Método para la estimación y cancelación de retardo multitrayecto de señales electromagnéticas, en respuestas de SSR particulares.

El método para la estimación del tiempo de llegada de señales electromagnéticas afectadas por multitrayecto,

en particular respuestas de SSR, que comprende la ejecución de los siguientes pasos: A1. Muestrear una señal electromagnética recibida por una antena, con un paso de muestreo p>0 que produce 2k+1 muestras con k un entero positivo;

A2. Cálculo de la función de autocorrelación de la señal electromagnética muestreada;

caracterizado por que ejecuta los siguientes pasos adicionales:

B. Para un impulso de dicha señal electromagnética y para cada valor de m≥1, ..., M, en donde m y M son enteros positivos, realizar los siguientes subpasos:

B1. Elegir un conjunto de N puntos en el lado derecho del máximo de dicha función de autocorrelación y N puntos en el lado izquierdo de dicho máximo, con N un entero positivo menor que k;

B2. Calcular un primer polinomio interpolando los puntos de dicho conjunto de N puntos en el lado derecho y un segundo polinomio interpolando los puntos de dicho conjunto de N puntos en el lado izquierdo,

B3. Calcular el punto de intersección de dicho primer y dicho segundo polinomios de interpolación y la distancia en abscisas Tm entre dicho punto de intersección y el máximo de dicha función de autocorrelación, Tm que representa un valor de estimación del efecto del multitrayecto;

C. Comenzando desde una señal electromagnética ideal con impulsos iguales que tienen periodicidad TI: C1. Retardar cada impulso de dicha señal electromagnética ideal en un tiempo predefinido diferente hasta que uno encuentra la misma periodicidad TI, obteniendo una señal retardada;

C2. Multiplicar L veces, con L un entero positivo, la señal retardada del paso C1 por un coeficiente h diferente cada vez, h que es un número real comprendido entre -1 y 1 y sumar el resultado de la multiplicación a dicha señal electromagnética ideal, obteniendo L señales electromagnéticas compuestas que simulan diferentes efectos de multitrayecto y para las cuales uno sabe por construcción el tiempo de llegada ideal en ausencia de multitrayecto;

C3. Estimar el tiempo de llegada de cada una de dichas L señales electromagnéticas compuestas, obteniendo una estimación del tiempo de llegada que tiene por construcción un error de estimación debido al efecto del multitrayecto, que se calcula como una diferencia entre el tiempo de llegada ideal y el tiempo de llegada estimado;

C4. Ejecutar los pasos A1, A2, B1, B2, B3 en dicha señal electromagnética compuesta, obteniendo LxM valores simulados para la distancia en abscisas TS 1,1 ... TS

M,L entre dicho punto de intersección y el máximo

de dicha función de autocorrelación para los L impulsos electromagnéticos compuestos; C5. Asociar a cada uno de dichos LxM valores simulados de distancia TS 1,1 ... TS

M,L el error de estimación correspondiente eS 1,1 ... eS M,L;

D. Individualizar entre los valores TS 1,1 ... TS M,L los valores simulados TS 1 ... TS M más cerca de los valores T1 ... TM del paso B;

E. Asociar a dichos valores T1 ... TM los errores de estimación relevantes a los valores TS 1 ... TS M;

F. Utilizar un análisis estadístico de la distribución de los errores de estimación obtenidos en el paso E, para reducir la desviación estándar de dicha distribución y seleccionar un subconjunto e1 ...ev de los valores de estimación más cercanos entre sí;

G. Realizar una media de dichos e1 ...ev, obteniendo un valor medio que se supone que es el error de estimación de dicha señal electromagnética recibida por una antena.

Método para la estimación y cancelación de retardo multitrayecto de señales electromagnéticas, en respuestas de SSR particulares

La presente invención se refiere a un método para la estimación y cancelación de retardo multitrayecto de señales electromagnéticas, en particular respuestas de SSR particulares.

Más en detalle, la presente invención se refiere a un método para la estimación y corrección del retardo multitrayecto, mediante el análisis de la distorsión de la función de autocorrelación de cada impulso único recibido con el de un impulso ideal; sobre la base de la distorsión obtenida con respecto a la función de correlación ideal, uno deriva de nuevo la variación de los parámetros de impulso y estima el efecto del multitrayecto a ser tenido en cuenta para compensación en la estimación del tiempo de llegada (TOA) de la señal electromagnética.

Con el término "multitrayecto" se entiende el fenómeno de superposición de una onda electromagnética, que está siendo recibida, con las reflexiones de la misma generadas por el entorno circundante, que experimentan diferentes atenuaciones (véase la Figura 1). Como consecuencia del multitrayecto, el receptor RX se alcanza, junto con la señal directa transmitida por la fuente TX a lo largo de la línea de vista (LOS), también por la señal que ha recorrido diferentes trayectos y ha alcanzado el receptor RX después de reflexiones posteriores en los objetos circundantes, consecuentemente con un retardo de tiempo con respecto a la señal directa. El problema del multitrayecto está presente en muchos sistemas de RF, por ejemplo receptores GPS, receptores GSM, etc.

Es muy importante la estimación y cancelación del retardo multitrayecto en las respuestas de SSR de los sistemas de vigilancia aéreos. Un sistema de localización aéreo utilizado es la multilateración, tanto local en el aeropuerto (en tierra) como en las zonas de aproximación (en el aire), tanto TMA (Asesor de Gestión de Tráfico) en el aire de área extensa como "En Ruta", aunque la técnica se puede usar en otros dominios no aeronáuticos.

La multilateración es un sistema de localización de objetivos basado en la medición del tiempo de llegada (TOA) de las respuestas de SSR transmitidas por el mismo objetivo. Como "objetivo" se entiende cualquier aeronave dotada con un transpondedor de aviónica adecuado para transmitir respuestas de SSR en modo A/C/S. El sistema de multilateración permite estimar la posición del transpondedor usando las mediciones de TOA de la señal transmitida por el objetivo y recibida por los diferentes sensores distribuidos en diferentes posiciones, que se conocen con precisión de antemano. El escenario de aplicación de un sistema de multilateración es por lo tanto un escenario complejo donde las infraestructuras que están presentes en el aeropuerto juegan un papel fundamental en la generación del multitrayecto; en realidad las terminales, las áreas de aparcamiento, las aeronaves aparcadas, etc., son capaces de generar reflexiones y dar lugar a fenómenos de multitrayecto. El efecto del multitrayecto en el sistema es doble: por una parte, crea una condición de desplazamiento en la posición real del objetivo, por otra parte introduce un ruido en la estimación de la posición.

Haciendo referencia a los gráficos (a)-(g) de las figuras 2 y 3, como es conocido la multiparte tiene un efecto en el preámbulo de las respuestas en modo A/C/S. En el ejemplo, uno reproduce solamente el efecto en el modo S, con el nivel de la señal reflejada reducido en alrededor de 3/4 con respecto a las amplitudes de la señal de LOS directa (véase la Figura 1) en el receptor, en fase (figura 2) y en contrafase (figura 3). El ejemplo dado se refiere a un caso donde la señal reflejada por el objetivo se retarda en pasos de 200 ns con respecto al rayo de LOS directo.

La estimación del tiempo de llegada se efectúa usando un correlacionador adecuado, que correlaciona la señal recibida por el objetivo (con el multitrayecto superpuesto) con una matriz de preámbulo estándar adecuada que se carga previamente en el mismo receptor. De tal manera, de una forma conocida, uno obtiene el tiempo de llegada en correspondencia del máximo de la función de correlación.

El fenómeno de multitrayecto tiende a deformar la señal que saca el correlacionador con un efecto posterior en la estimación del tiempo de llegada. Lo anterior se confirma en la figura 4. Como uno puede observar, la función de correlación (figura 4 (b)) experimenta una deformación que provoca el cambio del pico de correlación y por lo tanto un error en la estimación del tiempo de llegada. En la figura 5 uno da los efectos del multitrayecto en la estimación del tiempo de llegada en el único impulso de SSR como una función de:

- el porcentaje (K) de amplitud de señal reflejada con respecto a la de la señal directa;

- el retardo (en nanosegundos) de la señal reflejada con respecto a la directa;

- la diferencia de fase entre las señales reflejadas y la directa (K positivo para todas las curvas por encima de cero y K negativo para todas las curvas por debajo de cero): las curvas que tienen ordenadas de valor absoluto más grandes se refieren a valores absolutos de K mayores.

Como consecuencia, el error introducido es directamente proporcional a la amplitud de la onda reflejada, el gráfico de la figura 5 muestra una síntesis del error introducido por el multitrayecto en la estimación del tiempo de llegada de la LOS ideal y se parametriza para valores de la amplitud reflejada que oscilan desde 0,1 a 0,5 de la amplitud de

señal. Para valores de retardo por debajo de 100 ns, el efecto del retardo introducido por el multltrayecto se considera despreciable.

Es objeto de la presente Invención proporcionar un método para la estimación (y la cancelación posterior) del retardo multitrayecto que resuelve los problemas y supera los Inconvenientes de la técnica anterior.

Es una materia objeto de la presente Invención un método para la estimación del tiempo de llegada de señales electromagnéticas afectadas por multltrayecto, en particular las respuestas de SSR, que comprende la ejecución de los siguientes pasos:

A1. Muestrear una señal electromagnética recibida por una antena, con un paso de muestreo p>0 que produce 2k+1 muestras con k un entero positivo;

A2. Cálculo de la función de autocorrelación de la señal electromagnética muestreada; caracterizado por que ejecuta los siguientes pasos adicionales:

B. Para un impulso de dicha señal electromagnética y para cada valor de m=1,..., M, en donde m y M son enteros positivos, realizar los siguientes subpasos:

B1. Elegir un conjunto de N puntos en el lado derecho del máximo de dicha función de autocorrelación y N puntos en el lado izquierdo de dicho máximo, con N un entero positivo menor que k;

B2. Calcular un primer polinomio interpolando los puntos de dicho conjunto de N puntos en el lado derecho y un segundo polinomio interpolando los puntos de dicho conjunto de N puntos en el lado izquierdo,

B3. Calcular el punto de intersección de dicho primer y dicho segundo polinomio de interpolación y la distancia en abscisas Tm entre dicho punto de intersección y el máximo de dicha función de autocorrelación, Tmque representa un valor de estimación del efecto del multitrayecto;

C. Comenzando desde una señal electromagnética ideal con impulsos iguales que tienen periodicidad T1:

C1. Retardar cada impulso de dicha señal electromagnética ideal en un tiempo predefinido diferente hasta que uno encuentra la misma periodicidad T1, obteniendo una señal retardada;

C2. Multiplicar L veces, con L un entero positivo, la señal retardada del paso C1 por un coeficiente h diferente cada vez, h que es un número real comprendido entre -1 y 1 y sumar el resultado de la multiplicación a dicha señal electromagnética ideal, obteniendo L señales electromagnéticas compuestas que simulan diferentes efectos de multitrayecto y para las cuales uno sabe por construcción el tiempo de llegada ideal en ausencia de multitrayecto;

C3. Estimar el tiempo de llegada de cada una de dichas L señales electromagnéticas compuestas, obteniendo una estimación del tiempo de llegada que tiene por construcción un error de estimación debido al efecto del multitrayecto, que se calcula como una diferencia entre el tiempo de llegada ideal y el tiempo de llegada estimado;

C4. Ejecutar los pasos A1, A2, B1, B2, B3 en dicha señal electromagnética compuesta, obteniendo LxM valores simulados para la distancia en abscisas T^i.i... Tsm,i_ entre dicho punto de intersección y el máximo de dicha función de autocorrelación para los L impulsos electromagnéticos compuestos;

1. El método para la estimación del tiempo de llegada de señales electromagnéticas afectadas por multitrayecto, en particular respuestas de SSR, que comprende la ejecución de los siguientes pasos:

A1. Muestrear una señal electromagnética recibida por una antena, con un paso de muestreo p>0 que produce 2k+1 muestras con k un entero positivo;

A2. Cálculo de la función de autocorrelación de la señal electromagnética muestreada; caracterizado por que ejecuta los siguientes pasos adicionales:

B. Para un impulso de dicha señal electromagnética y para cada valor de m=1, M, en donde m y M son enteros positivos, realizar los siguientes subpasos:

B1. Elegir un conjunto de N puntos en el lado derecho del máximo de dicha función de autocorrelación y N puntos en el lado izquierdo de dicho máximo, con N un entero positivo menor que k;

B2. Calcular un primer polinomio interpolando los puntos de dicho conjunto de N puntos en el lado derecho y un segundo polinomio interpolando los puntos de dicho conjunto de N puntos en el lado izquierdo,

B3. Calcular el punto de intersección de dicho primer y dicho segundo polinomios de interpolación y la distancia en abscisas Tm entre dicho punto de intersección y el máximo de dicha función de autocorrelación, Tmque representa un valor de estimación del efecto del multitrayecto;

C. Comenzando desde una señal electromagnética ideal con impulsos iguales que tienen periodicidad T1:

C1. Retardar cada impulso de dicha señal electromagnética ideal en un tiempo predefinido diferente hasta que uno encuentra la misma periodicidad T1, obteniendo una señal retardada;

C2. Multiplicar L veces, con L un entero positivo, la señal retardada del paso C1 por un coeficiente h diferente cada vez, h que es un número real comprendido entre -1 y 1 y sumar el resultado de la multiplicación a dicha señal electromagnética ideal, obteniendo L señales electromagnéticas compuestas que simulan diferentes efectos de multitrayecto y para las cuales uno sabe por construcción el tiempo de llegada ideal en ausencia de multitrayecto;

C3. Estimar el tiempo de llegada de cada una de dichas L señales electromagnéticas compuestas, obteniendo una estimación del tiempo de llegada que tiene por construcción un error de estimación debido al efecto del multitrayecto, que se calcula como una diferencia entre el tiempo de llegada ideal y el tiempo de llegada estimado;

C4. Ejecutar los pasos A1, A2, B1, B2, B3 en dicha señal electromagnética compuesta, obteniendo LxM valores simulados para la distancia en abscisas T\i... TSm,l entre dicho punto de intersección y el máximo de dicha función de autocorrelación para los L impulsos electromagnéticos compuestos;

C5. Asociar a cada uno de dichos LxM valores simulados de distancia Tsi,1... TSm,l el error de estimación correspondiente e\i... eSM,i_¡

D. Individualizar entre los valores TSi,1... TsM,Llos valores simulados TSi... Tsm más cerca de los valores Ti... Tm del paso B;

E. Asociar a dichos valores Ti... Tm los errores de estimación relevantes a los valores TSi... TSm;

F. Utilizar un análisis estadístico de la distribución de los errores de estimación obtenidos en el paso E, para reducir la desviación estándar de dicha distribución y seleccionar un subconjunto ei...ev de los valores de estimación más cercanos entre sí;

G. Realizar una media de dichos ei... ev, obteniendo un valor medio que se supone que es el error de estimación de dicha señal electromagnética recibida por una antena.

2. El método según la reivindicación 1, caracterizado por que los subpasos B1-B3 del paso B se ejecutan:

B1. Eligiendo dos pares de puntos simétricamente en un lado y el otro del eje de ordenadas que pasan por el punto máximo de la función de autocorrelación, que tiene las coordenadas Xi,m, Yi,m, X2,m, Y2,m para el primer par en el lado izquierdo de dicho eje y X3,m, Y3,m, X4,m, Y4,m para el segundo par en el lado derecho de dicho eje;

B2. Calculando los dos coeficientes angulares aLm, aRm de las dos líneas rectas que pasan respectivamente por los puntos de dicho primer y dicho segundo par de puntos;

B3. Calculando un valor de estimación Tm del efecto del multltrayecto según la relación:

Tm = (Yi.m - Y4,m) + d/2 ((aLm + aRm)/(aLm - aRm))

en donde d es la distancia de los dos puntos de los dos pares Inmediatamente cercanos al eje que pasa por el máximo de dicha función de autocorrelación.

3. El método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el paso C5 se realiza como construcción de una

tabla de búsqueda y los pasos E y D se realizan usando dicha tabla de búsqueda.

4. El método según la reivindicación 3, caracterizado por que el número de valores de dicha tabla de búsqueda depende del paso de muestreo de tiempo p de la muestra del paso A1.

5. El método según cualquier reivindicación 1 a 4, caracterizado por que dicha señal electromagnética se constituye 10 por una respuesta de SSR y los pasos desde A a G se aplican a cada impulso único de dicha respuesta de SSR,

obteniendo de esta manera una pluralidad correspondiente de valores de retardo multitrayecto, dicha pluralidad de valores que experimentan un análisis estadístico adicional para determinar el mejor valor de estimación del retardo multitrayecto para la respuesta de SSR entera.

6. Un programa de ordenador caracterizado por que comprende medios de código configurados para llevar a cabo, 15 cuando se opera en un ordenador, el método según cualquier reivindicación 1 a 5.

7. Un soporte de memoria tangible legible por un ordenador, caracterizado por que un programa de ordenador de la reivindicación 6 está memorizado en él.

8. Un elaborador electrónico, caracterizado por que el programa de ordenador de la reivindicación 6 está instalado en él.