PROCEDIMIENTOS Y SISTEMA PARA LA DETERMINACIÓN DE ÁNGULOS DE MIRA ENTRE DOS DISPOSITIVOS.

Procedimientos y sistema para la determinación de ángulos de mira entre dos dispositivos. La presente invención se refiere a la determinación de ángulos de mira entre dos dispositivos. Más particularmente, la presente invención se refiere a la determinación de ángulos de mira basada en medidas de fases angulares de señales radioeléctricas emitidas por un primer dispositivo y recibidas por un segundo dispositivo. La línea de mira de un primer dispositivo denominado emisor en un sistema de coordenadas asociado a un segundo dispositivo denominado receptor, es, por definición, la dirección, en dicho sistema de coordenadas del dispositivo receptor, de un vector que une el centro de dicho sistema de coordenadas del dispositivo receptor con el centro de un sistema de coordenadas asociado al dispositivo emisor. El conocimiento de la línea de mira entre un primer vehículo que porta el dispositivo emisor y un segundo vehículo que porta el dispositivo receptor, se utiliza en numerosas aplicaciones, en particular, en los sistemas aerospaciales. Por ejemplo, el conocimiento de la línea de mira entre dos vehículos, asociado a un conocimiento de una distancia entre dichos dos vehículos, permite determinar la posición relativa del primer vehículo con respecto al segundo vehículo. El conocimiento de la posición relativa es particularmente útil en el caso de vehículos espaciales que llevan a cabo una misión de cita autónoma en órbita (los vehículos se acercan el uno al otro hasta entrar en contacto), o bien en una misión de vuelo en formación (en la que los vehículos deben estabilizarse precisamente en una posición fija uno con respecto al otro). En estos dos ejemplos, la distancia entre los dos vehículos está comprendida generalmente entre algunos metros y algunos kilómetros. Otra aplicación del conocimiento de la línea de mira es la determinación de la posición, que puede ser obtenida a partir del conocimiento de las líneas de mira entre el dispositivo receptor cuya posición se desea determinar, y al menos dos dispositivos emisores cuyas posiciones relativas son conocidas (tales como satélites de GPS [Sistema Global de Localización Global Positioning System]) y tales que las líneas de mira correspondientes son sensiblemente diferentes. En la práctica, en estas aplicaciones, la incertidumbre sobre la línea de mira entre los dispositivos emisor y receptor debe ser lo más pequeña posible, de preferencia, comprendida entre algunas décimas de grados y varios grados. Por otra parte, la determinación de la línea de mira debe ser realizada de la forma más simple posible, sin introducir restricciones de concepción demasiado importantes en los dispositivos emisor y receptor. Procedimientos conocidos de determinación de la línea de mira están basados en medidas de fases angulares de señales radioeléctricas emitidas por una antena de emisión del dispositivo emisor y recibidas por una base de antenas de recepción del dispositivo receptor, es decir, un par de antenas de recepción R1 y R2, separadas una distancia L 12 que está generalmente comprendida entre varias decenas de centímetros y varios metros. Las señales radioeléctricas comprenden al menos una componente periódica de longitud de onda fija y conocida 1. 12 Los procedimientos conocidos basados en medidas de fases angulares utilizan una medida 1 de una diferencia de las fases angulares de las señales radioeléctricas recibidas en las dos antenas de recepción, de tal manera que ~ 12 dichas fases angulares se miden el módulo 2. Una medida de diferencia de fase lineal, homogénea a una ~ 12 distancia, se obtiene a partir de la medida de diferencia de fase angular, calculando: 1 ~ 12 ~ 12 1 1 1 . 2 En el caso de que la distancia entre los dispositivos emisor y receptor sea grande en comparación con la distancia L 12 , típicamente en un factor de 10 o más, la diferencia de fase lineal depende esencialmente de una diferencia de recorrido d 12 de las señales radioeléctricas recibidas en las dos antenas de recepción R1 y R2. El conocimiento de dicha diferencia de recorrido permite determinar un ángulo de mira que es el ángulo entre la recta que une los centros radioeléctricos de las dos antenas de recepción y la recta que une el centro radioeléctrico de una de las dos antenas de recepción con el centro radioeléctrico de la antena de emisión. La utilización de al menos tres antenas de recepción no alineadas permite determinar al menos dos ángulos de mira que definen completamente la línea de mira. Una dificultad esencial de estos procedimientos radica en el hecho de que las fases angulares se miden en módulo 2, es decir, que tan solo se conocen con una aproximación de un número entero de veces 2, siendo el número entero conocido a priori. Para determinar la diferencia de recorrido d 12 ~ 12 , la ambigüedad de la medida 1 de diferencia de fase lineal debe ser levantada o suprimida al determinar el número entero correspondiente. 2 1 ~   ~ 12 Para suprimir la ambigüedad de la medida 1 de diferencia de fase lineal, se conoce un procedimiento denominado de «espacio nulo» en la literatura anglosajona, consistente en llevar a cabo una exploración sistemática de todas las combinaciones de números enteros y en determinar la combinación más verosímil. La Solicitud WO 2007/013069 propone, además, utilizar dos señales radioeléctricas de frecuencias diferentes para reducir el número de combinaciones posibles. Este procedimiento presenta el inconveniente de ser completo y necesitar una gran potencia de cálculo. Se conoce igualmente un procedimiento, denominado «basado en el movimiento», consistente en impartir un movimiento de rotación conocido al vehículo que porta el dispositivo receptor, y utilizar este movimiento para levantar o suprimir la ambigüedad. En este caso, la puesta en práctica del procedimiento impone limitaciones importantes en las operaciones del sistema e introduce un cierto retardo para efectuar el movimiento de rotación, durante el cual la línea de mira puede cambiar. Un procedimiento denominado de «pseudodistancia» o de «pseudoalcance», determina directamente la diferencia de recorrido a partir de medidas de los tiempos de propagación entre la antena de emisión del dispositivo emisor y las antenas de recepción del dispositivo receptor. 12 Determinando directamente la diferencia de recorrido si utilizar la medida 1 de diferencia de fase lineal, no hay ambigüedad que suprimir. Sin embargo, la estimación de la diferencia de recorrido así obtenida es muy ruidosa, ya que resulta difícil, en la práctica, obtener medidas de tiempos de propagación con una buena precisión, sobre todo en presencia de trayectos múltiples ente el dispositivo emisor y el dispositivo receptor. La presente invención propone un procedimiento de determinación de la línea de mira cuya precisión se corresponde con las necesidades actuales. Los cálculos que se han de efectuar son poco numerosos y analíticos, y la ambigüedad se levanta en el caso de que las antenas de recepción y longitudes de onda de las señales radioeléctricas emitidas por el dispositivo emisor verifiquen ciertas condiciones, las cuales son garantizadas por la puesta en práctica de un procedimiento de concepción. De acuerdo con la invención, un procedimiento para determinar al menos un ángulo de mira entre un dispositivo receptor que comprende al menos dos antenas de recepción y al menos un dispositivo emisor que comprende al menos una antena de emisión de señales radioeléctricas sobre al menos dos longitudes de onda diferentes 1 y 2, aptas para ser recibidas por las al menos dos antenas de recepción de dicho dispositivo receptor, en el cual se estima al menos una diferencia de recorrido de las señales radioeléctricas entre dos antenas de recepción de una base de antenas, a fin de determinar el al menos un ángulo de mira, comprende una etapa de determinación para 12 cada longitud de onda p considerada, con p = 1 y 2, de una medida de diferencia de fase entre las dos antenas de recepción, donde Cp designa un número real no nulo a priori conocido y 12 p 12 p p C 12 p designa una diferencia de fase lineal, homogénea a una distancia. El procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza por que comprende las etapas siguientes: 12 - determinación de una diferencia de fase virtual entre las dos antenas de recepción por combinación lineal de las medidas expresa de la forma: ~ p 3 ~ WL 12 de diferencias de fase determinadas para cada longitud de onda p, la cual se ~ p D ~ 1 c11 Q c 12 12 ~ 12 WL 2 2 2 donde D designa un número real no nulo conocido a priori, P y Q son los números enteros no nulos tales que P2 Q1, - determinación de un valor a: entero de una ambigüedad de la diferencia de fase virtual N 12 WL ~12 / D 12 NWL R WL donde R(x) designa el número entero más... [Seguir leyendo]

1.- Un procedimiento (6) para determinar al menos un ángulo de mira () entre un dispositivo receptor (3), que comprende al menos dos antenas de recepción (R1, R2); y al menos un dispositivo emisor (4) que comprende al menos una antena de emisión de señales radioeléctricas en al menos dos longitudes de onda diferentes 1 y 2, aptas para ser recibidas por las al menos dos antenas de recepción de dicho dispositivo receptor, en el cual se estima al menos una diferencia de recorrido de las señales radioeléctricas entre dos antenas de recepción (R1, R2) de una base de antenas, a fin de determinar dicho al menos un ángulo de mira, de tal modo que dicho procedimiento comprende una etapa de determinación, para cada longitud de onda p considerada, siendo p = 1 y 2, de una 12 12 medida de diferencia de fase C entre las dos antenas de recepción (R1, R2), donde Cp designa un número real no nulo y p 12 p p p designa una diferencia de fase lineal, homogénea a una distancia, de tal modo que dicho procedimiento se caracteriza por que comprende las etapas de: - determinación de una diferencia de fase virtual combinación lineal de las medidas p, la cual se expresa de la forma: ~ ~ p ~ WL 12 entre las dos antenas de recepción (R1, R2) por 12 de diferencias de fase determinadas para cada longitud de onda p D ~ 1 c11 Q c 12 12 ~ 12 WL 2 2 2 donde D designa un número real no nulo, P y Q son los números enteros no nulos tales que P2 Q1, - determinación de un valor a: entero de una ambigüedad de la diferencia de fase virtual N 12 WL ~12 / D 12 NWL R WL donde R(x) designa el número entero más próximo a x, - determinación de una primera estimación donde d , 12 dWL de la al menos una diferencia de recorrido, igual a: D 12 12 WL ~ WL WL 12 12 DN 12 WL es una longitud de onda virtual igual a 12/(P2 - Q1). 2.- Un procedimiento (6) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende las etapas de: - determinación de al menos un valor N 12 p WL entero de una ambigüedad de la medida de fase de una longitud de onda p, con p = 1 y/o 2, como igual a: N 12 p ~ 12 p C pd R pC p - determinación de al menos una segunda estimación 12 WL , , , ~ p ~ WL 12 , igual 12 de diferencia 12 d p , con p = 1 y/o 2, de la al menos una diferencia de recorrido de las señales radioeléctricas entre las dos antenas de recepción, como igual a: d 12 p 12 12 ~ C N 3.- Un procedimiento (6) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual una estimación p C p p p p . 12 p 12 de un sesgo diferencial de medida sobre la medida 12 p p 21 ~ p 12 de diferencia de fase, igual a C , donde 12 p bp b designa un sesgo diferencial de medida de fase lineal, es establecida previamente por teoría o por simulación o experimentación, para al menos una longitud de onda p, con p = 1 y/o 2, y las etapas de dicho procedimiento son 12 12 aplicadas considerando al menos una medida de diferencia de fase tras la corrección , con p = 1 y/o 2.   4.- Un procedimiento (6) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual una estimación 12 12 de un sesgo diferencial de medida en la medida de diferencia de fase, igual a p ~ p ~ p p C , donde 12 p bp 12 p designa un sesgo diferencial de medida de fase lineal, es determinada para al menos una longitud de onda p, con p = 1 y/o 2, al menos a partir de respuestas de fase angular de dos antenas de recepción (R1, R2) previamente determinadas por teoría o por simulación o experimentación, y de al menos un valor de un ángulo de mira determinado a partir de una estimación de la al menos una diferencia de recorrido de las señales radioeléctricas entre las dos antenas de recepción (R1, R2), y las etapas de dicho procedimiento son de nuevo aplicadas considerando al menos una medida de diferencia de fase tras la corrección con p = 1 y/o 2. ~ p p 12 12 , 5.- Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que dicho procedimiento se itera al 12 menos dos veces, de tal modo que se calcula al menos una estimación , con p = 1 y/o 2, para cada iteración de dicho procedimiento y las etapas de dicho procedimiento se aplican para cada iteración de dicho procedimiento, considerando al menos una medida de diferencia de fase tras la corrección ~ p p 12 12 , con p = 1 y/o 2. 6.- Un procedimiento (6) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual los números enteros no nulos P y Q se escogen de tal modo que el número racional P/Q es próximo a la relación de las longitudes de onda 1/2. 7.- Un procedimiento (7) para determinar las características esenciales de un sistema de determinación (1) de al menos un ángulo de mira () por medio de un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, de manera que dicho procedimiento se caracteriza por que dichas características esenciales son al menos: - un valor de una distancia L 12 entre las dos antenas de recepción (R1, R2) de la base de antenas considerada para estimar la al menos una diferencia de recorrido, - valores de las dos longitudes de onda 1, 2, - valores del par de enteros P y Q no nulos, de tal modo que en el mencionado procedimiento las características esenciales son determinadas de manera que se satisface al menos una de las condiciones siguientes: expresiones en las que L 12 max e L 2 P Q 12 1 2 , 12 1 P max e 1 P2 Q1 2 1 2 P Q 2 1 2 1 12 p Q max e P 2 Q 1 12 12 1 2 L max y 12 1 max e 12 2 P Q 2 1 2 e 12 2 , , 12 bp representan estimaciones de límites superiores de errores   diferenciales de medida de fase lineal entre las dos antenas de recepción (R1, R2) de la base de antenas, que son 12 determinadas por teoría o por simulación o experimentación, y max e se define de manera que es igual a la más grande de las dos estimaciones max e y 12 1 max e . 8.- Un procedimiento (7) de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual las características esenciales se escogen de manera que se satisface al menos una de las condiciones siguientes: max max e max e 22 12 2 P Q 12 12 2 1 1 2 , e max e 2 P P Q 12 12 2 1 1 2 , max e P2 Q1 4·max 2Q 12 . P , Q 9.- Un dispositivo receptor (3) para determinar al menos un ángulo de mira () por un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual se satisface al menos una de las condiciones siguientes para la base de antenas: L 12 L 2 P Q 12 1 2 , 12 1 P max e 1 P2 Q1 2 1 2 P Q 2 1 2 1 12 Q max e P 2 Q 1 12 12 1 2 L max P Q expresiones en las que L 12 es una distancia característica de dicha base de antenas, 2 1 2 e 12 2 , , max e y 12 1 max e representan estimaciones de límites superiores de errores diferenciales de medida de fase lineal entre dichas dos antenas de recepción de dicha base de antenas, que son determinadas por teoría o por simulación o 12 experimentación, y max e se define de manera que es igual a la más grande de las dos estimaciones max e y 12 1 max e . 12 2 10.- Un dispositivo receptor (3) de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual se satisface al menos una de las siguientes condiciones: max max e max e P Q 12 12 2 1 1 2 , e max e 2 P P Q 12 12 2 1 1 2 , max e P2 Q1 4·max 2Q 12 . P , Q 11.- Un dispositivo receptor (3) de acuerdo con la reivindicación 9 o la reivindicación 10, que comprende al menos 12 2   tres antenas de recepción no alineadas, en el cual se calculan estimaciones de diferencias de recorrido para al menos dos bases de antenas y las condiciones descritas se satisfacen para dichas al menos dos bases de antenas. 12.- Un dispositivo receptor (3) de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual se determina un ángulo de mira (, ) para cada estimación de diferencia de recorrido, en un plano del espacio definido por la base de antenas correspondiente y el dispositivo emisor (4). 13.- Un sistema de determinación (1) de al menos un ángulo de mira (), que comprende un dispositivo receptor (3) de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 12, y que comprende al menos un dispositivo emisor (4) que comporta al menos una antena de emisión de señales radioeléctricas en al menos las dos longitudes de onda 1 y 2. 14.- Un sistema de determinación (1) de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual las señales radioeléctricas emitidas por el al menos un dispositivo emisor (4) son compatibles con señales radioeléctricas emitidas por un sistema global de navegación por satélites. 15.- Un sistema de determinación (1) de acuerdo con la reivindicación 14, en el cual un dispositivo emisor (4) comprende un pseudosatélite. 16.- Un sistema de determinación (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 15, que comprende al menos dos dispositivos emisores (4) cuyos ángulos de mira con respecto al dispositivo receptor (3) son sensiblemente diferentes, de manera que se conocen a priori posiciones relativas de dicho dispositivo receptor con respecto a dichos al menos dos dispositivos emisores, en un sistema de coordenadas de referencia, de tal modo que dicho sistema de determinación es apto para determinar, a partir de dichas posiciones relativas y de estimaciones de los ángulos de mira de dichos al menos dos dispositivos emisores, una orientación de la base de antenas de recepción de dicho dispositivo receptor (3) en dicho sistema de coordenadas de referencia. 17.- Un sistema de determinación (1) de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual los al menos dos dispositivos emisores (4) se instalan a bordo de los satélites de un sistema global de navegación por satélites, y el dispositivo receptor (3) se instala a bordo de un vehículo que comprende al menos un receptor del sistema global de navegación por satélites. 18.- Un sistema de determinación (1) de acuerdo con la reivindicación 17, en el cual dichas posiciones relativas del dispositivo receptor (3) con respecto a dichos al menos dos dispositivos emisores se obtienen de al menos un receptor del sistema global de navegación por satélites. 19.- Un sistema de determinación (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 16 a 18, en el cual el dispositivo receptor (3) comprende al menos tres antenas de recepción no alineadas, y la determinación de los ángulos de mira de dichos al menos dos dispositivos emisores (4) con respecto a al menos dos bases de antenas no alineadas de dicho dispositivo receptor, es utilizada para determinar la posición o situación de dicho dispositivo receptor con respecto a dicho sistema de coordenadas de referencia. 23   24