PROCEDIMIENTO DE OPERACION DE UN RECEPTOR DE NAVEGACION POR SATELITE.

Un procedimiento de operación de un receptor de navegación por satélite que calcula su posición por medio de una multiplicidad de señales,

transmitida cada una de ellas por otro satélite como fuente telemétrica, caracterizado por la preselección de subconjuntos de dichas fuentes telemétricas y por el uso de un subconjunto de las mismas para calcular la estimación de la posición y comprobar los pseudoalcances de todas las señales recibidas de los satélites que no contribuyeron a esta estimación particular con respecto a su consenso con esta estimación y, por ello, a las fuentes telemétricas del subconjunto utilizado, refiriéndose el consenso a los pseudoalcances que coinciden de manera coherente en una solución de la posición, por comparar los subconjuntos preseleccionados con respecto al consenso con todas las demás fuentes telemétricas con cobertura, y determinándose el subconjunto que resulta en una estimación de la posición, que se corresponde a las fuentes telemétricas de mayor alcance, como el subconjunto con el mejor consenso, por identificar las fuentes telemétricas con una deriva en el pseudoalcance mayor que un umbral como fuentes telemétricas defectuosas, tras conocer todas las fuentes telemétricas coherentes, determinándose dicha deriva en comparación con una estimación de la posición basada en las fuentes telemétricas que formaron parte del mejor subconjunto o que coincidieron con él, y por usar esta información de identificación para excluir las fuentes telemétricas defectuosas para la determinación de la posición, la velocidad y la hora en el receptor

La presente invención versa acerca de un procedimiento de operación de un receptor de navegación por satélite que calcula su posición por medio de una multiplicidad de señales, transmitida cada una de ellas por otro satélite como fuente telemétrica.

En previsión del paso a la operatividad de las futuras constelaciones de sistemas globales de satélites de navegación (GNSS), como GPS IIF/III (EE. UU.), Galileo (Europa), GLONASS (Rusia) y Compass (China), surgirán multitud de preguntas sobre el uso de estas numerosas fuentes telemétricas. Las simulaciones demuestran que, con las constelaciones completas de Galileo y GPS, la mayoría de los usuarios tendrán una cobertura media de 18 satélites y de un mínimo de 13. De ahí que, con los modelos de amenazas dadas, aumentará la aplicabilidad de las técnicas de monitorización de la integridad autónoma del receptor (RAIM) con el fin de monitorizar la integridad de la posición. Además, el uso de receptores de dos frecuencias eliminará casi por completo los errores de magnitud mayor para el GPS sin ayudas: los causados por la demora ionosférica.

Desgraciadamente, no se puede suponer que los servicios de GNSS diferentes del GPS tendrán las mismas probabilidades de fallo de los satélites que la convierten hoy en la amenaza más importante para su integridad. El segmento de control podría demostrar y realizar una probabilidad de fallo de 10-3 mucho más fácilmente que la actual probabilidad aceptada de 10-5 . En conjunto, ya no será posible suponer que la probabilidad de fallo para más de un satélite dentro de cierto plazo sea insignificante.

Además, es cuestionable que siempre sea razonable calcular una estimación de la posición basada en todos los satélites con cobertura en vez de seleccionar únicamente un subconjunto de los “mejores”. En escenarios de GPS Aumentado, como el Sistema de Aumento de Área Local (LAAS), podría ser necesario considerar y corregir únicamente un subconjunto de la constelación actual, por razones relacionadas con el ancho de banda de señal disponible o debido a grandes errores de propagación que afecten a varias señales de los satélites.

El documento WO2007/064250 A1 describe un procedimiento de operación de un receptor para la navegación por satélite. Dicho procedimiento comprende seleccionar un conjunto de fuentes preferidas de señales entre un grupo de fuentes de señales de satélites potenciales, recibir señales del conjunto seleccionado de fuentes de señales y producir datos relacionados con la posición/el instante en base a las señales recibidas. Dicho procedimiento comprende, además, calcular una respectiva demanda de procesamiento requerida para producir los datos relacionados con la posición/el instante en base a cada subconjunto de varios subconjuntos candidatos de fuentes de señales entre el grupo de fuentes potenciales de señales, conteniendo cada subconjunto candidato al menos un número mínimo de fuentes de señales necesarias para producir los datos relacionados con la posición/el instante de una calidad deseada, y seleccionar el conjunto de fuentes preferidas de señales en base a un subconjunto candidato que se asocia con una demanda más baja calculada durante un periodo operativo subsiguiente para el receptor. La demanda de procesamiento puede calcularse estimando una respectiva calidad de señal de cada señal en el grupo de fuentes potenciales de señales. La calidad de señal puede estar reflejada por la estimación del parámetro de la potencia de la señal y/o la estimación del parámetro de la densidad de ruido y/o la estimación del parámetro de error del pseudoalcance y/o el parámetro que indica detección de interferencias, y/o datos de salud/estado de la fuente de señales.

La técnica de Separación de Soluciones de Hipótesis Múltiples (MHSS), descrita en Pervan Boris S., Pullen Samuel P. and Christie Jock R.: “A Multiple Hypothesis Approach to Satellite Navigation Integrity”, Journal of The Institute of Navigation, 1998, Vol. 45, pp. 61-71, es uno de los enfoques existentes más avanzados para identificar satélites defectuosos observando sus influencias en el Nivel de Protección Vertical (VPL). Esta técnica RAIM separa el cálculo del VPL en múltiples hipótesis, que incluyen los casos en los que fallan satélites individuales y múltiples, o incluso constelaciones enteras. Determinando los valores individuales de VPL bajo cada una de las hipótesis, ponderados por la probabilidad de su incidencia, puede determinarse el VPL global. Para identificar satélites defectuosos, el algoritmo construye subconjuntos de la geometría actual excluyendo uno o múltiples satélites a la vez. Se calcula un VPL global para cada subconjunto y, dado que el VPL debería aumentar con un número decreciente de satélites que funcionan correctamente, cabe esperar que los valores de VPL para los subconjuntos sean todos mayores que para la geometría completa. No obstante, si una deriva del satélite influyó el cálculo de la posición en un grado considerable, el VPL calculado disminuirá cuando se excluya este satélite defectuoso. Por lo tanto, se supone que el satélite que se excluyó en el subconjunto correspondiente, que resulta en el VPL más bajo, es el defectuoso. Minimizando el VPL, pueden no ser excluidos los satélites con una gran deriva telemétrica que no se traducen en un error grande de dominio en la posición, ya que su contribución reduce el VPL pese a todo, aunque sea en un grado pequeño.

Lee Young C.: “Analysis of Range and Position Comparison Methods as a Means to Provide GPS Integrity in the User Receiver”, Annual Meeting of the Institute of Navigation, Seattle, 1986, pp. 1-4 describe un procedimiento de comparación de alcances, en el que el receptor del usuario calcula en primer lugar la posición del usuario y la deriva horaria en base a cuatro satélites en un momento en el que se asumía un total de cinco satélites. A continuación, se usa cada una de las soluciones de navegación de los cuatro satélites para predecir el pseudoalcance al quinto satélite no incluido en esa solución particular. Las diferencias entre los pseudoalcances predichos y los correspondientes pseudoalcances medidos se usan como base para detectar un estado anormal. Dado que únicamente se proporciona una ecuación lineal para un ensayo de hipótesis, este procedimiento únicamente puede detectar un estado anormal en el que el error en el cálculo de la posición del usuario supera un umbral; no es posible identificar ningún satélite defectuoso usando solo cinco satélites.

Al contrario que el nuevo procedimiento, las técnicas existentes usan el enfoque general para identificar fallos midiendo el nivel de integridad. Se asume que una señal de un satélite que no degrade la integridad no sería excluida del cálculo de la posición. Así sucede, por ejemplo, en la técnica mencionada de MHSS, que usa el VPL como medición de la integridad. Debido a la solución ponderada de la posición, ni siquiera una señal de satélite con una deriva telemétrica elevada se traduce necesariamente en un gran error de dominio de la posición y puede, pese a todo, reducir el VPL global, aunque sea en un grado pequeño. Por ello, en estos escenarios, la señal defectuosa o con deriva no se detecta en absoluto. Sin embargo, la influencia de las señales de los satélites para el cálculo de la posición puede cambiar abruptamente (especialmente en cañones urbanos) y no disponer de conocimiento previo de señales defectuosas. Además, cuando hay presentes múltiples constelaciones, podría quererse excluir el satélite defectuoso, por ejemplo para mejorar la precisión, aunque esto no siempre dé por resultado el valor mínimo de VPL, con tal de que el nivel de protección permanezca por debajo del Límite de Alerta Vertical VAL (= límite superior del VPL).

Sin embargo, también en los escenarios en los que la señal más importante con respecto al cálculo de la posición (aquella que tiene la mayor influencia) tiene un defecto, los enfoques conocidos siguen necesitando derivas relativamente grandes para identificar esta señal. Sin embargo, es de gran importancia detectar las señales defectuosas ya con derivas pequeñas para permitir que se den las oportunas advertencias al usuario del receptor.

R. Grover Brown hace una reseña general de una variedad de modelos de la técnica RAIM en el capítulo 5, “Receiver Autonomous Integrity Monitoring”, páginas 143-165, del libro “Global Positioning System: Theory and Applications Volume II; [Progress in Astronautics and Aeronautics; vol. 164]”, editado por Parkinson B. W. et al. (1996-01-01, XP008090948,...

Reivindicaciones

1. Un procedimiento de operación de un receptor de navegación por satélite que calcula su posición por medio de una multiplicidad de señales, transmitida cada una de ellas por otro satélite como fuente telemétrica, caracterizado por la preselección de subconjuntos de dichas fuentes telemétricas y por el uso de un subconjunto de las mismas para calcular la estimación de la posición y comprobar los pseudoalcances de todas las señales recibidas de los satélites que no contribuyeron a esta estimación particular con respecto a su consenso con esta estimación y, por ello, a las fuentes telemétricas del subconjunto utilizado, refiriéndose el consenso a los pseudoalcances que coinciden de manera coherente en una solución de la posición, por comparar los subconjuntos preseleccionados con respecto al consenso con todas las demás fuentes telemétricas con cobertura, y determinándose el subconjunto que resulta en una estimación de la posición, que se corresponde a las fuentes telemétricas de mayor alcance, como el subconjunto con el mejor consenso, por identificar las fuentes telemétricas con una deriva en el pseudoalcance mayor que un umbral como fuentes telemétricas defectuosas, tras conocer todas las fuentes telemétricas coherentes, determinándose dicha deriva en comparación con una estimación de la posición basada en las fuentes telemétricas que formaron parte del mejor subconjunto o que coincidieron con él, y por usar esta información de identificación para excluir las fuentes telemétricas defectuosas para la determinación de la posición, la velocidad y la hora en el receptor.

2. Un procedimiento de operación de un receptor de navegación por satélite que calcula su posición por medio de una multiplicidad de señales, transmitida cada una de ellas por otro satélite como fuente telemétrica, caracterizado por la preselección de subconjuntos de dichas fuentes telemétricas y por el uso de un subconjunto de las mismas para calcular la estimación de la posición y comprobar los pseudoalcances de todas las señales recibidas de los satélites que no contribuyeron a esta estimación particular con respecto a su consenso con esta estimación y, por ello, a las fuentes telemétricas del subconjunto utilizado, refiriéndose el consenso a los pseudoalcances que coinciden de manera coherente en una solución de la posición, y por comparar los subconjuntos preseleccionados con respecto al consenso con todas las demás fuentes telemétricas con cobertura, siendo una fuente telemétrica un valor atípico si no contribuye a dicha estimación particular, por lo que los resultados con esta técnica sirven como entrada para algoritmos adicionales que cuentan el número de veces que cada fuente telemétrica es un valor atípico, incrementándose el contador para una fuente telemétrica cada vez que se

determina que esa fuente telemétrica es un valor atípico, y contándose también las veces que la fuente telemétrica forma parte del subconjunto actual, y por determinar que la fuente telemétrica con el valor de contador más elevado es la que tiene mayor probabilidad de ser defectuosa y que debe ser investigada por un procedimiento ejecutado de manera subsiguiente.

3. El procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado por el uso únicamente del mínimo número necesario de fuentes telemétricas.

4. El procedimiento según las reivindicaciones 1, 2 o 3 caracterizado por la verificación de los subconjuntos con sus fuentes telemétricas coherentes mediante un simple algoritmo RAIM para comprobar la integridad de este conjunto, para evitar seleccionar un subconjunto defectuoso de fuentes telemétricas.

5. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado por la utilización de una técnica de preselección de subconjuntos que evalúa los subconjuntos con respecto a su geometría.

6. El procedimiento según la reivindicación 5 caracterizado por el cálculo de la condición de las matrices geométricas y, por ende, por la evaluación de la ortogonalidad de los vectores normales en el espacio vectorial de cuatro dimensiones.

7. El procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado por el uso de la Disolución Ponderada de la Precisión (WDOP) como índice para que los subconjuntos incorporen las varianzas calculadas de los pseudoalcances de cada fuente telemétrica que forme parte del subconjunto.

8. El procedimiento según la reivindicación 5 caracterizado por la determinación de la ortogonalidad únicamente en un espacio bidimensional calculando la correlación de cada par de vectores posibles desde el receptor con las fuentes telemétricas individuales, y por la excluxión de todos los subconjuntos con emparejamientos inaceptables que tengan un valor elevado de correlación por mostrarse en aproximadamente la misma dirección.

9. El procedimiento según las reivindicaciones 6 y 7 caracterizado por la combinación con la técnica de preselección de la reivindicación 8.

10. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado por la aplicación de una técnica de postselección para identificar únicamente un cierto número máximo de fuentes telemétricas defectuosas, por lo que se encuentra la agrupación mínima necesaria de subconjuntos que es capaz de identificar el máximo número definido de fuentes telemétricas como defectuosas, adaptando este enfoque los cálculos necesarios en la técnica de detección de fallos y de exclusión a las premisas

adoptadas, y por la selección de los subconjuntos no solo con respecto a su capacidad de comprobar las combinaciones con fallos, sino también por sus valores de WDOP.

11. El procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por minimizar el número de subconjuntos que deben ser evaluados limitando el número de satélites defectuosos detectables.