Procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras en la navegación por satélites y en el posicionamiento de receptores GNSS.

Procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras en la navegación por satélites y en el posicionamiento de receptores GNSS.El procedimiento es aplicable a la navegación electrónica basada en satélites elegidos de un grupo que incluye GPS, Galileo, GLONASS y GNSS y comprende el uso de observaciones pasadas adquiridas desde unos receptores de referencia, próximos al receptor de satélite del usuario, según un cierto modelo de propagación proporcionado a partir de las estaciones permanentes, y/o un modelo climático o estacional externo. Todo ello puede aumentar sensiblemente la distancia máxima de aplicabilidad, respecto del receptor permanente más cercano, para las técnicas de posicionamiento y navegación precisa con GPS, Galileo, GLONASS y GNSS en general, con cualquiera de las diferentes técnicas desarrolladas hasta el momento (RTK, VRS, WARTK, TCAR entre otras)

Procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras en la navegación por satélites y en el posicionamiento de receptores GNSS.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de corrección de perturbaciones ionosféricas viajeras ("Travelling lonospheric Disturbances", TIDs) aplicable a la navegación por satélites y a receptores de navegación por satélite ("Global Navigation Satellite System" o GNSS en general, GPS, Glonass y Galileo en particular), destinados en particular a facilitar un posicionamiento muy preciso basado en la fase de las portadoras, a través de técnicas como "Real Time Kinematic" (RTK), "Virtual referente Station" (VRS), "Three Carrier Ambiguity Resolution" (TCAR), "Wide Area Real Time Kinematic" entre otras.

El procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras en la navegación electrónica basada en satélites GPS, Galileo, GLONASS y GNSS en general, se da en el contexto de la navegación electrónica precisa a través de señales de satélites que se ven refractadas por la Ionosfera, tanto por las variaciones a mayor escala como por las perturbaciones más locales, objetivo del presente procedimiento.

Antecedentes de la invención

Los procedimientos diseñados hasta la fecha para la corrección ionosférica en la navegación electrónica precisa por satélite han sido muy simples. Ello se ha debido fundamentalmente a que el principal campo de aplicación, la navegación con GPS, se ha desarrollado sobre todo a mediados de la década de los 90, coincidiendo con el mínimo de actividad solar (que sigue un ciclo de aproximadamente 11 años) y en el que el error introducido por la ionosfera es sensiblemente más pequeño de lo que es y será en situaciones de máximo.

La radiación electrónica por parte del Sol no es algo constante, sino que sigue ciclos de máximos y mínimos de un periodo de aproximadamente 11 años. Esta radiación electrónica llega a la atmósfera terrestre y aporta una densidad tal de electrones libres en la ionosfera que afecta a la señal GPS o de otro satélite, aportando un grado de error a las medidas del orden de metros.

La patente ES-A-2 255 446 divulga un procedimiento de determinación autónoma de la orientación de un receptor GNSS con una sola antena a partir de su información ionosférica tomando en consideración las fases de dos portadoras observadas en dos frecuencias distintas desde un satélite dado.

En la solicitud WO-A-2004/057364 se describe un método y un sistema para navegación en tiempo real utilizando señales radioeléctricas con tres portadoras y comprendiendo la aplicación de correcciones ionosféricas basadas en un modelo ionosférico constantemente actualizado calculado por una estación terrestre fija de referencia combinada con datos geodésicos.

La solicitud WO-A-03/069366 describe un server GPS capaz de recibir información para uso en determinación de errores ionosféricos utilizando fórmulas matemáticas creando un modelo ionosférico para predicción de ulteriores errores ionosféricos y para el envío de correcciones a receptores GPS situados en puntos aptos para recibir dicha información.

En la patente ES-A-2 168 920 se da a conocer un procedimiento que hace uso de la citada técnica WARTK para una determinación muy precisa de la corrección ionosférica para la navegación electrónica por satélite que aporta la posibilidad de pasar de errores del orden del metro a errores inferiores a 10 cm. La mayoría de los modelos conocidos para tratar la ionosfera antes de dicha patente eran de carácter bidimensional, mientras que la patente ES-A-2 168 920 está basada en la resolución en tiempo real de los valores ionosféricos de un modelo en el cual se supone una distribución tridimensional de los electrones libres de la ionosfera. Actualmente, en el contexto del posicionamiento y navegación GNSS de precisión (con pocos centímetros de error) los usuarios GNSS utilizan típicamente un único receptor y antena GNSS para obtener su posición tridimensional en una región de servicio de correcciones diferenciales precisas como por ejemplo RTK o VRS, alimentadas respectivamente por uno o varios receptores de referencia permanentes.

Sin embargo, hasta ahora no se había abordado la modelización y corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras (o TIDs), uno de los principales efectos que limitan la distancia a la estación de referencia más cercana. Si bien la patente ES-A-2 169 920 aporta una solución a las variaciones de las señales de satélite debido a las perturbaciones ionosféricas, a gran escala, las perturbaciones más locales quedan pendientes de resolución.

Es el objetivo de la presente invención el dar respuesta a la necesidad de un procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras en la navegación electrónica más locales.

La invención presentada en este documento viene a mejorar la funcionalidad a los receptores GNSS o "posicionadores" tridimensionales por satélite, gracias a la corrección en tiempo real de las perturbaciones ionosféricas viajeras, de tal forma que como resultado de la mejora el usuario puede navegar de forma precisa, con pocos centímetros de error, a una distancia mayor de las estaciones de referencia, pudiendo ser dicha distancia de hasta un 40% superior (más lejos) según muestran los resultados preliminares (o lo que es lo mismo permite la duplicación del área de servicio). Además hay que añadir que esta nueva corrección no supone una necesidad de dispositivos electrónicos o "hardware" adicional, siendo los medios de programación o software adicional necesario generalmente sencillo e integrado en el propio "software" de navegación del usuario.

Exposición de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras (TIDs) en la navegación electrónica basada en satélites GPS, Galileo, GLONASS y GNSS en general, comprendiendo las siguientes etapas para cada satélite GNSS a la vista del usuario y para cada instante de observación:

a) obtención de información acerca del efecto de la TID, al menos acerca de su elongación, en las observaciones adquiridas anteriormente por uno o más receptores permanentes próximos al receptor GNSS del usuario;

b) obtención de información acerca de parámetros de propagación de la TID comprendiendo la velocidad y dirección de propagación de la TID; y

c) cálculo a partir de la información sobre el efecto de la TID y de sus parámetros de propagación, de la corrección al efecto de la TID sobre las observaciones adquiridas por el usuario para cada satélite GNSS.

La obtención de información de la citada etapa b) se realiza a partir de una red local de receptores permanentes GNSS desplegados ad-hoc, o a partir de cualquier modelo climático o estacional, o por una combinación de ambas estrategias.

Este procedimiento se describe de manera secuencial, en sus aspectos principales y con un mayor detalle, conforme a un ejemplo de implementación, a continuación:

1. Se parte de la existencia de un servicio de correcciones que proporcione en tiempo real al usuario debidamente equipado, los valores necesarios, como la refracción ionosférica, para el posicionamiento y navegación con errores de pocos centímetros, gracias al procesado de las observaciones de una o en general varias estaciones permanentes próximas al usuario, utilizando técnicas tales como RTK, VRS, WARTK, TCAR, etc.

2. Se parte, además, de un usuario cualquiera, que se desplace por la zona cubierta por el servicio de correcciones mencionado anteriormente, y que esté debidamente equipado con un receptor GNSS que proporcione, además de medida de código, o pseudo distancias, medidas precisas de fase, para una, dos o más frecuencias.

3. El servicio de correcciones proporciona al usuario, por ejemplo, una estimación de la velocidad y dirección de propagación de las perturbaciones ionosféricas viajeras, por ejemplo a partir de una sub-red de estaciones dedicadas, o de una estimación estacional.

4. Para cada satélite GNSS dado, se realiza un ajuste, por ejemplo lineal, de las correcciones ionosféricas recibidas de cada estación de referencia teniendo en cuenta su distribución espacial, en términos por ejemplo de sus puntos sub-ionosférícos (intersección de cada rayo satélite GNSS-receptor con una cierta altura eficaz ionosférica, típicamente entre 300 y 600 Km. (por ejemplo 450 Km.).

5. El...

1. Procedimiento de corrección de las perturbaciones ionosféricas viajeras en la navegación por satélites y en el posicionamiento de receptores GNSS, estando basada dicha navegación en satélites elegidos de un grupo que incluye GPS, Galileo, GLONASS y GNSS,

caracterizado por comprender las siguientes etapas, para cada satélite GNSS a la vista del usuario, y para cada instante de observación:

a) obtención de información acerca del efecto de la TID, al menos de su elongación, en las observaciones adquiridas por uno o más receptores permanentes próximos al receptor GNSS del usuario;

b) obtención de información acerca de parámetros de propagación de la TID comprendiendo al menos una componente de la velocidad y dirección de propagación de dicha TID;

c) Cálculo a partir de la información sobre el efecto de la TID y de sus parámetros de propagación, de la corrección al efecto de la TID sobre las observaciones adquiridas por el usuario para cada satélite GNSS,

d) cálculo de los puntos sub-ionosféricos vistos tanto desde los receptores permanentes como desde el receptor de usuario; y

e) cálculo del retraso de la TID a considerar, entre la observación de usuario y la de la estación permanente más cercana que ya ha experimentado la TID, a partir del modelo de TID (incluyendo velocidad y dirección de propagación obtenidos a partir de un modelo estacional, climático o de una red local dedicada) y correcciones ionosféricas proporcionadas a partir de los datos de las estaciones permanentes.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha información acerca de parámetros de la TID es obtenida a partir de una red local de receptores permanentes GNSS desplegados ad-hoc, o a partir de cualquier modelo climático o estacional, o por una combinación de ambas estrategias.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque la obtención de información acerca del efecto de la TID comprende además su elongación para las observaciones adquiridas por uno o más receptores permanentes próximos al receptor GNSS del usuario, como residuo tras un ajuste de las correcciones ionosféricas calculadas con un modelo preciso para cada una de dichas estaciones permanentes.

4. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizada por comprender además:

e) cálculo de la corrección a la TID, mediante la aplicación del retraso antes calculado, al residuo del ajuste ionosférico, para la estación de referencia más cercana, en el ajuste anteriormente mencionado, y que ya ha experimentado el efecto de la TID; y

f) adición de la corrección a la TID junto a la corrección ionosférica estándar a partir de las correcciones transmitidas por los receptores permanentes, teniendo en cuenta la distribución relativa de los puntos sub-ionosféricos de las observaciones desde los receptores permanentes respecto de las observaciones desde el usuario.