Localización de un receptor de posición itinerante en una red de localización.

Un método para determinar la posición de un receptor de posición itinerante (708) en un sistema de posicionamiento que comprende al menos un transmisor de referencia (701) en una ubicación conocida y al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703,

704, 706) en una ubicación conocida, comprendiendo dicho método las etapas de:

generar y transmitir cada uno del al menos un transmisor de referencia (701) señales de posicionamiento de referencia (705) de acuerdo con la base de tiempo de dicho al menos un transmisor de referencia (701); cada uno del al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706):

recibir e interpretar señales (705, 707) transmitidas por cualquiera de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) o ambos de dicho al menos un transmisor de referencia (701) y dicho uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703);

determinar un retardo de tiempo de propagación de señal de posicionamiento de referencia entre dicho al menos un transmisor de referencia (701) o uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) y dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706);

generar y transmitir una señal de posicionamiento único (709);

recibir e interpretar dicha señal de posicionamiento único (709);

comparar dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas y dicha señal de posicionamiento único (709) para deducir una diferencia de frecuencia;

ajustar la generación de dicha señal de posicionamiento único (709) para lograr coherencia de frecuencia con dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas;

comparar dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas y la señal de posicionamiento único (709) para deducir una diferencia de tiempo;

ajustar la generación de dicha señal de posicionamiento único (709) de acuerdo con la diferencia de tiempo deducida y dicho tiempo de retardo de propagación de señal de posicionamiento de referencia para lograr la coherencia tiempo con dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas;

de manera que dicha señal de posicionamiento único (709) está sincronizada cronológicamente con dichas señales de posicionamiento de referencia (705); y

recibiendo dicho receptor de posición itinerante (708):

dichas señales de posicionamiento único (709) cronológicamente sincronizadas; o

dichas señales de posicionamiento de referencia (705) y dichas señales de posicionamiento único (709) cronológicamente sincronizadas;

y posteriormente calcular su propia posición sin el requisito de correcciones diferenciales.

Localización de un receptor de posición itinerante en una red de localización Campo de la invención La presente invención se refiere generalmente a sistemas y métodos para la generación de determinaciones de posición precisas para un aparato móvil. En particular, la presente invención se aplica a sistemas de determinación de posición de tiempo de llegada precisa. La presente invención no está restringida 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 de la invención Es bien conocido en la técnica que la determinación de posición de tiempo de llegada precisa es dependiente de la precisión de los relojes de transmisor usados. En su forma más rudimentaria, tres balizas transmisoras colocadas en ubicaciones conocidas y conectadas a un reloj común a través de tres cables de idéntica longitud serán suficientes 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 al requisito de cables temporizados con precisión que distribuyen señales de temporización 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 las 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 de RF a cada baliza, para retransmisión posterior al equipo del usuario. Las modernas tecnologías de posicionamiento por satélite, tales como el GPS, emplean esta técnica, en donde se instalan estándares de tiempo de cesio y rubidio en cada satélite GPS, con el Segmento de Control de Tierra GPS monitorizando continuamente todos los satélites GPS y enlazando ascendentemente las correcciones de reloj a cada satélite cada veinticuatro horas. Estas correcciones son luego retransmitidas a través de un mensaje de navegación de cada satélite al equipo de usuario GPS, de modo que los algoritmos de posicionamiento dentro del equipo de usuario GPS puedan considerar el error del reloj de satélite. Con al menos cuatro satélites GPS a la vista, se logra una posición tridimensional en el equipo de usuario GPS usando 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.

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

En GPS basado en código convencional, la latitud, la longitud y la 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 distancia basados en la correlación de secuencias de código pseudoaleatorio (PRN) generadas internamente con secuencias de código pseudoaleatorio recibidas desde cada satélite GPS. Las distancias medidas se denominan pseudodistancias ya que hay una diferencia de tiempo o desplazamiento, entre los relojes en los satélites y el reloj dentro del receptor GPS. Es necesario asegurar 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 una transmisión de secuencia de código pseudoaleatorio de satélite y la recepción de esa 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 se requieren 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 la posición, la velocidad y el tiempo (PVT) sin datos de corrección diferencial desde receptores de referencia. Por lo tanto, ha llegado a ser 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 atómico precisa establecida la constelación GPS solamente es capaz de proporcionar a un receptor GPS con 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 cuando pasan a través de bandas de partículas ionizadas en la ionosfera. El retardo troposférico

es el retardo de tiempo experimentado por las ondas electromagnéticas cuando pasan a través de 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 la electrónica interna de un receptor GPS. El multitrayecto es el retardo de la señal causado por las reflexiones de señal localizadas en estrecha proximidad 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 usando una técnica conocida como "Corrección Diferencial". Un receptor de referencia colocado en una ubicación bien conocida calcula una pseudodistancia supuesto para cada señal de satélite que detecta. Entonces 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 de RF. El receptor GPS añade posteriormente 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 método se eliminan por completo los errores comunes tanto al receptor de referencia como al receptor GPS. Fuentes de error no correlacionadas, tales como multitrayecto y ruido del receptor permanecen en las pseudodistancias y degradan posteriormente la precisión de la posición. Precisiones de posición del orden de varios metros son alcanzables con una corrección GPS diferencial basada en código en entornos de bajo multitrayecto.

GPS Diferencial basado en Portador Convencional (posicionamiento relativo)

El GPS diferencial basado en portador convencional (CDGPS) calcula la diferencia entre la ubicación de referencia y la ubicación del usuario usando las diferencias entre las fases portadoras de los satélites medidas en el receptor de referencia y el receptor de usuario. Un receptor de referencia CDGPS, instalado en una ubicación bien conocida, calcula mediciones de fases portadoras simultáneas para todos los satélites a la vista y luego transmite los datos de fase portadora al receptor de usuario a través de un enlace de datos de RF. El receptor de usuario calcula también mediciones de fase simultáneas para todos los satélites a la vista y posteriormente calcula una diferencia de fase para determinar la posición del receptor de usuario con respecto a la ubicación del receptor de referencia. Las mediciones de fase portadora son un... [Seguir leyendo]

1. Un método para determinar la posición de un receptor de posición itinerante (708) en un sistema de posicionamiento que comprende al menos un transmisor de referencia (701) en una ubicación conocida y al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) en una ubicación conocida, comprendiendo dicho método las etapas de:

generar y transmitir cada uno del al menos un transmisor de referencia (701) señales de posicionamiento de referencia (705) de acuerdo con la base de tiempo de dicho al menos un transmisor de referencia (701) ; 10 cada uno del al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) :

recibir e interpretar señales (705, 707) transmitidas por cualquiera de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) o ambos de dicho al menos un transmisor de referencia (701) y dicho uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) ; determinar un retardo de tiempo de propagación de señal de posicionamiento de referencia entre dicho al menos un transmisor de referencia (701) o uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) y dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) ; generar y transmitir una señal de posicionamiento único (709) ;

recibir e interpretar dicha señal de posicionamiento único (709) ; comparar dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas y dicha señal de posicionamiento único (709) para deducir una diferencia de frecuencia; ajustar la generación de dicha señal de posicionamiento único (709) para lograr coherencia de frecuencia con dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas;

comparar dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas y la señal de posicionamiento único (709) para deducir una diferencia de tiempo; ajustar la generación de dicha señal de posicionamiento único (709) de acuerdo con la diferencia de tiempo deducida y dicho tiempo de retardo de propagación de señal de posicionamiento de 30 referencia para lograr la coherencia tiempo con dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas;

de manera que dicha señal de posicionamiento único (709) está sincronizada cronológicamente con dichas señales de posicionamiento de referencia (705) ; y recibiendo dicho receptor de posición itinerante (708) :

dichas señales de posicionamiento único (709) cronológicamente sincronizadas; o dichas señales de posicionamiento de referencia (705) y dichas señales de posicionamiento único (709) cronológicamente sincronizadas;

y posteriormente calcular su propia posición sin el requisito de correcciones diferenciales.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que:

dicho al menos un transmisor de referencia (701) está configurado además para generar y transmitir una 45 pluralidad de señales de posicionamiento de frecuencia diversa que exhiben incoherencia de tiempo; cada uno de los al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) comprende además las etapas de:

generar y transmitir una pluralidad de señales de posicionamiento de frecuencia diversa;

recibir dicha pluralidad de señales de posicionamiento de frecuencia diversa de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o desde otros dispositivos de unidad de posicionamiento incluyendo ellos mismos (703, 704, 706) o ambos; y sincronizar cronológicamente de manera independiente cada señal de posicionamiento de frecuencia diversa de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o dichos otros dispositivos de unidad de posicionamiento 55 (703, 704, 706) o ambos con una señal de posicionamiento de frecuencia diversa respectiva de dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) ;

de manera que dicha incoherencia de tiempo es común entre todas las señales de posicionamiento de frecuencia diversa; y dicho receptor de posición itinerante (708) comprende además las etapas de:

recibir dichas señales de posicionamiento de frecuencia diversa cronológicamente sincronizados de manera independiente; e interpretar dicha incoherencia de tiempo común como un sesgo del reloj del receptor;

de manera que se calcula una solución de posición precisa que incorpora dicho sesgo del reloj del receptor.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado por que dicha posición calculada del receptor de posición itinerante (708) está determinada por soluciones de posición-velocidad-tiempo (PVT) de punto de portador único.

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que las señales (705, 709) recibidas por dicho receptor de posición itinerante (708) incluyen un componente de código pseudoaleatorio y donde dicho receptor de posición itinerante (708) determina soluciones de posición de código pseudoaleatorio de un solo punto derivadas de dicho componente de código pseudoaleatorio dentro de cada señal (705, 709) recibida.

5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que las señales (705, 709) recibidas por dicho receptor de posición itinerante (708) incluyen un componente portador y en el que dicho receptor de posición itinerante (708) determina soluciones de posición de un solo punto portador derivadas de dicho componente portador dentro de cada señal (705, 709) recibida.

6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que dicha posición calculada del receptor de posición itinerante (708) determina dijo de al menos una base de tiempo del transmisor de referencia (701) mediante el cálculo de las soluciones de posición-velocidad-tiempo (PVT) o soluciones de posicionamiento de un solo punto del portador.

7. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que las señales (705, 709) recibidas por dicho receptor de posición itinerante (708) incluyen un componente portador que comprende un número inicialmente ambiguo de ciclos de componente portador y un componente de ciclo fraccional.

8. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que cada uno del al menos un transmisor de referencia es un dispositivo con unidad de posicionamiento (701, 402) , un satélite del sistema de aumento de área amplia (605) , un satélite del Sistema Global de Navegación por Satélite, o un pseudolito.

9. Un sistema de posicionamiento que permite a un receptor de posición itinerante (708) determinar su propia posición, comprendiendo dicho sistema de posicionamiento:

al menos un transmisor de referencia (701) en una ubicación conocida, estando cada uno del al menos un transmisor de referencia (701) configurado para generar y transmitir señales de posicionamiento de referencia (705) de acuerdo con la base de tiempo de dicho al menos un transmisor de referencia (701) ; al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) en una ubicación conocida, comprendiendo cada uno del al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) :

medios para recibir e interpretar señales (705, 707) transmitidas por cualquiera de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o uno de dicho al menos un dispositivo con unidad de posicionamiento (703) o ambos de dicho al menos un transmisor de referencia (701) y dicho uno de al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) ; medios para determinar un retardo de tiempo de propagación de la señal de posicionamiento de referencia entre dicho al menos un transmisor de referencia (701) o uno de dicho al menos un dispositivo de unidad de posicionamiento (703) y dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) ; medios para generar y transmitir una señal de posicionamiento único (709) ; medios para recibir e interpretar dicha señal de posicionamiento único (709) ; medios para comparar dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas y dicha señal de posicionamiento único (709) para deducir una diferencia de frecuencia; medios para ajustar la generación de dicha señal de posicionamiento único (709) , de tal manera que la coherencia de frecuencia se logra con dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas; medios para comparar dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas y la señal de posicionamiento único (709) para deducir una diferencia de tiempo; y medios para ajustar la generación de dicha señal de posicionamiento único (709) de acuerdo con la diferencia de tiempo deducida y dicho retardo de tiempo de propagación de la señal de referencia de posicionamiento para lograr la coherencia de tiempo con dichas señales (705, 707) recibidas e interpretadas;

de manera que dicha señal de posicionamiento único (709) está sincronizada cronológicamente con dichas señales de posicionamiento de referencia (705) ; y medios para dicho receptor de posición itinerante (708) para recibir:

dichas señales cronológicamente sincronizadas de posicionamiento único (709) ; o dichas señales de posicionamiento de referencia (705) y dichas señales de posicionamiento único (709) cronológicamente sincronizadas; y posteriormente calcular su propia posición sin el requisito de correcciones diferenciales.

10. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que:

dicho al menos un transmisor de referencia (701) está configurado además para generar y transmitir una pluralidad de señales de posicionamiento de frecuencia diversa que exhiben incoherencia de tiempo; dicho al menos un dispositivo con unidad de posicionamiento (703, 704, 706) comprende además:

medios para generar y transmitir una pluralidad de señales de posicionamiento de frecuencia diversa; medios para recibir dicha pluralidad de señales de posicionamiento de frecuencia diversa de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o desde otros dispositivos con unidad de posicionamiento incluyendo ellos mismos (703, 704, 706) o ambos; y medios para sincronizar cronológicamente de manera independiente cada señal de posicionamiento de frecuencia diversa de dicho al menos un transmisor de referencia (701) o dichos otros dispositivos de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) o ambos con una señal de posicionamiento de frecuencia diversa respectiva de dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (703, 704, 706) ;

de manera que dicha incoherencia de tiempo sea común entre todas las señales de posicionamiento de frecuencia diversa; y dicho receptor de posición itinerante (708) comprende además:

medios para recibir dichas señales de posicionamiento de frecuencia diversa sincronizados cronológicamente de manera independiente; y medios para interpretar dicha incoherencia de tiempo común como un sesgo del reloj del receptor;

de manera que una solución de posición precisa se calcula incorporando dicho sesgo del reloj del receptor.

11. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con la reivindicación 9 o la reivindicación 10, caracterizado por que dicha posición calculada del receptor de posición itinerante (708) está determinada por soluciones de posiciónvelocidad-tiempo (PVT) de punto único del portador.

12. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que las señales (705, 709) recibidas por dicho receptor de posición itinerante (708) incluyen un componente de código pseudoaleatorio y en el que dicho receptor de posición itinerante (708) determina las soluciones de posición de punto único de código pseudoaleatorio derivadas de dicho componente de código pseudoaleatorio dentro de cada señal recibida (705, 709) .

13. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que las señales (705, 709) recibidas por dicho receptor de posición itinerante (708) incluyen un componente portador y en el que dicho receptor de posición itinerante (708) determina las soluciones de posición de punto único de portador derivadas de dicho componente portador dentro de cada señal recibida (705, 709) .

14. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado por que dicha posición calculada del receptor de posición itinerante (708) determina dicha base de tiempo de al menos un transmisor de referencia (701) mediante el cálculo de las soluciones de posición-velocidad-tiempo (PVT) o soluciones de posicionamiento de un solo punto de portador.

15. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado por que las señales (705, 709) recibidas por dicho receptor de posición itinerante (708) incluyen un componente de portador que comprende un número inicialmente ambiguo de componente de ciclos de portador y un componente de ciclo fraccional.

16. Un sistema de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado por que cada uno de los al menos un transmisor de referencia es un dispositivo con unidad de posicionamiento (701, 402) , un satélite de sistema de aumento de área amplia (605) , un satélite del Sistema Global de Navegación por Satélite, o un pseudolito.