Coherencia de frecuencia en una red de localización.

Un método para el seguimiento de la frecuencia de bucle abierto del componente portador de una señal de posicionamiento de referencia (203) recibida en un dispositivo de unidad de posicionamiento (201),

transmitiéndose dicha señal de posicionamiento de referencia (203) mediante al menos un transmisor de referencia (202), comprendiendo dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201) un receptor (204), un oscilador común (212) y un reloj de frecuencia orientable (210) conectado a un transmisor (205), siendo el oscilador común (212) común a dicho receptor (204) y a dicho reloj de frecuencia orientable (210), comprendiendo dicho método las etapas de: recibir dicha señal de posicionamiento de referencia (203) en dicho receptor (204);

medir un desplazamiento del componente portador de la señal de posicionamiento de referencia (203) recibida con respecto a la frecuencia de dicho oscilador común (212);

referenciar dicho reloj de frecuencia orientable (210) con dicho oscilador común (212); ajustando continuamente dicho reloj de frecuencia orientable (210) en una cantidad derivada del desplazamiento de frecuencia medido; y

generar una señal de posicionamiento único (215) en dicho transmisor (205), en donde la frecuencia del componente portador de dicha señal de posicionamiento único (215) está alineada con dicho reloj de frecuencia orientable (210);

de manera que dicho reloj de frecuencia orientable (210) se puede ajustar mediante la aplicación de un desplazamiento de frecuencia adicional durante un periodo de tiempo predeterminado para ralentizar en el tiempo dicha señal de posicionamiento único (215).

Coherencia de frecuencia 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, 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 distancia basándose 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, velocidad y 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 Portadora Convencional (posicionamiento relativo)

El GPS diferencial basado en portadora 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 recuento de ciclo de funcionamiento... [Seguir leyendo]

1. Un método para el seguimiento de la frecuencia de bucle abierto del componente portador de una señal de posicionamiento de referencia (203) recibida en un dispositivo de unidad de posicionamiento (201) , transmitiéndose dicha señal de posicionamiento de referencia (203) mediante al menos un transmisor de referencia (202) , comprendiendo dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201) un receptor (204) , un oscilador común (212) y un reloj de frecuencia orientable (210) conectado a un transmisor (205) , siendo el oscilador común (212) común a dicho receptor (204) y a dicho reloj de frecuencia orientable (210) , comprendiendo dicho método las etapas de:

recibir dicha señal de posicionamiento de referencia (203) en dicho receptor (204) ; medir un desplazamiento del componente portador de la señal de posicionamiento de referencia (203) recibida con respecto a la frecuencia de dicho oscilador común (212) ; referenciar dicho reloj de frecuencia orientable (210) con dicho oscilador común (212) ; ajustando continuamente dicho reloj de frecuencia orientable (210) en una cantidad derivada del desplazamiento de frecuencia medido; y generar una señal de posicionamiento único (215) en dicho transmisor (205) , en donde la frecuencia del componente portador de dicha señal de posicionamiento único (215) está alineada con dicho reloj de frecuencia orientable (210) ; de manera que dicho reloj de frecuencia orientable (210) se puede ajustar mediante la aplicación de un desplazamiento de frecuencia adicional durante un periodo de tiempo predeterminado para ralentizar en el tiempo dicha señal de posicionamiento único (215) .

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho reloj de frecuencia orientable (210) se ajusta mediante una cantidad equivalente a dicho desplazamiento de frecuencia medido, de tal manera que la frecuencia del componente portador de la señal de posicionamiento único (215) ajustada está alineada con la frecuencia del componente portador de dicha señal de posicionamiento de referencia (203) .

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho método comprende además la etapa de ajustar dicho reloj de frecuencia orientable (210) aplicando un desplazamiento de frecuencia adicional durante un periodo de tiempo predeterminado para ralentizar en el tiempo dicha señal de posicionamiento único (215) .

4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que se transmite la señal de posicionamiento único (215) ajustada.

5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la señal de posicionamiento único (215) ajustada funciona como una señal de posicionamiento de referencia para otros dispositivos de unidad de posicionamiento.

6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que dicho al menos un transmisor de referencia (202) es un dispositivo de unidad de posicionamiento (701, 402) , un satélite de un sistema de aumento de área amplia (605) , un satélite de un sistema de navegación global por satélite, o un pseudolito.

7. Un dispositivo de unidad de posicionamiento (201) para el seguimiento de la frecuencia de bucle abierto del componente portador de una señal de posicionamiento de referencia (203) recibida, transmitiéndose dicha señal de posicionamiento de referencia (203) mediante al menos un transmisor de referencia (202) , comprendiendo dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201) :

un receptor (204) para recibir dicha señal de posicionamiento de referencia (203) ; un reloj de frecuencia orientable (210) conectado a un transmisor (205) ; medios para medir un desplazamiento del componente portador de la señal de posicionamiento de referencia (203) recibida relativa a un oscilador común (212) , siendo dicho oscilador común (212) común a dicho receptor (204) y a dicho reloj de frecuencia orientable (210) ; medios para referenciar dicho reloj de frecuencia orientable

(210) a dicho oscilador común (212) ; medios para ajustar continuamente dicho reloj de frecuencia orientable

(210) mediante una cantidad derivada del desplazamiento de frecuencia medido; y un transmisor (205) para generar una señal de posicionamiento único (215) , en donde la frecuencia del componente portador de dicha señal de posicionamiento único está alineada con dicho reloj de frecuencia orientable (210) ; de manera que dicho reloj de frecuencia orientable (210) se puede ajustar aplicando un desplazamiento de frecuencia adicional durante un periodo de tiempo predeterminado para ralentizar en el tiempo dicha señal de posicionamiento único (215) .

8. Un dispositivo de unidad de posicionamiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que dicho reloj de frecuencia orientable (210) se ajusta mediante una cantidad equivalente a dicho desplazamiento de frecuencia medido, de tal manera que la frecuencia del componente portador de la señal de posicionamiento único (215) ajustada está alineada con la frecuencia del componente portador de dicha señal de posicionamiento de referencia (203) .

9. Un dispositivo de unidad de posicionamiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que dicho dispositivo de unidad de posicionamiento (201) comprende además medios para ajustar dicho reloj de frecuencia orientable (210) aplicando un desplazamiento de frecuencia adicional durante un periodo de tiempo predeterminado para ralentizar en el tiempo dicha señal de posicionamiento único (215) . 5

10. Un dispositivo de unidad de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que se transmite la señal de posicionamiento único ajustada (215) .

11. Un dispositivo de unidad de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, 10 caracterizado por que la señal de posicionamiento único ajustada (215) funciona como una señal de posicionamiento de referencia para otros dispositivos de unidad de posicionamiento.

12. Un dispositivo de unidad de posicionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado por que dicho al menos un transmisor de referencia (202) es un dispositivo de unidad de 15 posicionamiento (701, 402) , un satélite de un sistema de aumento de área amplia (605) , un satélite de un sistema global de navegación por satélite, o un pseudolito.