METODO Y APARATO PARA PROCESAR SEÑALES PARA APLICACIONES DE DETERMINACION DE LA SEPARACION.

Método para procesar por lo menos una señal enviada por un transmisor,

usándose dicha señal para medir la separación, es decir, la distancia entre dicho transmisor y un receptor, comprendiendo dicha señal una señal portadora modulada por un código de ruido seudoaleatorio (PRN), comprendiendo dicho método las etapas siguientes:

- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,

- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con por lo menos cuatro réplicas (P-M,..., P+N) del código PRN, estando desplazadas dichas réplicas en el tiempo una con respecto a otra,

- calcular los valores de correlación (I-M,..., I+N) de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,

- calcular, a partir de dichos valores de correlación (I-M,..., I+N), una estimación del error por multitrayecto,

caracterizado porque dicho cálculo se basa en una fórmula predefinida, que iguala dicho error por multitrayecto a una función predefinida de dichos valores de correlación (I-M, ..., I+N), siendo dicha fórmula predefinida una combinación lineal de dichos valores de correlación (I-M, ..., I+N), estando normalizado cada uno de dichos valores por el valor de correlación (I0) de dicha réplica puntual (P0), siendo dicha combinación lineal de la siguiente forma:

Método y aparato para procesar señales para aplicaciones de determinación de la separación.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método y un aparato para recibir y procesar señales, esencialmente señales del tipo de espectro ensanchado, tales como las que se usan en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).

Estado de la técnica

En la actualidad, se están usando ampliamente sistemas de posicionamiento basados en satélites. Los más conocidos son el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) desarrollado por el gobierno de los Estados Unidos o el Sistema de Navegación Global por Satélite (GLONASS) desarrollado por el gobierno ruso. La principal finalidad de estos sistemas es proporcionar posición, velocidad y tiempo a cualquier usuario en o cerca de la superficie de la tierra. El usuario determina su posición en el espacio y el tiempo midiendo su separación (range) con respecto a por lo menos 4 satélites cuya posición y tiempo se determinan de forma precisa, definiéndose la separación como la distancia entre el usuario y un satélite.

Los satélites GPS transmiten señales sobre dos frecuencias portadoras denominadas L1 a 1.575,42 MHz y L2 a 1.227,6 MHz. Las portadoras son moduladas por códigos de ensanchamiento seudoaleatorios (PRN) que son exclusivos de cada satélite, y por un mensaje de navegación. Todos los satélites transmiten en las mismas frecuencias. La distinción entre los satélites es posible debido a que todos los códigos PRN se seleccionan de manera que sean ortogonales.

La portadora L1 es modulada por el denominado código de aproximación/adquisición ("código C/A") y el código de precisión ("código P"). El código C/A tiene una velocidad de transmisión de segmentos de 1,023 MHz y una longitud de 1 ms, y por lo tanto contiene 1.023 segmentos (el término "segmento" se usa para los símbolos de código). Se repiten los mismos 1.023 chips cada milisegundo. El código P tiene una velocidad de transmisión de segmentos de 10,23 MHz y una longitud de 1 semana. De este modo, se repite el mismo patrón cada semana. La portadora L2 es modulada únicamente por el código P. El ancho de banda de la señal en L1 y L2 se limita en el satélite al lóbulo principal del espectro del código P, es decir, 20,46 MHz.

Además de la modulación del código PRN, cada una de las portadoras es modulada también por un mensaje de navegación de 50 Hz, que transporta todos los parámetros necesarios para calcular la posición y el tiempo del satélite.

El seguimiento de la señal implica la sincronización de réplicas locales de la portadora y códigos PRN del satélite del que se va a realizar el seguimiento con la portadora y códigos PRN entrantes de ese satélite. Esto significa que el receptor debe tener la capacidad de generar los códigos PRN de todos los satélites. El seguimiento de la señal se logra modificando continuamente la fase y frecuencia de la réplica de la portadora y retardando o adelantando la réplica del código con el fin de mantenerlas enganchadas a la señal entrante. El seguimiento de la portadora se logra en un bucle de enganche de fase (PLL), mientras que el seguimiento del código se realiza mediante un bucle de enganche de retardo (DLL). Por definición, cuando se logra la sincronización, la fase de la réplica de la portadora es igual a la fase de la portadora entrante, y el retardo que se tuvo que aplicar a la réplica del código es igual que el del código entrante.

La medición de la separación por parte de un receptor GPS se basa en la medición de ese retardo, que es una medida directa del tiempo de desplazamiento de la señal desde el satélite al receptor. Multiplicando el retardo por la velocidad de la luz, el receptor calcula su separación del satélite.

Varias fuentes de errores influyen en la precisión de la medición de la separación al satélite. Uno de los más incómodos es el error por multitrayecto. El multitrayecto es un tipo especial de interferencia en el que la señal recibida está compuesta por la señal deseada de línea de visión directa, y uno o más componentes que han recorrido trayectos ligeramente diferentes debido a reflexiones sobre superficies u objetos en las cercanías de la antena. Las señales multitrayecto llegan al receptor con un retardo, fase y potencia diferentes a los de la señal de línea de visión directa.

El error de determinación de la separación (ranging) debido al multitrayecto depende del retardo, la fase y la potencia de la señal multitrayecto con respecto a la señal de línea de visión directa, y del tipo de procesado de la señal que use el receptor. Se han ideado varias técnicas de procesado digital para reducir el efecto del multitrayecto sobre las mediciones de determinación de la separación.

No obstante, un inconveniente común de los métodos disponibles de mitigación del multitrayecto es que los mismos no pueden reducir un multitrayecto que presente un retardo corto. Incluso para las técnicas más recientes de mitigación del error por multitrayecto, un multitrayecto que llegue al receptor con un retardo menor que aproximadamente 20 m influye en la medición de la separación como si no se usara en absoluto ninguna técnica de mitigación. Esta es una limitación importante de las técnicas actuales ya que, en situaciones de la vida real, la mayoría de las señales multitrayecto son del tipo de retardo corto.

El documento US-A-5.390.207 se refiere a un receptor para señales codificadas con ruido seudoaleatorio. El funcionamiento del dispositivo se basa en estrechar el espaciamiento de anticipación-retraso (early-late), a una fracción del tiempo de un segmento de código PRN, con el fin de mitigar errores por multitrayecto. El uso de correladores de anticipación-retraso es una técnica conocida para engancharse a un código PRN entrante, y el espaciamiento de anticipación-retraso, es decir, el espaciamiento de tiempo entre versiones anticipadas y retrasadas del código PRN local es un parámetro importante cuando se trata de mitigar errores por multitrayecto. La definición exacta de este término se proporciona en el párrafo siguiente.

El documento US-A-5.734.674 se refiere también a un receptor para señales codificadas por PRN; el receptor descrito en este documento tiene la capacidad de ajustar dinámicamente el espaciamiento de anticipación-retraso entre señales de correlación.

El documento US-A-5.809.064 se refiere a mejoras en el mismo tipo de receptor que el descrito en el documento US-A-5.734.674, y se basa también en el ajuste dinámico del espaciamiento de anticipación-retraso.

Todas las técnicas relacionadas con el ajuste y la reducción esencial del espaciamiento de anticipación-retraso están vinculadas con una modificación del discriminador de DLL. Un nombre genérico para estas técnicas es el "espaciamiento estrecho", en oposición a técnicas en las que no tiene lugar ninguna mitigación del error por multitrayecto (técnicas de "espaciamiento amplio"). Se ha observado que los planteamientos de "espaciamiento estrecho" de la técnica anterior reducen el error máximo de la separación con un factor 10 en comparación con los planteamientos de "espaciamiento amplio". No obstante, sigue quedando un error importante por multitrayecto para una amplia gama de retardos multitrayectos.

El documento US-A-5.414.729 se refiere a un receptor para señales codificadas por PRN, en el que una pluralidad de señales de correlación se alimenta a un estimador de parámetros, a partir del cual se pueden estimar los parámetros de retardo, amplitud y fase de la señal de trayecto directo, así como cualquier señal multitrayecto. No obstante, esta estimación tiene lugar resolviendo un sistema de ecuaciones, por ejemplo, a través de un cálculo de mínimos cuadrados, que requiere capacidades complejas y caras de hardware y software.

El documento US-A-5.953.367 se refiere a un receptor para señales codificadas por PRN, que comprende una pluralidad de correladores de DLL dispuestos en cada uno de los múltiples canales de procesado del receptor. Estos correladores se combinan de tal manera que se construye un discriminador de DLL que no se ve afectado por la mayoría de los errores de multitrayecto. Esto mejora el seguimiento en presencia del multitrayecto, aunque requiere una modificación significativa de la arquitectura DLL, en comparación con DLLs de espaciamiento amplio y de espaciamiento estrecho.

El documento US-A-5.901.183 se refiere a un receptor para señales codificadas por PRN, en el que los bucles tanto del código...

1. Método para procesar por lo menos una señal enviada por un transmisor, usándose dicha señal para medir la separación, es decir, la distancia entre dicho transmisor y un receptor, comprendiendo dicha señal una señal portadora modulada por un código de ruido seudoaleatorio (PRN), comprendiendo dicho método las etapas siguientes:

- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,

- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con por lo menos cuatro réplicas (P_-M,..., P_+N) del código PRN, estando desplazadas dichas réplicas en el tiempo una con respecto a otra,

- calcular los valores de correlación (I_-M,..., I_+N) de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,

- calcular, a partir de dichos valores de correlación (I_-M,..., I_+N), una estimación del error por multitrayecto,

caracterizado porque dicho cálculo se basa en una fórmula predefinida, que iguala dicho error por multitrayecto a una función predefinida de dichos valores de correlación (I_-M, ..., I_+N), siendo dicha fórmula predefinida una combinación lineal de dichos valores de correlación (I_-M, ..., I_+N), estando normalizado cada uno de dichos valores por el valor de correlación (I₀) de dicha réplica puntual (P₀), siendo dicha combinación lineal de la siguiente forma:

en la que MP representa el error por multitrayecto, d representa el espaciamiento de anticipación-retraso, I₀ representa el valor de correlación de dicha réplica puntual, I_-M, ..., I_+N representan los valores de correlación, a_i representan uno o más valores predefinidos, siendo dichos valores a_i constantes y siendo calculados solamente una vez durante el diseño del receptor, y obteniéndose dicho o dichos valores predefinidos a_i mediante una optimización de manera que la estimación resultante del multitrayecto se ajusta del mejor modo al error real por multitrayecto en términos de mínimos cuadrados para una gama amplia de relaciones de potencia de señal/multitrayecto.

2. Método según la reivindicación 1, que comprende las etapas siguientes:

- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,

- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con tres réplicas (P₀, P_-1, P₊₁), espaciadas equitativamente, de dicho código PRN, es decir, una réplica anticipada (P_-1), puntual (P₀) y retrasada (P₊₁), con un espaciamiento determinado (d) de anticipación-retraso,

- multiplicar dicha señal de banda base con por lo menos una réplica adicional de dicho código PRN, estando desplazada en el tiempo dicha réplica adicional con respecto a dichas réplicas anticipada, retrasada y puntual,

- calcular los valores de correlación (I_-M, ..., I_+N) de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,

- enganchar el código puntual (P₀) a la señal de banda base manteniendo iguales entre sí los dos valores de correlación (I_-1, I₊₁), es decir, los valores de correlación entre dicha señal de banda base y dichas réplicas anticipada y retrasada (P_-1, P₊₁),

- calcular la separación multiplicando el retardo del código puntual (P₀) por la velocidad de la luz,

- calcular, a partir de dichos valores de correlación (I_-M, ..., I_+N), una estimación del error por multitrayecto, basándose dicho cálculo en dicha fórmula predefinida,

- filtrar dicha estimación del error por multitrayecto y se resta de dicha separación calculada dicha estimación del error por multitrayecto, produciéndose un valor de separación corregido.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas se desplaza el mismo retardo de tiempo con respecto a la réplica siguiente y/o previa.

4. Método según la reivindicación 3, en el que se utilizan cuatro réplicas, y en el que el espaciamiento (d) de anticipación-retraso es 1/15 de la longitud de un segmento, y en el que la cuarta réplica (P₊₂) es 1/15 de la longitud de un segmento posterior a dicha réplica puntual (P₀), y en el que dicha estimación del error por multitrayecto (MP) se calcula como:

5. Receptor adaptado para realizar el método según la reivindicación 1, comprendiendo dicho receptor una pluralidad de canales para detectar y engancharse a una pluralidad de señales codificadas por PRN, comprendiendo cada canal:

- una línea (20) de retardo, que comprende por lo menos cuatro tomas, para crear una réplica anticipada (P_-1) de un código PRN, una réplica puntual (P₀), una réplica retrasada (P₊₁), y por lo menos una réplica adicional,

- una pluralidad de mezcladores (7) y acumuladores (8) para calcular por lo menos cuatro valores de correlación (I_-M, ..., I_+N),

caracterizado porque dicho receptor comprende además:

- un módulo estimador (23) de multitrayecto para calcular una estimación del error por multitrayecto (MP), sobre la base de una fórmula predefinida, en la que dicha fórmula predefinida es una combinación lineal de dichos valores de correlación (I_-M, ..., I_+N), estando normalizado cada uno de dichos valores por el valor de correlación (I₀) de dicha réplica puntual (P₀),

- un filtro paso bajo (24).

6. Receptor según la reivindicación 5, en el que dicho módulo estimador (23) de multitrayecto comprende unos medios de software para calcular la estimación del error por multitrayecto basándose en una fórmula predefinida.

7. Receptor según la reivindicación 5, en el que dicho módulo estimador (23) de multitrayecto comprende unos medios de hardware para calcular la estimación del error por multitrayecto basándose en una fórmula predefinida.