de potencia, dado que los GNSS nominalmente están diseñados para una operación en exteriores. Esto significa que un receptor de alta sensibilidad está obligado a detectar las señales; de lo contrario no habrá ningún medio para estimar sus pseudorangos.

El hecho de que las señales de diferentes emisores de satélite puedan experimentar una atenuación diferente conforme siguen diferentes rutas de propagación da lugar al problema denominado cerca-lejos: si dos señales provenientes...

1. Un método de procesamiento de un conjunto de señales de posicionamiento moduladas por código constituido por una superposición de señales individuales generadas por una pluralidad de emisores, estando las señales individuales generadas por cada emisor definido por un código de modulación conocido, por un retardo de código desconocido y por un desplazamiento de frecuencia de portadora desconocido, comprendiendo el método los pasos de:

(a) recibir y convertir dicha señal de posicionamiento durante un período de tiempo predeterminado, muestreando la señal de posicionamiento recibida a un período de muestreo predeterminado y convirtiéndola a formato digital;

(b) para cada código de modulación conocido, determinar la primeros conjuntos de desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba y de retardos de código, generando localmente señales moduladas por código definidas por dicho código de modulación, dichos desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba y dichos retardos de código de prueba, y calculando correlaciones de dicha señal digitalizada con dichas señales moduladas por código generadas localmente;

Caracterizado por que comprende adicionalmente los pasos de:

(c) para cada código de modulación conocido (ci) y desplazamiento de frecuencia de

portadora de prueba: (c1) determinar un pico de correlación principal de mayor magnitud (

*

Xi (τ f 0, f0 )) como una función del retardo de código de prueba (1);

*

(c2) determinar si dicho pico de correlación principal ( Xi (τ f 0, f0 )) es posiblemente representativo de una señal individual generada por un emisor que utiliza dicho código de modulación (ci), comparando su magnitud con un umbral (2); y

*

(c3) si se determina que dicho pico de correlación principal ( Xi (τ f 0, f0 )) es posiblemente representativo de una señal individual, determinar si se ve afectado por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores en base a la diferencia entre su magnitud y la de un pico de

'

correlación secundario de menor magnitud ( Xi (τ f 0, f0 )) correspondiente a un retardo de código diferente para el mismo desplazamiento de frecuencia de portadora de prueba (3);

(d) para cada código de modulación conocido seleccionar, entre los picos de correlación que se ha determinado que posiblemente sean representativos de una señal individual y que no se ven afectados por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores, si los hubiere, el que tanga mayor magnitud, y tomar las correspondientes estimaciones de desplazamiento de frecuencia portadora y retardo de código de prueba como estimaciones del desplazamiento de frecuencia portadora y retardo de código desconocidos de dicha señal individual.

2. Un método según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un paso de:

(e) determinar que un emisor se ve afectado por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores si, para el código de modulación correspondiente a dicho emisor individual, todos los picos de correlación que se ha determinado que posiblemente sean representativos de una señal individual también se ha determinado que se ven afectados por interferencias; en caso contrario determinar que dicho emisor está libre de interferencias (33).

3. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que, para cada código de modulación conocido, el paso de:

(c3) determinar si cada pico de correlación se ve afectado por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores (3), sólo se lleva a cabo tras los pasos de: (c1) determinar un pico de correlación en función del retardo de código de prueba (1), y (c2) determinar si dicho pico de correlación es posiblemente representativo de una señal individual generada por el emisor que utiliza dicho código de modulación (2), se han llevado a cabo para todos los desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba.

4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho paso de cálculo de correlaciones comprende:

(b1) subdividir la señal digitalizada en una pluralidad de bloques de datos; (b2) calcular las correlaciones de dichos bloques de datos con dichas señales moduladas por código generadas localmente que incluyen el efecto Doppler en el código; e (b3) incoherentemente sumar los resultados de dichas correlaciones.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho

*

paso (3) de determinar si dicho pico de correlación ( Xi (τ f 0, f0 )) se ve afectado por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores comprende:

(c3.1) identificar un pico de correlación secundario ( Xi (τ ' f 0, f0 )) para el mismo desplazamiento de frecuencia de portadora; (c3.2) calcular la diferencia de los valores del pico de correlación y del pico de correlación secundario y normalizarla con respecto a una estimación de amplitud de ruido de fondo (31, 32); y (c3.3) determinar que dicho pico de correlación se ve afectado por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores si dicha diferencia normalizada es menor que un valor de umbral predeterminado (33).

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente un paso de refinado (4, 5) de:

(f1) seleccionar los códigos de modulación para los que se ha determinado que al menos un pico de correlación es posiblemente representativo de una señal individual y no se ve afectado por interferencias; (f2) para cada código de modulación seleccionado:

(f2.1) determinar un segundo conjunto de desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba que incluyen la estimación previamente determinada del desplazamiento de frecuencia de portadora desconocido, siendo la diferencia entre los dos desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba de dicho segundo conjunto menor que la diferencia entre dos desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba de dicho primer conjunto; y (f2.3) determinar un segundo conjunto de retardos de código de prueba que incluyen la estimación previamente determinada del retardo de código desconocido, siendo la diferencia entre dos retardos de código de prueba de dicho segundo conjunto menor o igual que la diferencia entre dos retardos de código de prueba de dicho primer conjunto; (f3) generar localmente señales moduladas por código definidas por dicho código de modulación, dichos desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba diferentes y dichos retardos de código de prueba, y calcular las correlaciones de dicha señal digitalizada con dichas señales moduladas por código generadas localmente; (f4) determinar estimaciones del desplazamiento de frecuencia y del retardo de código mejoradas sobre la base de las correlaciones recién calculadas.

7. Un método según la reivindicación 6, en el que el paso de determinar estimaciones del desplazamiento de frecuencia y del retardo de código mejoradas sobre la base de las correlaciones recién calculadas (4, 5) comprende:

(f4.1) realizar una interpolación polinomial a trozos de dichas correlaciones (5); (f4.2) para cada código seleccionado y para cada desplazamiento de frecuencia de portadora de prueba, determinar el pico de una función de interpolación como función del retardo de código de prueba; (f4.3) para cada código seleccionado, elegir el pico de la función de interpolación que tenga la mayor magnitud, y tomar el correspondiente desplazamiento de frecuencia de portadora y retardo de código como dichas estimaciones del desplazamiento de frecuencia y retardo de código mejoradas.

8. Un método según la reivindicación 7, en el que dicha interpolación polinomial a trozos es elegida entre una interpolación lineal a trozos y una interpolación cuadrática.

9. Un método según la reivindicación 2, o cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8 cuando dependan de la reivindicación 2, que comprende adicionalmente los pasos de:

(g) para cada código de modulación para los que se ha determinado que al menos un pico de correlación es posiblemente representativo de una señal individual generada por el emisor que utiliza dicho código de modulación, estimar una relación de densidad espectral portadora-a-ruido (C/No) para la correspondiente señal individual (6); y

(h) si dicha densidad espectral portadora-a-ruido (C/No) es mayor que un umbral predeterminado (THcn), determinar que es probable que dicha señal individual produzca interferencias (7).

10. Un método según la reivindicación 9, que comprende adicionalmente los pasos

de:

(i) cancelar las interferencias de la señal recibida, muestreada y digitalizada utilizando un método de proyección del subespacio (8); y

(j) repetir los pasos (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) que siguen a la conversión a formato digital de las señales individuales que han sido sometidas a la cancelación de interferencias (8).

11. Un método según la reivindicación 2, o cualquiera de las reivindicaciones de 3 a 8 cuando dependan de la reivindicación 2, que comprende adicionalmente el paso de determinar si el número de estimaciones de desplazamiento de frecuencia y retardo de código es suficiente para el posicionamiento y, si se determina que el número de dichas estimaciones es insuficiente, comprende adicionalmente los pasos de:

(g) para cada código de modulación para los que se ha determinado que al menos un pico de correlación sea posiblemente representativo de una señal individual generada por el emisor que utiliza dicho código de modulación, estimar una relación de densidad espectral portadora-a-ruido para la correspondiente señal individual (6);

(h) si dicha relación de densidad espectral portadora-a-ruido es mayor que un umbral predeterminado, determinar que sea probable que dicha señal individual produzca interferencias (7);

(i) cancelar las interferencias de la señal recibida, muestreada y digitalizada utilizando un método de proyección del subespacio (8); y

(j) repetir los pasos (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) que siguen a la conversión a formato digital de las señales individuales que han sido sometidas a la cancelación de interferencias.

12. Un método según la reivindicación 10 u 11, en el que dicho pasoetapa (8) de cancelación de interferencias comprende:

(i1) construir un conjunto de vectores ortonormales equivalentes al conjunto de señales individuales que se han determinado susceptibles de producir interferencias (82); (i2) tomar, como señales cuyas interferencias han sido canceladas, los complementos ortogonales de dichas señales individuales, que se ha determinado que han sido afectadas por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores, con respecto al subespacio generado por dicho conjunto de vectores

ortonormales (83).

13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que dichos pasos de estimación de la relación de densidad espectral portadora-a-ruido (6), de determinación de si una señal individual es susceptible de producir interferencias (7) y de cancelar interferencias de la señal recibida, muestreada y digitalizada (8) se llevan a cabo para cada código de modulación conocido tras dicho paso de determinación de si los picos de correlación son afectados por interferencias (3) y antes de tomar en cuenta el próximo código de modulación conocido.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos emisores son emisores de satélite (SE), comprendiendo el método adicionalmente un paso de adquirir desde un emisor de asistencia terrestre (LS) un conjunto de códigos de modulación correspondientes a emisores de satélite (SE) de los cuales es probable recibir señales individuales.

15. Un método de procesamiento de un conjunto de señales de posicionamiento de espectro ensanchado constituido por una superposición de señales individuales generadas por una pluralidad de emisores, definiéndose la señal individual generada por cada emisor por un código de modulación conocido, por un retardo de código desconocido y por un desplazamiento de frecuencia de portadora desconocido, comprendiendo el método los pasos de:

- realizar un método según la reivindicación 14 cuando dependa de la reivindicación 2 hasta que se determine que un primer emisor está libre de interferencias; -obtener desde dicho emisor de asistencia terrestre (LS), cuya posición es conocida, un conjunto de retardos de código con respecto a dicho emisor de asistencia terrestre (LS), correspondiente a los emisores de satélite (SE) de los cuales es probable recibir señales individuales; -para cada código de modulación restante correspondiente a dichos emisores de satélite (SE) de los cuales es probable recibir señales individuales:

- determinar los primeros conjuntos de desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba y de retardos de código, siendo dicho primer conjunto de retardos de código de prueba un conjunto reducido determinado sobre la base de dicho conjunto de retardos de código relativo a dicho emisor de asistencia terrestre de posición conocida (LS) y sobre la base del retardo de código de dicho primer emisor adquirido; -localmente generar señales moduladas por código definidas por dicho código de modulación, dichos desplazamientos de frecuencia de portadora de prueba y dichos retardos de código de prueba, y calcular correlaciones de dicha señal recibida, muestreada y digitalizada con dichas señales moduladas por código generadas localmente; -calcular correlaciones lineales de la señal recibida, muestreada y digitalizada con dichas señales moduladas por código generadas localmente;

- para cada uno de dichos códigos de modulación y desplazamientos de frecuencia de

portadora de prueba: -determinar un pico de correlación como una función del retardo de código de prueba (91); -determinar si dicho pico de correlación es posiblemente representativo de una señal individual generada por un emisor que utiliza dicho código de modulación, comparando su magnitud con un primer umbral (92);

- para cada código de modulación para los cuales se ha determinado que al menos un pico de correlación sea posiblemente representativo de una señal individual generada por el emisor que utiliza dicho código de modulación:

- estimar una relación de densidad espectral portadora-a-ruido para la correspondiente señal individual (93); -si dicha relación de densidad espectral portadora-a-ruido es mayor que un segundo umbral, determinar que dicha señal individual no se ve afectada por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores (94);

- para cada uno de dichos códigos de modulación seleccionar, entre los picos de correlación que se ha determinado que posiblemente sean representativos de una señal individual y no se vean afectados por interferencias de señales individuales generadas por otros emisores, si los hubiere, el que tenga la mayor magnitud, y tomar las correspondientes estimaciones de desplazamiento de frecuencia portadora y retardo de código de prueba como estimaciones del desplazamiento de frecuencia portadora y retardo de código desconocidos de dicha señal individual.

16. Un método según la reivindicación 15, que comprende adicionalmente un paso

(98) de actualización de dicho segundo umbral a un valor igual a la más alta relación de densidad espectral portadora–a-ruido estimada (en dBHz) menos un valor predeterminado (en dB).

17. Un método según la reivindicación 15 ó 16, que comprende adicionalmente un paso de refinamiento (95) según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15.

18. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17 en el que, para cada código de modulación, dicho conjunto reducido de retardos de código de prueba abarca un intervalo de tiempo centrado en dicho retardo de código de referencia y cuyo ancho viene dado por

**(Ver fórmula)**

10 donde:

- dMAX es una estimación superior de la distancia a dicho emisor de asistencia terrestre (LS);

- ei es el ángulo de elevación para el emisor de satélite (SE) que utiliza dicho código 15 de modulación con respecto a dicho emisor de asistencia terrestre (LS);

- e1 es el ángulo de elevación para dicho primer emisor de satélite que se determina que está libre de interferencias con respecto a dicho emisor de asistencia terrestre (LS); y

- c es la velocidad de la luz. 20