Método y dispositivo para la sincronización cronológica de una red de ubicación.

Un método para sincronizar cronológicamente, en un sistema para permitir la determinación de la posiciónde un receptor de posición itinerante (105),

una señal de posicionamiento única (104-1, 104-2) generada por undispositivo de unidad de posicionamiento (101-1, 101-2, 201) en una ubicación conocida a la base de tiempo de untransmisor de referencia (103, 202) que transmite al menos una señal de posicionamiento de referencia (102, 203),dicho transmisor de referencia (103, 202) estando en una ubicación conocida diferente de la ubicación conocida dedicho dispositivo de unidad de posicionamiento (101-1, 101-2, 201), dicho dispositivo de unidad de posicionamiento(201) comprendiendo un receptor (204) y un transmisor co-situado (205), y la señal de posicionamiento de referencia(102, 203) conteniendo información de temporización acerca de dicho transmisor de referencia (103, 202),comprendiendo el método las siguientes etapas de dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201):

- recibir dicha al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y extraer la información de temporización,

- determinar un retardo de tiempo de propagación de una señal de posicionamiento de referencia entre el transmisorde referencia (202) y el dispositivo de unidad de posicionamiento (201) desde la ubicación conocida del dispositivode unidad de posicionamiento (201) y la ubicación conocida del transmisor de referencia (202),

- generar una señal de posicionamiento única (215) y transmitir la misma desde el transmisor co-situado deldispositivo de unidad de posicionamiento (205),

- recibir la señal de posicionamiento única en el receptor del dispositivo de unidad de posicionamiento (204),

- comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamientoúnica (215) y deducir una diferencia de frecuencia,

- ajustar la generación de la señal de posicionamiento única (215) de tal manera que se obtenga coherencia defrecuencia entre la señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215),

- comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamientoúnica coherente de frecuencia (215) y deducir una diferencia de tiempo,

- ajustar la generación de la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) de tal manera que seobtenga coherencia de tiempo entre la señal de posicionamiento única (215) y la señal de posicionamiento dereferencia (203) transmitida por el transmisor de referencia (202), con el retardo de tiempo de propagación de laseñal de posicionamiento de referencia compensado.

Método y dispositivo para la sincronización cronológica de una red de ubicación CAMPO DEL INVENTO

El presente invención se refiere en general a sistemas y métodos para la generación de determinaciones de posición precisa para un aparato móvil. En particular, el presente invento se aplica a sistemas de determinación de posición de tiempo de llegada preciso. El presente invento no está limitado por los requisitos de la técnica anterior tales como conexiones físicas entre balizas transmisoras, tales como la necesidad de estándares de tiempo atómico conectados a cada transmisor, o la necesidad de técnicas de corrección diferencial.

ANTECEDENTES DEL INVENTO

Es bien entendido en la técnica que la determinación de posición de tiempo-de-llegada preciso depende de la precisión de los relojes de transmisor utilizados. En su forma más rudimentaria, tres balizas transmisoras posicionadas en lugares conocidos y conectadas a un reloj común a través de tres cables de idéntica longitud será suficiente como base para un sistema de posicionamiento de tiempo de llegada. Sin embargo, este rudimentario sistema de posicionamiento es muy poco práctico de fabricar e instalar debido a la necesidad de cables cronometrados con precisión distribuyendo señales de sincronización de alta frecuencia sobre distancias potencialmente grandes entre balizas. Alternativamente, los estándares de tiempo atómico de precisión, que tienen muy bajas tasas de deriva, pueden ser instalados en cada baliza transmisora y monitorizados usando un receptor de referencia colocado en una ubicación conocida y conectado a una base de tiempo de referencia. En respuesta a señales de posicionamiento recibidas desde las balizas transmisoras, se envían correcciones de reloj desde el receptor de referencia a través de un enlace de datos RF a cada baliza, para su posterior retransmisión al equipo del usuario. Modernas tecnologías de posicionamiento por satélite, tales como el GPS, emplean esta técnica, en las que estándares de tiempo de cesio y rubidio se instalan en cada satélite GPS, con el Segmento de Control de Tierra GPS monitorea continuamente todos los satélites GPS y enlazan correcciones de reloj a cada satélite cada veinticuatro horas. Estas correcciones son luego retransmitidas a través de mensaje de navegación de cada satélite al equipo de usuario GPS, de modo que los algoritmos de posicionamiento en el equipo de usuario GPS puedan compensar el error del reloj de satélite. Con al menos cuatro satélites GPS a la vista, se obtiene una posición tridimensional en el equipo del usuario GPS utilizando una técnica estándar conocida como una solución de posición GPS basada en código convencional. Esta técnica estándar también se denomina generalmente "una posición de punto único" por los expertos en la técnica.

A partir del documento WO 01/80 461 A1 se conoce un sistema de comunicación inalámbrica que comprende una pluralidad de estaciones base y un controlador de red de radio (Radio Network Controller, RNC) . Para mantener la sincronización de las estaciones base, el RNC selecciona una estación de base master, cuyo reloj sirve como una referencia. Si los datos mantenidos en el RNC indican la desviación intolerable de una estación base de la norma, inicia una verificación, controlando una estación base adyacente o un dispositivo de usuario para intercambiar señales con la estación base en cuestión, y en caso necesario ajusta su reloj.

Los requisitos de sincronización para una red inalámbrica son relativamente relajados. Los retardos de tiempo de propagación de la señal se consideran sólo si las distancias dentro de las estaciones base adyacentes son amplios. En consecuencia, la red en cuestión no es capaz de proporcionar un posicionamiento exacta de un receptor itinerante. Además, la estructura de la red es jerárquica. Una única estación base no sincroniza automáticamente con una señal de referencia, pero está controlada por un RNC. La falta de un RNC dará lugar a la caída de una parte importante de la red.

Solución de posición GPS basada en Código Convencional (posición de punto único)

En GPS basados en código convencional, la latitud, longitud y altitud de cualquier punto próximo a la tierra se pueden calcular a partir de los tiempos de propagación de las señales de posicionamiento de al menos cuatro satélites GPS a la vista. Un receptor GPS hace cálculos de rango en base a la correlación de secuencias de código pseudoaleatorio (PRN) generado internamente con secuencias de códigos pseudoaleatorios recibidas desde cada satélite GPS. Los rangos medidos se denominan pseudodistancias ya que hay una diferencia de tiempo, o compensación, entre los relojes de los satélites y el reloj en el receptor GPS. Es necesario asegurarse de que el reloj del receptor está sincronizado con el reloj de la constelación de satélites con el fin de medir con precisión el tiempo transcurrido entre la transmisión de secuencia de código pseudoaleatorio de un satélite y la recepción de dicha secuencia de código pseudoaleatorio por un receptor GPS. También se transmite un mensaje de navegación desde cada satélite, el cual incluye información de tiempo, información orbital del satélite, y términos de corrección del reloj del satélite. Para el posicionamiento tridimensional un receptor GPS requiere cuatro señales de satélite para resolver las cuatro incógnitas de posición (x, y, z) y tiempo (t) . Para posicionamiento bidimensional (2-D) , la altitud es fija, y son necesarias tres señales de satélite para resolver tres incógnitas de posición (x e y) y tiempo (t) . Una solución de posición GPS basada en código convencional es capaz de proporcionar a un receptor GPS, con al menos cuatro satélites a la vista, la capacidad de determinar una posición tridimensional (3-D) absoluta con una precisión de aproximadamente 10 a 20 metros. Esta solución de posición GPS basada en código convencional es una solución autónoma, la cual puede determinar posición, velocidad y tiempo (PVT) sin datos de corrección diferencial desde receptores de referencia. Por ello, se ha hecho conocida en la técnica como una solución de posición de "punto único".

GPS diferencial basado en código convencional (posicionamiento relativo)

Con una base de tiempo atómica precisa establecida la constelación GPS sólo es capaz de proporcionar a un receptor GPS una precisión de posición tridimensional absoluta de aproximadamente 10 a 20 metros. Esto se debe a la corrupción de las señales de posicionamiento a partir de seis principales fuentes de error: (1) retardo ionosférico, (2) retardo troposférico, (3) error de efemérides, (4) error del reloj del satélite, (5) ruido del receptor GPS y, (6 ) multitrayecto. El retardo ionosférico es el retardo de tiempo variable experimentado por las ondas electromagnéticas al atravesar bandas de partículas ionizadas en la ionosfera. El retardo troposférico es el retardo de tiempo experimentado por las ondas electromagnéticas cuando atraviesan humedad en la atmósfera inferior. El error de efemérides es la diferencia entre la ubicación real del satélite y la posición predicha por los datos orbitales del satélite. El ruido del receptor es el ruido generado por los componentes electrónicos internos de un receptor GPS. El multitrayecto es el retardo de la señal causado por los reflejos de señal localizados en las proximidades de un receptor GPS. La mayoría de estas fuentes de error están correlacionadas espacialmente en distancias relativamente cortas (es decir, decenas de kilómetros) . Esto significa que dos receptores GPS diferentes dentro de esta proximidad entre sí observarán los mismos errores. Por lo tanto, es posible mejorar las fuentes de error correlacionadas espacialmente utilizando una técnica conocida como "Corrección Diferencial". Un receptor de referencia colocado en una ubicación bien conocida calcula una pseudodistancia supuesta para cada señal de satélite que detecta. Éste luego mide las pseudodistancias recibidas de los satélites GPS y resta las pseudodistancias supuestas de las pseudodistancias recibidas, formando una corrección de distancia diferencial para cada satélite a la vista. El receptor de referencia entonces envía estas correcciones como datos digitales al receptor GPS a través de un enlace de datos RF. El receptor GPS posteriormente añade estas correcciones a las pseudodistancias que mide (para los mismos satélites a la vista al receptor de referencia) antes de calcular una solución de posición. Mediante este procedimiento se eliminan por completo los errores comunes al receptor de referencia y al receptor GPS. Fuentes de error no correlacionadas, tales como multitrayectoria y ruido del receptor permanecen en las pseudodistancias... [Seguir leyendo]

1. Un método para sincronizar cronológicamente, en un sistema para permitir la determinación de la posición de un receptor de posición itinerante (105) , una señal de posicionamiento única (104-1.

10. 2) generada por un dispositivo de unidad de posicionamiento (101-1.

10. 2, 201) en una ubicación conocida a la base de tiempo de un transmisor de referencia (103, 202) que transmite al menos una señal de posicionamiento de referencia (102, 203) , dicho transmisor de referencia (103, 202) estando en una ubicación conocida diferente de la ubicación conocida de dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (101-1.

10. 2, 201) , dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201) comprendiendo un receptor (204) y un transmisor co-situado (205) , y la señal de posicionamiento de referencia (102, 203) conteniendo información de temporización acerca de dicho transmisor de referencia (103, 202) , comprendiendo el método las siguientes etapas de dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201) :

- recibir dicha al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y extraer la información de temporización,

- determinar un retardo de tiempo de propagación de una señal de posicionamiento de referencia entre el transmisor de referencia (202) y el dispositivo de unidad de posicionamiento (201) desde la ubicación conocida del dispositivo de unidad de posicionamiento (201) y la ubicación conocida del transmisor de referencia (202) ,

- generar una señal de posicionamiento única (215) y transmitir la misma desde el transmisor co-situado del dispositivo de unidad de posicionamiento (205) ,

- recibir la señal de posicionamiento única en el receptor del dispositivo de unidad de posicionamiento (204) ,

- comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única (215) y deducir una diferencia de frecuencia,

- ajustar la generación de la señal de posicionamiento única (215) de tal manera que se obtenga coherencia de frecuencia entre la señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) ,

- comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) y deducir una diferencia de tiempo,

- ajustar la generación de la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) de tal manera que se obtenga coherencia de tiempo entre la señal de posicionamiento única (215) y la señal de posicionamiento de referencia (203) transmitida por el transmisor de referencia (202) , con el retardo de tiempo de propagación de la señal de posicionamiento de referencia compensado.

2. El método de la reivindicación 1, caracterizado en que la señal de posicionamiento de referencia (203) contiene información sobre la ubicación del transmisor de referencia (202) , y la información sobre la ubicación del transmisor de referencia (202) se extrae de la señal de posicionamiento de referencia (203) por el dispositivo de unidad de posicionamiento (201) .

3. El método de la reivindicación 1 o 2, caracterizado en que deducir la diferencia de frecuencia incluye la comparación de las mediciones de fase de portadora integrada determinadas a partir de los componentes de portadora de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) .

4. El método de una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado en que deducir la diferencia de tiempo incluye la comparación de datos de navegación desde la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) .

5. El método de una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado en que deducir la diferencia de tiempo incluye la comparación de las mediciones de pseudodistancia determinadas a partir de componentes de código pseudoaleatorio de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) para determinar una diferencia de pseudodistancia de código pseudoaleatorio.

6. El método de una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado en que deducir la diferencia de tiempo incluye la comparación de mediciones de fase de portadora instantánea determinadas a partir de los componentes de portadora de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) para determinar una diferencia de fase portadora instantánea.

7. El método de una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado en que la señal de posicionamiento única ajustada (405) se utiliza como una señal de posicionamiento de referencia por al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento adicional (406) .

8. El método de una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado en que al menos un transmisor de referenciaes uno de un dispositivo de unidad de posicionamiento (701, 402) , un satélite Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS) (605) , un satélite del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) , o un pseudolito.

9. Un dispositivo de unidad de posicionamiento (201) para llevar a cabo el método de una de las reivindicaciones 1 a 8, con un receptor (204) para recibir al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) transmitida por un transmisor de referencia (202) que contiene información de temporización sobre dicho transmisor

de referencia (202) , y un transmisor co-situado (205) para la transmisión de la señal de posicionamiento única (215) , comprendiendo además el dispositivo:

- medios para recibir dicha al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y extraer la información de temporización,

- medios para determinar un retardo de tiempo de propagación de la señal de posicionamiento de referencia entre el transmisor de referencia (202) y el dispositivo de unidad de posicionamiento (201) desde la ubicación conocida del dispositivo de unidad de posicionamiento (201) y la ubicación conocida del transmisor de referencia (202) ,

- medios para generar una señal de posicionamiento única (215) y transmitir la misma desde el transmisor cosituado del dispositivo de unidad de posicionamiento (205) ,

- medios para recibir la señal de posicionamiento única (215) en el receptor del dispositivo de unidad de posicionamiento (204) ,

- medios para comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (215) y la señal de posicionamiento única (203) y deducir una diferencia de frecuencia,

- medios para ajustar la generación de la señal de posicionamiento única (215) de tal manera que se obtenga la coherencia de frecuencia entre la señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) ,

- medios para comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) y deducir una diferencia de tiempo,

- medios para ajustar la generación de la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) de tal manera que se obtenga coherencia de tiempo entre la señal de posicionamiento única (215) y la señal de posicionamiento de referencia (203) transmitida por el transmisor de referencia (202) , con el retardo de tiempo de propagación de señal de posicionamiento de referencia compensado

10. El dispositivo de unidad de posicionamiento de la reivindicación 9, caracterizado en que la señal de posicionamiento de referencia (203) contiene información sobre la ubicación conocida del transmisor de referencia (202) , y el dispositivo de unidad de posicionamiento (201) comprende medios para la extracción de la información sobre la ubicación del transmisor de referencia (202) de la señal de posicionamiento de referencia (203) .

11. El dispositivo de unidad de posicionamiento de la reivindicación 9 o 10, caracterizado en que los medios para comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única (215) y deducir la diferencia de frecuencia incluyen medios para comparar las mediciones de fase de portadora integrada determinadas a partir de los componentes de portadora de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) .

12. El dispositivo de unidad de posicionamiento de una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado en que los medios para comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) y deducir la diferencia de tiempo incluyen medios para comparar los datos de navegación de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) .

13. El dispositivo de unidad de posicionamiento de una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado en que los medios para comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) y deducir la diferencia de tiempo incluyen medios para comparar mediciones de pseudodistancia determinadas a partir de componentes de código pseudoaleatorio de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) para determinar una diferencia de pseudodistancia de código pseudoaleatorio.

14. El dispositivo de unidad de posicionamiento de una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado en que los medios para comparar la al menos una señal de posicionamiento de referencia recibida (203) y la señal de posicionamiento única coherente de frecuencia (215) y deducir la diferencia de tiempo incluyen medios para comparar mediciones de fase de portadora instantánea determinadas a partir de componentes de portadora de la al menos una señal de posicionamiento de referencia (203) y la señal de posicionamiento única (215) para determinar una diferencia de fase portadora instantánea.

15. El dispositivo de unidad de posicionamiento de una de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado en que está configurado para recibir y utilizar como una señal de posicionamiento de referencia (705, 606, 405) una señal transmitida por al menos uno de un dispositivo de unidad de posicionamiento (701, 402) , una satélite de Sistema deAumento de Área Amplia (WAAS) (605) , satélite del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) , o un pseudolito.

16. El dispositivo de unidad de posicionamiento de una de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado en que está configurado para recibir como una señal de posicionamiento de referencia la señal de posicionamiento única ajustada (405) de al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento adicional (402) .

17. Un sistema que comprende una pluralidad de dispositivos de unidad de posicionamiento (101-1.

10. 2) de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 16, cada una transmitiendo una señal de posicionamiento única (104-1.

10. 2) , caracterizado en que comprende además por lo menos un transmisor de referencia (103) en una ubicación conocida configurado para transmitir una señal de posicionamiento de referencia (102) y al menos un receptor de

posición itinerante (105) configurado para recibir las señales de posicionamiento únicas (104-1.

10. 2) transmitidas por los dispositivos de unidad de posicionamiento (101-1.

10. 2) y calcular una solución de posición.

18. El sistema de la reivindicación 17, caracterizado en que las señales de posicionamiento únicas (104-1, 1042) son coherentes en frecuencia con la señal de posicionamiento de referencia (102) .

19. El sistema de la reivindicación 17 o 18, caracterizado en que las señales de posicionamiento únicas (104-1.

10. 2) incluyen un componente de portadora, un componente de código pseudo-aleatorio y un componente de datos y el receptor de posición itinerante (105) determina una pseudodistancia de código pseudoaleatorio para cada una de las señales de posicionamiento únicas recibidas (104-1.

10. 2) .

20. El sistema de una de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado en que las señales de posicionamiento únicas (104-1.

10. 2) incluyen un componente de portadora, un componente de código pseudo-aleatorio y un componente de datos, y el receptor de posición itinerante (105) determina una pseudodistancia de fase portadora para cada una de las señales de posicionamiento únicas recibidas (104-1.

10. 2) .

21. El sistema de una de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado en que el al menos un transmisor de referencia es uno de un dispositivo de unidad de posicionamiento (701, 402) , un satélite Sistema de Aumento deÁrea Amplia (605) , un satélite del sistema global de navegación por satélite, o un pseudolito.