RECEPTOR GPS Y PROCEDIMIENTO PARA EL PROCESAMIENTO DE SEÑALES GPS.

Aparato receptor GPS, que comprende: una antena (40) para recibir señales GPS a una frecuencia RF desde los satélites visionados;

un desmodulador (42) acoplado a dicha antena, reduciendo dicho desmodulador la frecuencia RF de dichas señales GPS recibidas a una frecuencia intermedia (IF); un digitalizador (44) acoplado a dicho desmodulador y que recibe dichas señales GPS IF, muestreando dicho digitalizador dichas señales GPS IF a una tasa predeterminada para producir las señales GPS IF; una memoria (46) acoplada a dicho digitalizador, almacenando dicha memoria las señales GPS IF muestreadas; y un procesador de señales digitales (DSP) (32a) acoplado a dicha memoria, realizando dicho DSP una convolución rápida, caracterizado porque dicho procesador de señales digitales está adaptado para descomponer las señales GPS IF muestreadas en una serie de bloques contiguos cuyas duraciones son iguales a un múltiplo del periodo de trama de los códigos (PN) contenidos dentro de las señales GPS, para cada bloque, crear (110) un bloque comprimido de datos con una longitud igual a la duración de un periodo de código seudoaleatorio sumando conjuntamente los subbloques sucesivos de datos, presentando dichos subbloques una duración igual a una trama PN, de manera que los números de muestra correspondientes de cada uno de los subbloques son sumados entre sí, para cada bloque comprimido, realizar (112-118) una convolución de los datos del bloque comprimido respecto a la secuencia seudoaleatoria (PRS) del satélite GPS que se está procesando, siendo dicha convolución realizada utilizando algoritmos de convolución rápida, produciendo dicha convolución un resultado; realizar (120) una operación de magnitudes al cuadrado sobre los resultados creados de cada una de dichas convoluciones para producir unos datos de magnitudes al cuadrado; combinar (122) dichos datos de magnitudes al cuadrado para la totalidad de los bloques en un bloque único de datos sumando conjuntamente dichos bloques de datos de magnitudes al cuadrado, de manera que los números de muestra correspondientes de cada uno de los cuadrados de las magnitudes de la convolución son sumados entre sí; y encontrar (126) el emplazamiento del pico de dicho bloque único de datos a una precisión elevada utilizando procedimientos de interpolación digital, en el que el emplazamiento es la distancia desde el inicio del bloque de datos hasta dicho pico, y el emplazamiento representa una pseudodistancia a un satélite GPS que corresponde con la PRS que se está procesando

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E04001156.

Solicitante: SNAPTRACK INC..

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 5775 Morehouse Drive San Diego, CA 92121 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: KRASNER, NORMAN F..

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 8 de Octubre de 1996.

Clasificación PCT:

  • G01S5/14 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01S LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION; DETERMINACION DE LA DISTANCIA O DE LA VELOCIDAD MEDIANTE EL USO DE ONDAS DE RADIO; LOCALIZACION O DETECCION DE PRESENCIA MEDIANTE EL USO DE LA REFLEXION O RERRADIACION DE ONDAS DE RADIO; DISPOSICIONES ANALOGAS QUE UTILIZAN OTRAS ONDAS.G01S 5/00 Establecimiento de la posición mediante la coordinación de dos o más determinaciones de dirección o de líneas de posición; Establecimiento de la posición mediante la coordinación de dos o más determinaciones de distancia. › Por determinación de distancias absolutas a una pluralidad de puntos espaciados de emplazamiento conocido.

Clasificación antigua:

  • G01S5/14 G01S 5/00 […] › Por determinación de distancias absolutas a una pluralidad de puntos espaciados de emplazamiento conocido.

Países PCT: Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Países Bajos, Suecia, Portugal, Irlanda, Finlandia.

PDF original: ES-2363273_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Campo de la invención

La presente invención se refiere a unos receptores capaces de determinar una información de la posición de unos satélites y, en particular, se refiere a aquellos receptores que encuentran aplicación en sistemas de posicionamiento global vía satélite (GPS).

Antecedentes de la técnica

Los receptores GPS normalmente determinan su posición calculando los instantes relativos de llegada de unas señales transmitidas simultáneamente desde una serie de satélites GPS (o NAVSTAR). Estos satélites transmiten, como parte de su mensaje, tanto los datos de posición del satélite como los datos de sincronización del reloj, los así denominados datos de "las efemérides". El procedimiento de búsqueda y adquisición de señales GPS, leyendo los datos de las efemérides para una serie de satélites y calculando la posición del receptor a partir de estas informaciones requiere mucho tiempo, habitualmente varios minutos. En muchos casos, este tiempo de procesamiento es inaceptable y, adicionalmente, limita en gran medida la duración de la batería en aplicaciones portátiles micro-miniaturizadas.

Otra limitación de los receptores GPS actuales es que su funcionamiento está limitado a situaciones en las cuales varios satélites están claramente a la vista, sin obstáculos, y en las que se ha dispuesto una antena de buena calidad de manera apropiada para recibir tales señales. Como tal, normalmente no se pueden utilizar en aplicaciones portátiles montadas sobre un cuerpo sólido; en áreas donde existe mucha vegetación, o una obstaculización de la comunicación producida por la presencia de edificios; y en aplicaciones en interior de edificios.

Existen dos funciones principales en los sistemas receptores GPS: (1) cálculo de las seudodistancias a los diferentes satélites GPS, y (2) cálculo de la posición de la plataforma receptora utilizando estos datos de las seudodistancias, de sincronización de los satélites y de las efemérides. Las seudodistancias son simplemente los retardos de tiempo medidos entre la señal recibida desde cada satélite y el reloj local. Los datos de las efemérides y de sincronización del satélite son extraídos de la señal GPS una vez ésta ha sido adquirida y se ha habilitado su seguimiento continuo. Tal como se ha indicado anteriormente, la recolección de esta información lleva normalmente un tiempo relativamente largo (de 30 segundos a varios minutos) y debe ser realizada con un buen nivel de señal recibida para alcanzar tasas de error bajas.

Casi todos los receptores GPS conocidos utilizan procedimientos de correlación para calcular seudodistancias. Estos procedimientos de correlación son realizados en tiempo real, a menudo mediante dispositivos hardware “correlacionadores”. Las señales GPS contienen unas señales repetitivas de tasa elevada denominadas secuencias seudoaleatorias (PN). Los códigos disponibles para aplicaciones civiles se denominan códigos C/A, y presentan una tasa de inversión de fase binaria, o tasa de "chipping", de 1,023 MHz y un periodo de repetición de 1.023 chips para un periodo de código de 1 milisegundo. Las secuencias de código pertenecen a una familia denominada códigos Gold. Cada satélite GPS emite una señal con un código Gold unívoco.

Para una señal recibida desde un satélite GPS dado, siguiendo un procedimiento de desmodulación a banda base, un receptor de tipo correlador realiza la multiplicación de la señal recibida con una réplica del código Gold adecuado contenido en su memoria local, y a continuación integra, o filtra basa-bajas, el producto para obtener una indicación de la presencia de la señal. Este procedimiento se denomina una operación de “correlación”. Mediante el ajuste secuencial de la sincronización relativa de esta réplica almacenada asociada a la señal recibida, y observando la salida de la correlación, el receptor puede determinar el retardo de tiempo entre la señal recibida y un reloj local. La determinación inicial de la presencia de una salida de este tipo se denomina “adquisición”. Una vez ha tenido lugar la adquisición, el procedimiento entra en la fase de “seguimiento continuo” en la cual se ajusta la sincronización de la referencia local en pequeñas cantidades para mantener una salida elevada de la correlación. La salida de la correlación durante la fase de seguimiento continuo puede entenderse como la señal GPS con el código seudoaleatorio eliminado, o, expresado en terminología común, “desexpandida”. Esta señal es de banda estrecha, con un ancho de banda proporcional al de una señal de datos binaria de 50 bits/seg modulada por desplazamiento de fase superpuesta a la forma de onda GPS.

El procedimiento de adquisición por correlación requiere mucho tiempo, especialmente si las señales recibidas son de baja intensidad. Para mejorar el tiempo de adquisición, la mayoría de los receptores GPS utilizan una serie de correladores (típicamente hasta 12) que permiten una búsqueda en paralelo de picos de correlación.

Algunos receptores GPS anteriores han utilizado técnicas FFT para determinar la frecuencia Doppler de la señal GPS recibida. Estos receptores utilizan operaciones de “correlación” convencionales para desexpandir la señal GPS y proporcionar una señal de banda estrecha con un ancho de banda típicamente dentro del intervalo de 10 kHz a 30 kHz. A continuación, la señal de banda estrecha resultante experimenta un análisis de Fourier utilizando unos algoritmos FFT para determinar la frecuencia portadora. La determinación de dicha portadora proporciona simultáneamente una indicación de que la referencia PN local está ajustada con la fase correcta de la señal recibida y proporciona una medición precisa de la frecuencia portadora. A continuación, se puede utilizar esta frecuencia en la operación de seguimiento continuo de los receptores.

La patente US nº 5.420.592 de Johnson discute el empleo de unos algoritmos FFT para calcular unas seudodistancias en un emplazamiento central de procesamiento en lugar de en una unidad móvil. Según ese procedimiento, el receptor GPS recoge una copia instantánea de los datos y a continuación son transmitidos por un enlace de datos hacia un receptor remoto donde experimentan el procesamiento FFT. Sin embargo, el procedimiento que se da a conocer en la misma calcula sólo una única Transformada Rápida de Fourier directa e inversa (correspondiente a cuatro periodos PN) para realizar el conjunto de correlaciones.

El documento XP000201210 da a conocer la utilización de una FFT para calcular la función de correlación para eliminar el procedimiento de desplazamiento de fase de código de consumo temporal.

Como se representa en la figura 2 del documento XP000201210, el procedimiento comprende la suma de los cuadrados de las magnitudes de cada una de las salidas de correlación tras la conversión de IFFT (FFT inversa).

Tal como se pondrá claramente de manifiesto a partir de la descripción siguiente de la presente invención, se puede alcanzar una mayor sensibilidad y una mayor velocidad de procesamiento mediante la ejecución de un número elevado de operaciones FFT conjuntamente con unas operaciones especiales de preprocesamiento y de posprocesamiento.

En esta patente, se utilizan con frecuencia los términos correlación, convolución y filtrado adaptado. El término “correlación”, cuando se aplica a dos series de números, significa la multiplicación término por término de los miembros correspondientes de las dos series seguida de la suma de las series. Algunas veces ésta se designa como “correlación en serie” y da como resultado una salida de un único número. En algunas circunstancias, se realiza una sucesión de operaciones de correlación sobre grupos sucesivos de datos.

El término “convolución” aplicado a dos series de números es el mismo que el utilizado comúnmente en la técnica y es equivalente a filtrar la segunda serie de longitud m con un filtro, correspondiente a la primera serie, que presenta una respuesta impulsional de longitud n. El resultado es una tercera serie de longitud m+n-1. El término “filtrado adaptado” se refiere a una operación de convolución (o de filtrado) en la cual el filtro mencionado anteriormente presenta una respuesta impulsional que es la versión complejo-conjugada e invertida en el tiempo de la primera serie. El término “convolución rápida” se utiliza para indicar una serie de algoritmos que calculan la operación de correlación de una... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Aparato receptor GPS, que comprende:

una antena (40) para recibir señales GPS a una frecuencia RF desde los satélites visionados;

un desmodulador (42) acoplado a dicha antena, reduciendo dicho desmodulador la frecuencia RF de dichas señales GPS recibidas a una frecuencia intermedia (IF);

un digitalizador (44) acoplado a dicho desmodulador y que recibe dichas señales GPS IF, muestreando dicho digitalizador dichas señales GPS IF a una tasa predeterminada para producir las señales GPS IF;

una memoria (46) acoplada a dicho digitalizador, almacenando dicha memoria las señales GPS IF muestreadas; y

un procesador de señales digitales (DSP) (32a) acoplado a dicha memoria, realizando dicho DSP una convolución rápida, caracterizado porque dicho procesador de señales digitales está adaptado para descomponer las señales GPS IF muestreadas en una serie de bloques contiguos cuyas duraciones son iguales a un múltiplo del periodo de trama de los códigos (PN) contenidos dentro de las señales GPS,

para cada bloque, crear (110) un bloque comprimido de datos con una longitud igual a la duración de un periodo de código seudoaleatorio sumando conjuntamente los subbloques sucesivos de datos, presentando dichos subbloques una duración igual a una trama PN, de manera que los números de muestra correspondientes de cada uno de los subbloques son sumados entre sí,

para cada bloque comprimido, realizar (112-118) una convolución de los datos del bloque comprimido respecto a la secuencia seudoaleatoria (PRS) del satélite GPS que se está procesando, siendo dicha convolución realizada utilizando algoritmos de convolución rápida, produciendo dicha convolución un resultado;

realizar (120) una operación de magnitudes al cuadrado sobre los resultados creados de cada una de dichas convoluciones para producir unos datos de magnitudes al cuadrado;

combinar (122) dichos datos de magnitudes al cuadrado para la totalidad de los bloques en un bloque único de datos sumando conjuntamente dichos bloques de datos de magnitudes al cuadrado, de manera que los números de muestra correspondientes de cada uno de los cuadrados de las magnitudes de la convolución son sumados entre sí; y

encontrar (126) el emplazamiento del pico de dicho bloque único de datos a una precisión elevada utilizando procedimientos de interpolación digital, en el que el emplazamiento es la distancia desde el inicio del bloque de datos hasta dicho pico, y el emplazamiento representa una pseudodistancia a un satélite GPS que corresponde con la PRS que se está procesando.

2. Receptor GPS según la reivindicación 1, que comprende además una antena de comunicación y un receptor acoplado a dicha antena de comunicación y a dicho DSP, siendo dicho receptor para recibir una señal de datos que contiene información de los datos del satélite.

3. Receptor GPS según la reivindicación 2, en el que dicha información de datos del satélite comprende una información Doppler de un satélite visionado de dicho receptor GPS.

4. Receptor GPS según la reivindicación 3, en el que dicha información de datos del satélite comprende una identificación de una pluralidad de satélites visionados de dicho receptor GPS y una pluralidad de información Doppler correspondiente para cada satélite de dicha pluralidad de satélites visionados de dicho receptor GPS:

5. Receptor GPS según la reivindicación 2, en el que dicha información de datos del satélite comprende los datos representativos de las efemérides de un satélite.

6. Receptor GPS según la reivindicación 1 que comprende además:

un oscilador local acoplado a dicho desmodulador, proporcionando dicho oscilador local una primera señal de referencia.

7. Receptor GPS según la reivindicación 2, que comprende además un oscilador local acoplado a dicho desmodulador, proporcionando dicho oscilador local una primera señal de referencia y en el que dicho receptor recibe una señal de frecuencia portadora de precisión que es utilizada para calibrar dicha primera señal de referencia de dicho oscilador local, en el que dicho oscilador local es utilizado para adquirir las señales GPS.

8. Receptor GPS según la reivindicación 3, en el que dicho DSP compensa dichas señales GPS IF muestreadas utilizando dicha información Doppler.

9. Receptor GPS según la reivindicación 2, que comprende además un transmisor acoplado a dicho DSP, siendo dicho transmisor para transmitir una información de latitud y de longitud.

10. Receptor GPS según la reivindicación 1, en el que dichas señales GPS proceden de seudosatélites.

11. Receptor GPS según la reivindicación 1, en el que dichas señales GPS proceden de satélites en órbita.

12. Receptor GPS según la reivindicación 1, en el que dicha tasa predeterminada es un múltiplo de 1,024 MHz.

13. Receptor GPS según la reivindicación 1, en el que dicho DSP realiza asimismo una operación de preprocesamiento.

14. Receptor GPS según la reivindicación 13, en el que dicha operación de preprocesamiento tiene lugar antes de dichas convoluciones rápidas.

15. Receptor GPS según la reivindicación 14, en el que dicha operación de preprocesamiento comprende la corrección de los desplazamientos Doppler de las señales desde dicho satélite visionado.

16. Receptor GPS según la reivindicación 14, en el que dicha operación de preprocesamiento comprende sumar conjuntamente las partes de dichas señales GPS IF muestreadas para proporcionar por lo menos uno de dicha pluralidad de bloques correspondiente de dichas señales GPS IF muestreadas.

17. Receptor GPS según la reivindicación 16, en el que dicha pluralidad de representaciones matemáticas comprende una pluralidad de cuadrados de magnitudes.

18. Receptor GPS según la reivindicación 7, en el que dicha información de datos del satélite comprende una identificación de una pluralidad de satélites visionados de dicho receptor GPS y una pluralidad correspondiente de información Doppler para cada satélite de dicha pluralidad de satélites visionados de dicho receptor GPS.

19. Receptor GPS según la reivindicación 7, que comprende además un circuito de gestión de la potencia acoplado a dicho desmodulador y dicho digitalizador, en el que tras el almacenamiento de dichas señales GPS IF en dicha memoria, dicho circuito de gestión de la potencia reduce la potencia consumida por dicho desmodulador y dicho digitalizador haciendo pasar el desmodulador y el digitalizador a un modo de operación de potencia baja.

20. Procedimiento para utilizar un receptor GPS, comprendiendo dicho procedimiento:

recibir las señales GPS desde satélites visionados;

digitalizar dichas señales GPS a una tasa predeterminada para producir las señales GPS muestreadas;

almacenar dichas señales GPS muestreadas en una memoria; y

caracterizado porque presenta el procesamiento de dichas señales GPS muestreadas descomponiendo las señales GPS muestreadas en una serie de bloques contiguos cuyas duraciones son iguales a un múltiplo del periodo de trama de los códigos seudoaleatorios (PN) contenidos dentro de las señales GPS,

para cada bloque, crear (110) un bloque comprimido de datos con una longitud igual a la duración de un periodo de código seudoaleatorio sumando conjuntamente los subbloques sucesivos de datos, presentando dichos subbloques una duración igual a una trama PN, de manera que los números de muestra correspondientes de cada uno de los subbloques son sumados entre sí,

para cada bloque comprimido, realizar (112-118) una convolución de los datos del bloque comprimido respecto a la secuencia seudoaleatoria (PRS) del satélite GPS que se está procesando, siendo dicha convolución realizada utilizando algoritmos de convolución rápida, produciendo dicha convolución un resultado;

realizar (120) una operación de magnitudes al cuadrado sobre los resultados creados de cada una de dichas convoluciones para producir unos datos de magnitudes al cuadrado;

combinar (122) dichos datos de magnitudes al cuadrado para la totalidad de los bloques en un bloque único de datos sumando conjuntamente dichos bloques de datos de magnitudes al cuadrado, de manera que los números de muestra correspondientes de cada uno de los cuadrados de las magnitudes de la convolución son sumados entre sí; y

encontrar (126) el emplazamiento del pico de dicho bloque único de datos a una precisión elevada utilizando procedimientos de interpolación digital, en el que el emplazamiento es la distancia desde el inicio del bloque de datos hasta dicho pico, y el emplazamiento representa una pseudodistancia a un satélite GPS que corresponde con la PRS que se está procesando.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, que comprende además:

recibir una señal de datos que contiene la información de datos del satélite.

22. Procedimiento según la reivindicación 21, en el que dicha información de datos de satélite comprende una información Doppler de un satélite visionado de dicho receptor GPS.

23. Procedimiento según la reivindicación 22, en el que dicha información Doppler es utilizada para compensar dicha señal GPS muestreada y en el que dicho procesamiento comprende además las operaciones de preprocesamiento.

24. Procedimiento según la reivindicación 23, en el que dicha primera información de posición comprende una información de pseudodistancia.

25. Procedimiento según la reivindicación 21, en el que dicha información de datos del satélite comprende los datos representativos de efemérides para un satélite.

26. Procedimiento según la reivindicación 25, en el que dicha primera información de posición comprende una información de pseudodistancia y en el que dichas efemérides y dicha información de pseudodistancia son utilizadas para calcular una latitud y una longitud de dicho receptor GPS.

27. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que dichas latitud y longitud son visualizadas para un usuario de dicho receptor GPS.

28. Procedimiento según la reivindicación 26, en el que dichas latitud y longitud son transmitidas por dicho receptor GPS.

29. Procedimiento según la reivindicación 20, en el que dichas señales GPS proceden de seudosatélites.

30. Procedimiento según la reivindicación 20, en el que dichas señales GPS proceden de satélites en órbita.

31. Procedimiento según la reivindicación 20, en el que dichas señales GPS fueron muestreadas a una tasa de un múltiplo de 1,024 MHz para proporcionar dichas señales GPS muestreadas.

32. Procedimiento según la reivindicación 20, en el que el procesamiento de dichas señales GPS muestreadas comprende:

introducir en memoria intermedia las señales GPS muestreadas en una memoria de copia instantánea digital; y procesar las señales GPS introducidas en memoria intermedia para uno o más de los satélites GPS visionados en un procesador de señales digitales.

33. Procedimiento según la reivindicación 32, en el que el algoritmo de convolución rápida utilizado en el procesamiento de las señales GPS introducidas en memoria intermedia es una transformada rápida de Fourier (FFT) y el resultado de la convolución es producido calculando el producto de la transformada directa de dicho bloque comprimido y una representación prealmacenada de la transformada directa del PRS para producir un primer resultado y realizar a continuación una transformación inversa de dicho primer resultado para recuperar dicho resultado.

34. Procedimiento según la reivindicación 32, en el que el algoritmo de convolución rápida utilizado en el procesamiento de las señales GPS introducidas en memoria intermedia es un algoritmo de Winograd.

35. Procedimiento según la reivindicación 33, en el que los efectos de los retardos de tiempo inducidos por el efecto Doppler y los errores de tiempo inducidos por el oscilador local son compensados en cada bloque comprimido de datos insertando entre las operaciones de transformada rápida de Fourier directa e inversa, la multiplicación de la FFT directa de dichos bloques comprimidos mediante una exponencial compleja cuya fase respecto al número de muestra es ajustada para corresponder con la compensación de retardo requerida para dicho bloque.

36. Procedimiento según la reivindicación 32, en el que el procesador de señales digitales es un chip de procesamiento de señales digitales programable universal que ejecuta las instrucciones almacenadas.

37. Procedimiento según la reivindicación 32, en el que el algoritmo de convolución rápida utilizado en el procesamiento de las señales GPS introducidas en memoria intermedia es un algoritmo de Agarwal-Cooley.

38. Procedimiento según la reivindicación 32, en el que el algoritmo de convolución rápida utilizado en el procesamiento de las señales GPS introducidas en memoria intermedia es un algoritmo de anidado dividido.

5 39. Procedimiento según la reivindicación 32, en el que el algoritmo de convolución rápida utilizado en el procesamiento de las señales GPS introducidas en memoria intermedia es un algoritmo de anidado polinómico recursivo.

40. Procedimiento según la reivindicación 32, que comprende además:

10 determinar que dicho pico es válido determinando si dicho pico sobrepasa un umbral predeterminado.


 

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