RECEPTOR GPS Y PROCEDIMIENTO PARA EL PROCESAMIENTO DE SEÑALES GPS.

Procedimiento de seguimiento que utiliza satélites de un sistema de posicionamiento global vía satélite (GPS) para determinar la posición de un sensor remoto,

comprendiendo el procedimiento: recibir y almacenar señales GPS en dicho sensor remoto procedentes de una pluralidad de satélites GPS que están a la vista; calcular las seudodistancias en el sensor utilizando dichas señales GPS, transmitir dichas seudodistancias desde dicho sensor a una estación base, estando provista dicha estación base de datos de las efemérides de satélites GPS; y recibir dichas seudodistancias en dicha estación base y utilizar dichas seudodistancias y dichos datos de las efemérides de satélites para calcular una localización geográfica para dicho sensor, en el que el cálculo de los seudodistancias comprende: almacenar (104) las señales GPS recibidas en una memoria, y caracterizado porque se procesan las señales GPS almacenadas para uno o más de los satélites GPS que están a la vista en un procesador de señales digitales mediante: la descomposición de los datos almacenados 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, la creación de un bloque comprimido de datos con una longitud igual a la duración de un código seudoaleatorio mediante la suma coherente de sucesivos subbloques de datos, presentando dichos subbloques una duración igual a una trama PN; para cada bloque comprimido, la realización de una operación de filtrado adaptado (112, 114, 115) para determinar la sincronización relativa entre el código PN recibido contenido dentro del bloque de datos y una señal de referencia PN generada localmente, utilizando dicha operación de filtrado adaptado técnicas de convolución rápida; y la determinación de dicha seudodistancia mediante una operación de magnitudes al cuadrado en los productos creados a partir de dicha operación de filtrado adaptado y la combinación de dichos datos de magnitudes al cuadrado para todos los bloques en un único bloque de datos sumando conjuntamente dichos bloques de datos de magnitudes al cuadrado para producir un pico, estando determinada la localización de dicho pico mediante la utilización de procedimientos de interpolación digital y correspondiendo a dicha seudodistancia

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E05012297.

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: Austria, Bélgica, Alemania, Dinamarca, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Finlandia.

PDF original: ES-2365242_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” 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 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 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 manera eficiente.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de seguimiento que utiliza satélites de un sistema de posicionamiento global vía satélite (GPS) para determinar la posición de un sensor remoto, comprendiendo el procedimiento:

recibir y almacenar señales GPS en dicho sensor remoto procedentes de una pluralidad de satélites GPS que están a la vista;

calcular las seudodistancias en el sensor utilizando dichas señales GPS,

transmitir dichas seudodistancias desde dicho sensor a una estación base, estando provista dicha estación base de datos de las efemérides de satélites GPS; y

recibir dichas seudodistancias en dicha estación base y utilizar dichas seudodistancias y dichos datos de las efemérides de satélites para calcular una localización geográfica para dicho sensor,

en el que el cálculo de los seudodistancias comprende:

almacenar (104) las señales GPS recibidas en una memoria, y

caracterizado porque se procesan las señales GPS almacenadas para uno o más de los satélites GPS que están a la vista en un procesador de señales digitales mediante:

la descomposición de los datos almacenados 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, la creación de un bloque comprimido de datos con una longitud igual a la duración de un código seudoaleatorio mediante la suma coherente de sucesivos subbloques de datos, presentando dichos subbloques una duración igual a una trama PN;

para cada bloque comprimido, la realización de una operación de filtrado adaptado (112, 114, 115) para determinar la sincronización relativa entre el código PN recibido contenido dentro del bloque de datos y una señal de referencia PN generada localmente, utilizando dicha operación de filtrado adaptado técnicas de convolución rápida; y

la determinación de dicha seudodistancia mediante una operación de magnitudes al cuadrado en los productos creados a partir de dicha operación de filtrado adaptado y la combinación de dichos datos de magnitudes al cuadrado para todos los bloques en un único bloque de datos sumando conjuntamente dichos bloques de datos de magnitudes al cuadrado para producir un pico, estando determinada la localización de dicho pico mediante la utilización de procedimientos de interpolación digital y correspondiendo a dicha seudodistancia.

2. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 1, en el que dicha operación de filtrado adaptado comprende:

llevar a cabo una convolución de los datos del bloque comprimido con respecto a la secuencia seudoaleatoria (PRS) del satélite GPS que se está procesando, llevándose a cabo dicha convolución mediante la utilización de dicho algoritmo de convolución rápida para producir un producto de la convolución.

3. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 2, 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 se produce calculando 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 producto.

4. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 1, que comprende asimismo:

recibir una transmisión de información de datos de satélite que comprende datos representativos de efemérides para una pluralidad de satélites; y

calcular la información de la posición en el sensor mediante la utilización de dicha información de datos de satélite y dichas seudodistancias.

5. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 4, en el que dicha transmisión procede de una estación base.

6. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 4, en el que dicha transmisión comprende transmisiones procedentes de dicha pluralidad de satélites.

7. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 4, en el que dicha información de posición se transmite a una estación base.

8. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 5, que comprende asimismo recibir una señal de frecuencia portadora de precisión procedente de dicha estación base; bloquear automáticamente en dicha señal de frecuencia portadora de precisión de dicha estación base; y calibrar un oscilador local en dicho sensor remoto con dicha señal de frecuencia portadora de precisión.

9. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 6, en el que dicho sensor remoto comprende un receptor GPS que recibe dichas transmisiones que comprenden datos representativos de efemérides para una pluralidad de satélites.

10. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 1, en el que dicho cálculo comprende la ejecución de una operación de preprocesamiento antes de dichas técnicas de convolución rápida y la ejecución de una operación de posprocesamiento tras dichas técnicas de convolución rápida.

11. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 1, que comprende asimismo recibir una señal de frecuencia portadora de precisión procedente de dicha estación base; bloquear automáticamente en dicha señal de frecuencia portadora de precisión de dicha estación base; y calibrar un oscilador local en dicho sensor remoto con dichas señales de frecuencia portadoras de precisión.

12. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 1, en el que dichas seudodistancias de cálculo comprenden asimismo llevar a cabo una operación de preprocesamiento antes de dichas convoluciones rápidas.

13. Procedimiento de seguimiento según la reivindicación 10, en el que dicho preprocesamiento comprende, para cada bloque, la creación de un bloque comprimido de datos sumando conjuntamente los subbloques sucesivos de datos, y en el que dicho posprocesamiento comprende sumar conjuntamente una representación de los productos creados a partir de dicha operación de filtrado adaptado.

 

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