BRPI0708496A2 - método para determinação de posição com combinação de medições - Google Patents
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Abstract
MéTODO PARA DETERMINAçAO DE POSIçAO COM COMBINAçAO DE MEDIçõES Um dispositivo de comunicação móvel usa um método para determinação de posição que envolve um filtro de posicionamento, tal como um filtro de Kalman, o qual é inicializado com medições provenientes de estações de referência, tais como veículos de satélites e/ou estações base, que podem ser captadas durante diferentes tempos de referências. Assim sendo, o filtro de posicionamento pode ser usado para estimativa de posição sem a necessidade de primeiramente captar pelo menos três sinais diferentesdurante o mesmo tempo de referência de medição.
Description
"MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DE POSIÇÃO COM COMBINAÇÃO DEMEDIÇÕES"
REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS CORRELACIONADOS
O presente pedido reivindica a prioridade doPedido Provisório de Patente Co-pendente U.S. N2 de Série60/779 935, intitulado "MEASUREMENT STITCHING FOR IMPROVEDPOSITION LOCATION IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM",depositado em 6 de março de 2006, em nome da Requerente dapresente invenção e aqui incorporado pela por referência.
CAMPO
A presente invenção está relacionada a sistemasde posicionamento e, mais particularmente, à computação desoluções de posição para receptores móveis.
FUNDAMENTOS
O Sistema de Posicionamento Global (GPS) consistede um sistema de navegação por satélites, ou um sistema deposicionamento por satélite, projetado para proverinformações de posição, velocidade e tempo em quasequalquer local no mundo. 0 GPS foi desenvolvido peloMinistério da Defesa dos Estados Unidos e atualmente incluiuma constelação de vinte e quatro satélites operacionais.
Outros tipos de sistemas de navegação por satélites incluemo Sistema de Aumento de Área Ampla (WAAS - Wide AreaAugmentation System), o sistema de satélites para navegaçãoglobal (GLONASS) implantado pela Federação Russa, e osistema Galileo planejado pela União Européia. Tal comoutilizado aqui, "sistema de posicionamento por satélite"(SPS) será compreendido para se referir a GPS, Galileo,GL0NASS, NAVSTAR, GNSS, a um sistema que utiliza satélitesa partir de uma combinação de tais sistemas, sistemas depseudo-satélites (pseudolite), ou qualquer SPS desenvolvidono futuro.
Uma diversidade de receptores foi projetada paradecodificar os sinais transmitidos a partir dos satélitespara determinar posição, velocidade ou tempo. De um modogeral, para decifrar os sinais e computar uma posiçãofinal, o receptor deve captar sinais provenientes dossatélites em visada, medir e rastrear os sinais recebidos erecuperar dados de navegação a partir dos sinais. Atravésda medição precisa da distância de três satélitesdiferentes, o receptor triangula sua posição, isto é, obtémuma solução para latitude, longitude . e altitude.
Especificamente, o receptor mede a distância através damedição do tempo requerido para cada sinal mover-se dorespectivo satélite até o receptor. Isto requer informaçõesde tempo precisas. Por tal razão, são tipicamenterequeridas medições provenientes de um quarto satélite paraauxiliar a solução de erros de medição de tempo comuns, porexemplo erros criados pelas imprecisões dos circuitos detemporização dentro do receptor.
Em certas localizações, por exemplo, ambientesurbanos com edificações altas, o receptor pode somente sercapaz de captar sinais provenientes de três ou menossatélites. Em tais casos, o receptor será incapaz desolucionar todas as quatro variáveis da solução de posição:latitude, longitude, altitude e tempo. Caso o receptor sejacapaz de captar sinais provenientes de três satélites, porexemplo, o receptor pode dispensar um cálculo de altitudepara solucionar latitude, longitude e tempo.
Alternativamente, caso a altitude seja obtida através demeios externos, todas as quatro variáveis podem sersolucionadas a partir de três sinais de satélites. Casomenos do que três sinais estejam disponíveis, o receptorpode ser incapaz de calcular sua posição.
Para lidar com tal limitação, muitos receptoresempregam uma tecnologia de localização híbrida que faz usode sinais provenientes de estações base de um sistema decomunicação sem fio. Como no caso de sinais de satélites,os receptores híbridos medem retardos de tempo dos sinaisvia rádio para medir distâncias a partir das estações baseda rede. Os receptores híbridos utilizam os sinaisprovenientes das estações base, bem como quaisquer sinaiscaptados provenientes de satélites GPS, para solucionar asvariáveis de posição e tempo. A técnica de localizaçãohibrida freqüentemente permite que um receptor compute umasolução de posição em uma ampla variedade de localizaçõesonde as técnicas de posicionamento convencionais iriamfalhar. Nos sistemas móveis sem fio de acesso múltiplo pordivisão de código (CDMA), por exemplo, esta parte demedição de estações base de tal técnica hibrida é designadacomo Trilateração de Link Direto Avançada (AFLT).
A precisão da solução de localização determinadapelo receptor é afetada pelo grau de precisão de tempodentro do sistema. Nos sistemas sincronizados, tais como ossistemas CDMA existentes, as informações de temporizaçãocomunicadas pelas estações base celulares são sincronizadascom as informações de temporização provenientes dossatélites GPS, permitindo que um tempo preciso estejadisponível em todo o sistema. Em alguns sistemas, tais comoo Sistema Global para Telecomunicações Móveis (GSM), asinformações de temporização não estão sincronizadas entfeas estações base e os satélites GPS. Em tais sistemas, sãoadicionadas Unidade de Medição de Posição (LMUs) àinfraestrutura existente para prover informações detemporização precisas à rede sem fio.
Outra técnica que é comumente usada em sistemas ealgoritmos para determinação de posição consiste do uso defiltros de Kalman. Come é bem conhecido, um filtro deKalman (KF) consiste de um algoritmo de estimativa de dadosrecursivo ideal. Ele é freqüentemente usado para modelaratributos de entidades móveis, tais como aeronaves,pessoas, veículos, etc. Tais atributos podem incluir, porexemplo, tanto velocidade como posição. O estado correntedo sistema e uma medição atual são usados para estimar umnovo estado do sistema. Na prática, um filtro de Kalmancombina todos os dados de medição disponíveis, mais oconhecimento anterior sobre o sistema, dispositivos demedição e estatísticas de erro para produzir uma estimativadas variáveis desejadas, de tal forma que o erro sejaestatisticamente minimizado.
No passado, um filtro de Kalman usado dentro deum dispositivo de telecomunicações móvel requeriatipicamente certos parâmetros de inicialização provenientesde um receptor do sistema de posicionamento acompanhante.Como exemplo, quando um receptor GPS era usado, era típicoque medições simultâneas provenientes de pelo menos trêsveículos de satélites diferentes fossem obtidas antes que ofiltro de Kalman pudesse ser inicializado. Isto significaque em um tempo de referência (epoch) de medição, sinaisprovenientes de pelo menos três veículos de satélitesdiferentes são recebidos e processados com sucesso pelodispositivo de comunicação móvel. Tal exigência degrada odesempenho do dispositivo móvel pois pode impor algo daordem de dezenas de segundos para captar os sinaisprovenientes de três veículos de satélites, especialmenteem ambientes urbanos. Caso os sinais necessários não sejamcaptados, ou não sejam captados no tempo apropriado, entãoa parte de determinação de posição do dispositivo móvelpode falhar na inicialização e pode não operar de formaapropriada ou eficiente.
Dessa forma, a inicialização típica de um filtrode Kalman usado para a determinação de posição de uniaunidade móvel requer que seja obtido primeiramente o estadoinicial completo em um certo tempo to antes que asinformações de estado de posição atualizadas possam serestimadas para tempos t > t0. Tal restrição implica quepara receptores GPS móveis em ambientes de sinal marginais,por exemplo com obstruções variáveis no tempo em relação àlinha de visada até os satélites, pode ser difícil ouconsumir tempo para captar simultâneas medições de alcance(isto é, dentro do mesmo tempo de referência), provenientesde pelo menos três satélites GPS necessários para ainicialização do filtro de Kalman. É altamente desejável oaperfeiçoamento do desempenho de determinação de posiçãopara receptores GPS móveis em ambientes de sinal adversosem que a simultaneidade das medições de alcance pode nãoocorrer em tempo hábil. '·
Assim sendo, permanece uma necessidade deaperfeiçoamento das capacidades de determinação de posiçãode dispositivos de comunicação móvel, e efetuar a mesma deforma tempestiva e eficiente.
SUMÁRIO
Um aspecto da presente invenção está relacionado a um método para estimar a posição de um dispositivo decomunicação móvel, compreendendo: semear (seed) um filtrode posicionamento com uma posição aproximada; atualizar ofiltro de posicionamento com um primeiro conjunto demedições captado durante um primeiro tempo de referência demedição de um primeiro subconjunto de estações dereferência, em que o primeiro subconjunto inclui menos doque três estações de referência diferentes; atualizar ofiltro de posicionamento com um segundo conjunto demedições captado durante um segundo tempo de referência demedição de um segundo subconjunto de estações dereferência; e determinar uma estimativa de posição para odispositivo de comunicação móvel com base no filtro deposicionamento atualizado.
Outro aspecto da presente invenção estárelacionado a um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo: semear umfiltro de posicionamento com uma posição aproximada;atualizar o filtro de posicionamento com um primeiroconjunto de medições captado durante um primeiro tempo dereferência de medição de um primeiro subconjunto de fontesde pseudo-alcances, em que ο primeiro subconjunto incluimenos do que três fontes de pseudo-alcances diferentes;atualizar o filtro de posicionamento com um segundoconjunto de medições captado durante um segundo tempo dereferência de medição de um segundo subconjunto de fontesde pseudo-alcances; e determinar uma estimativa de posiçãopara o dispositivo de comunicação móvel com base no filtrode posicionamento atualizado.
Outro aspecto da presente invenção estárelacionado a um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo: armazenarum conjunto de medições de pseudo-alcance provenientes deum conjunto de estações de referência, com marcação dehorário (timestamp) do tempo do relógio local;
posteriormente estabelecer uma relação entre o tempo dorelógio local com o tempo do sistema do veículo desatélite; determinar o tempo do sistema do veículo desatélite do conjunto de medições de pseudo-alcancesarmazenadas; e utilizar o conjunto de medições de pseudo-alcances armazenadas e o tempo de sistema do veículo desatélite de tal conjunto de medições para determinar aposição do dispositivo móvel.
Outro aspecto da presente invenção estárelacionado a um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo: armazenarum conjunto de medições de pseudo-alcances provenientes deum conjunto de estações de referência; posteriormentedeterminar as informações de efemérides para as estações dereferência; e utilizar o conjunto de medições de pseudo-alcances armazenado e as informações de efeméridesrecentemente determinadas para determinar a posição dodispositivo móvel.
Outro aspecto da presente invenção estárelacionado a um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel que inclui as etapas desemear um filtro de posicionamento com uma posiçãoaproximada; atualizar o filtro de posicionamento com umaprimeira medição de pseudo-alcance captada durante umprimeiro tempo de referência de medição de um primeirosubconjunto de estações de referência, em que o primeirosubconjunto inclui menos do que três estações de referênciadiferentes; atualizar o filtro de posicionamento com urnasegunda medição de pseudo-alcance captada durante vimsegundo tempo de referência de medição de um segundo subconjunto de estações de referência; determinar umaestimativa de posição para o dispositivo de comunicaçãomóvel com base no filtro de posicionamento atualizado; eutilizar a retro-propagação para determinar o tempo para oprimeiro subconjunto e o segundo subconjunto.
Mais outro aspecto da presente invenção estárelacionado a um dispositivo de comunicação móvel,compreendendo: um primeiro receptor configurado parareceber sinais relacionados a um sistema de posicionamentode satélites; ura segundo receptor configurado para recebersinais relacionados a uma rede de comunicação; umprocessador em comunicação com os primeiro e segundoreceptores, o processador estando configurado para: (a)semear um filtro de posicionamento com uma primeira mediçãode pseudo-alcance captada durante um primeiro tempo dereferência de medição de um primeiro subconjunto deestações de referência do sistema de posicionamento porsatélite, em que o primeiro subconjunto inclui menos do quetrês estações de referência diferentes; (b) atualizar ofiltro de posicionamento com uma segunda medição de pseudo-alcance captadá durante um segundo tempo de referência demedição de um segundo subconjunto de estações de referênciado sistema de posicionamento por satélite; e (c) determinaruma estimativa de posição para o dispositivo de comunicaçãomóvel com base no filtro de posicionamento atualizado.Deve ficar claro que outras modalidades ficarãoclaras para os técnicos na área através da descriçãodetalhada que se segue, em que várias modalidades sãoapresentadas e descritas apenas como ilustração. Osdesenhos e a descrição detalhada devem ser consideradoscomo sendo de natureza ilustrativa e não restritiva. '
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 ilustra uma vista conceptual geral deum dispositivo móvel que se comunica com uma rede detelefonia celular e um sistema de posicionamento baseado emsatélites.
A Figura 2 ilustra partes de um dispositivo decomunicação móvel de acordo com os princípios da presente invenção.
A Figura 3 representa a linha de tempo demedições recebidas provenientes de vários veículos de umsistema de posicionamento por satélite.
A Figura 4 representa um fluxograma de um métodoexemplar para determinar uma posição de uma unidade móvelde acordo com os princípios da presente invenção.
A Ficjura 5 resume o aperfeiçoamento de desempenhoutilizando-se simulação de Monte Cario agregada sobremúltiplas áreas.
A Figura 6 apresenta um detalhamento adicional dométodo aperfeiçoado de combinação de filtro de Kalman.
A Figura 7 apresenta um exemplo hipotético onde asessão possui um tempo limite (timeout) de 16 segundos.
A Figura 8 ilustra uma situação hipotética ondeapós apenas 2 satélites terem sido captados, uma posição30 semente aperfeiçoada pode ser obtida antes de se ter trêsmedições de satélites diferentes.
A Figura 9 apresenta um caso hipotético onde otempo GPS não é captado até cerca de 20 segundos após oinício da sessão.DESCRIÇÃO DETALHADA
A descrição detalhada apresentada a seguir emconexão aos desenhos anexos destina-se uma descrição devárias modalidades da presente invenção, mas não se destinaa representar as únicas modalidades nas quais a presenteinvenção pode ser praticada. Cada modalidade descrita nestarevelação é provida meramente como um exemplo ou ilustraçãoda presente invenção, não devendo ser necessariamenteconsiderada como preferida ou vantajosa em relação a outrasmodalidades. A descrição detalhada inclui detalhesespecíficos com o propósito de prover uma completacompreensão da presente invenção. No entanto, ficará claropara os técnicos na área que a presente invenção pode serpraticada sem tais detalhes específicos. Em alguns casos,estruturas e dispositivos bem conhecidos são apresentadosem forma de diagramas de blocos de modo a evitar obscureceros conceitos da presente invenção. Acrônimos e outrasterminologias descritivas podem ser usados meramente porconveniência e clareza, não se destinando a limitar oescopo da invenção. Além disso, para os propósitos dapresente revelcição, o termo "acoplado" significa "conectadoa", e tal conexão pode ser direta, ou, quando apropriadopelo contexto, pode ser indireta, por exemplo através dedispositivos ou outros meios intervenientes ouintermediários.
Como representado na Figura 1, a unidade móvel104 pode tomar a forma de qualquer um dentre uma variedadede receptores móveis capazes de receber sinais de navegação(por exemplo, sinais de navegação por satélite 110 ousinais de comunicação sem fio 112) provenientes de estaçõesde referência, tais como veículos de satélites 106 e/ouestações base 108, para computação de uma solução deposição. Os exemplos incluem um telefone móvel, um receptorde navegação portátil, um receptor montado no interior deum veículo, tal como uma aeronave, automóvel, caminhão,tanque, embarcação e similares. As estações base 108 podemse comunicar com a unidade móvel 104 de acordo com qualquerum dentre vários protocolos de comunicação sem fio. Umprotocolo de comunicação sem fio comum é o de acessomúltiplo por divisão de código (CDMA) no qual múltiplascomunicações são simultaneamente conduzidas através de umespectro de radiofreqüência (RF). Em um ambiente CDMA, astécnicas podem ser consideradas como um mecanismo paraTrilateração de Link Direto Avançada (AFLT) aperfeiçoada.
Outros exemplos incluem o Sistema Global paraTelecomunicações Móveis (GSM), que utiliza o acessomúltiplo por divisão de tempo (TDMA) em banda estreita paracomunicação de dados, e o Serviço Geral de Rádio de Pacotes(GPRS). Em algumas modalidades, a unidade móvel 104 podeintegrar tanto um receptor GPS como um dispositivo decomunicação sem fio para comunicação de voz ou dados. Dessaforma, embora o exemplo especifico de um sistema GPS possaestar descrito no presente documento, os princípios etécnicas da presente invenção são aplicáveis a qualquersistema de posicionamento por satélite ou sistema deposicionamento terrestre, tal como uma rede sem fio.
A unidade móvel 104 emprega técnicas paracomputar uma solução de posicionamento com base nos sinais110, 112, recebidos provenientes dos satélites 106 eestações base 108, respectivamente. A unidade móvel 104capta sinais 110 provenientes dos satélites 106 em visada emede a distância até cada satélite por medição do temporequerido para cada sinal se mover do respectivo receptor osatélite até a unidade móvel 104, para determinar a mediçãode pseudo-alcance. De forma similar, a unidade móvel 104pode também receber sinais 112 provenientes de estaçõesbase 108 do sistema de comunicação sem fio 107 e medir asdistâncias das estações base 108 com base no temporequerido para que cada sinal via rádio se mova dasestações base até a unidade móvel. A unidade móvel 104tipicamente soluciona as variáveis de posição e tempo combase nas medições.
A Figura 2 representa um diagrama de blocos departes de um dispositivo de comunicação móvel 104 de acordocom os princípios da presente invenção, que estãorelacionadas à determinação de posição para a unidade móvel104. A unidade móvel 104 pode incluir uma antena 220configurada para receber sinais provenientes de um sistemade navegação por satélites ou sistema de posicionamento porsatélite e outra antena 206 configurada para receber sinaisprovenientes de uma rede de comunicação terrestre. Taissinais são providos a um processador 202 que inclui tantocomponentes de software como de hardware para prover umafuncionalidade de processamento de sinais com relação aossinais. Em particular, um filtro de Kalman 204 éimplementado como parte da unidade móvel 104 para auxiliaràs funções de determinação de posição da unidade móvel 104.
Como é bem conhecido pelos técnicos na área, umfiltro de posicionamento, tal como um filtro de Kalman 204,recebe medições de entrada e implementa um algoritmo paraestimativa de variáveis desejadas com base nas medições deentrada e no estado histórico do sistema. Uma memória,embora não mostrada, é freqüentemente utilizada paraarmazenar informações de estado e valores de matriz decovariância para o filtro de Kalman que provêem uma medidade erro, ou acerto, das estimativas de estado providas pelofiltro de Kalman.
A unidade móvel 104 pode ser, por exemplo, umtelefone celular ou dispositivo de comunicação móvelsimilar. Assim sendo, existem blocos funcionais edispositivos adicionais que fazem parte da unidade móvel104 que não são representados na Figura 2. Tais blocos e/oudispositivos adicionais estão tipicamente relacionados aoprocessamento de sinais recebidos das antenas 206, 220, aoprovimento de uma interface de usuário, ao provimento decomunicações de fala, ao provimento de comunicações dedados e a outras capacidades similares. Muitos de taisblocos funcionais e dispositivos não estão diretamenterelacionados ã determinação de posição e, portanto, não sãoincluídos de modo a não obscurecer os princípios dapresente invenção.
Como foi brevemente explanado acima, os sinaissão tipicamente recebidos provenientes de veículos ciesatélites pela antena 220. Tais sinais são a seguirdecodificados e processados em informações de posiçãoutilizando-se técnicas e algoritmos bem conhecidos. Nopassado, eram requeridos sinais provenientes de pelo menostrês satélites durante um único tempo de referência demedições de modo a gerar um fixo de posição, usando ummodelo de Mínimos Quadrados Ponderado (WLS), que pudesseser usado para inicializar o filtro de Kalman 204. Uma vezinicializado o filtro de Kalman, então ele pode continuar aproduzir estimíltivas de posição com base em medições de GPSque ocorram posteriormente. A Figura 3 representa asituação em que medições de GPS 302 (provenientes de 1, 2,ou 3 satélites) são recebidas durante tempo de referênciasde medição 300 individuais e nenhuma das medições maisprecoces inclui sinais simultâneos provenientes de trêsveículos de satélites diferentes. Dessa forma, muito emboraos sinais que incluem informações de posição estejam sendocaptados constantemente, o filtro de Kalman da técnicaanterior não era capaz de ser inicializado até que fossemcaptadas medições de GPS provenientes de três satélitesdiferentes durante um único tempo de referência de medição(o que ocorre no instante 306).
Em contraste, as modalidades da presente invençãousam informações de posicionamento captadas durantediferentes tempos de referências de medição parainicializar um filtro de Kalman. Dessa forma, três mediçõesdiferentes provenientes de múltiplos tempo de referênciasde medição não simultâneos estão disponíveis no instante304 (muito mais cedo do que no instante 306) e o filtro deKalman é capaz de prover um fixo de boa qualidade em talponto mais precoce. A explanação anterior se baseava nahipótese de que apenas três sinais de medição de satélitessão necessários para gerar um fixo de posição de umreceptor. Tal hipótese se baseia em informações de altitudeestando disponíveis a partir de fontes alternativas, taiscomo a rede de comunicação ou similares. Alternativamente,caso não haja informação de altitude disponíveis, então omesmo princípio se aplica a quatro satélites, ao invés de três.
Mesmo antes que medições de posicionamento detrês satélites estejam disponíveis, modalidades da presenteinvenção podem utilizar duas medições para melhorarsignificativamente uma posição inicial. Como exemplo, o usode medições provenientes de dois satélites pode prover umaestimativa de posição horizontal que é tipicamente pelomenos 30 % mais precisa do que a posição inicial,freqüentemente dentro de 100 a 500 metros.
A Figura 4 apresenta um fluxograma de um métodoexemplar para uso de diferentes medições de satélites paraprover informações de posição de acordo com os princípiosda presente invenção. Na etapa 402, a unidade móvel iniciapela captação de quaisquer informações de auxílio deposição que estejam disponíveis a partir da rede decomunicação ou da memória. Como exemplo, a altitude dentrode 50 metros pode estar disponível, assim como a posiçãodentro de algumas centenas de metros, caso esteja presenteum sistema auxiliado por GPS. A seguir, na etapa 404, taisinformações são usadas para semear o estado do filtro deKalman e a matriz de covariância. O filtro de Kalman éprojetado para prover uma predição de posição e velocidade,bem como corrigir uma predição anterior, de forma a proverposição e velocidade atuais. Dessa forma, a rede decomunicação, a memória do dispositivo, ou outras fontespoderiam prover a posição inicial e estimativas de erro quesemeiam o filtro de Kalman.
A seguir, na etapa 406, o estado do filtro deKalman e a matriz de covariância são atualizados comquaisquer informações de posição captadas a partir dequalquer veiculo de satélite. Como exemplo, caso a posiçãoda unidade móvel dentro de uma parte relativamente pequenada terra (por exemplo, um setor de célula de uma rede semfio) seja conhecida, então as informações de pseudo-alcanceprovenientes de dois satélites podem ser usadas paraidentificar um segmento de linha reta relativamente curtosobre o qual a unidade móvel está localizada. Como parte deoperação inerente do filtro de Kalman, as matrizes decovariância são automaticamente atualizadas para refletiruma nova estimativa de erro para os valores preditos. Dessaforma, o filtro de Kalman provê uma estimativa, por exemplona etapa 408, da latitude e longitude da unidade móvel,juntamente com uma estimativa do erro ou incerteza. Aaltitude da unidade móvel também é provida pelo filtro deKalman. A etapa 409 provê um teste para determinar se oserros estimados atendem às exigências do aplicativo. Casopositivo, passa-se à etapa 410 e são providas latitude,longitude e altitude estimadas para o aplicativo. Casonegativo, volta-se à etapa 406. Os técnicos na áreareconhecerão que várias manipulações matemáticas etransformações de coordenadas podem ser efetuadas paraassegurar que as informações carregadas e atualizadas noestado e matrizes de covariância estejam em um formato apropriado.
A Figura 5 resume a melhoria de desempenho pelouso de simulação de Monte Cario agregada sobre múltiplasáreas. O erro horizontal (HE) para o 68° percentil melhorade 333 m para WLS para 124 m para a combinação de KF. O HEpara o 95° percentil melhora de 942 m para WLS para 838 mpara a combinação de KF.
Fazendo novamente uma breve referência à Figura3, as medições de GPS provenientes de tempo de referênciassubseqüentes podem ser usadas para refinar a estimativa(via o filtro de Kalman), mesmo quando dados provenientesde outros satélites não estejam disponíveis. Dessa, forma,por exemplo, duas medições adjacentes provenientes doveículo de satélite "1" podem ser usadas pelo filtro deKalman, muito embora nenhuma outra informação provenientede outro satélite esteja disponível. Eventualmente, quandoinformações provenientes de satélites adicionais foremcaptadas, a estimativa do filtro de Kalman pode serapropriadamente atualizada apesar de tais medições nãoterem sido recebidas durante o mesmo tempo de referência demedição. Finalmente, após atualizações suficientes, ofiltro de Kalman será capaz de predizer posição evelocidade dentro de um nível de incerteza aceitável para oaplicativo.
A Ficjura 6 apresenta um detalhamento adicional dométodo de combinação de filtro de Kalman aperfeiçoado. Odiagrama superior ilustra uma situação de linha de tempo demedição de GPS convencional para um receptor móvel, onde ofiltro de Kalman não pode ser inicializado até que pelomenos três medições de GPS simultâneas estejam disponíveis.Um fixo de posição WLS usando três satélites é necessáriopara iniciar o processo de estimação de KF, o qual, nesteexemplo hipotético, ocorre quase 30 segundos após o inícioda sessão. Subseqüentemente, o KF continua a atualizarfixos de posição, mesmo com menos de três medições desatélites disponíveis em um dado tempo de referência. Emcontraste, o diagrama de baixo apresenta a situação delinha de tempo de medições de GPS da invenção, onde ofiltro de Kalman pode produzir uma solução de posição comqualidade típica de GPS com três medições de GPS nãosimultâneas, utilizando capacidades de "combinação" dapresente invenção. Em tal caso, o processo de estimação deKF se inicia cerca de 10 segundos após o inicio da sessãoquando pelo menos três satélites foram observados comsucesso, embora em tempos de referências diferentes. Alémdisso, após tal inicialização bem sucedida, o KF continua aatualizar fixos de posição, mesmo com menos de trêsmedições de satélites disponíveis em um dado tempo dereferência.
Dessa forma, o método de combinação de KF/ acimailustrado, provê o potencial para reduzir em muito o tempopara o primeiro fixo para receptores GPS móveis emambientes de sinal desvantajosos. Além disso, como foiacima mencionado, também pode ser obtida melhor precisão deposicionamento horizontal.
Outra vantagem da presente invenção consiste deum aperfeiçoamento do rendimento da solução em ambientes desinais desfavoráveis. Como exemplo, a Figura 7 apresenta omesmo exemplo hipotético da Figura 6, com a adição do tempolimite de sessão hipotético de 16 segundos. 0 fixo deposição convencional baseado em uma estimativa WLS nãoalcançará uma posição válida antes do tempo limite do fixodevido a seu retardo de quase 30 segundos. Por outro lado,o fixo de posição inicial com base na combinação de KF dapresente invenção pode obter um fixo válido abaixo dolimite do tempo limite. Dessa forma, o presente método podepropiciar uma maior probabilidade de um fixo de posição bemsucedido para receptores GPS móveis em ambientes de sinaldifíceis.
Outro aspecto da presente invenção consiste damelhoria na incerteza da posição semente usando-se a linhade posição de 2 GPS. A Figura 8 ilustra uma situaçãohipotética em que após apenas 2 satélites terem sidocaptados, uma posição semente melhorada pode ser obtidaantes de se ter três medições de satélites diferentes. Talrecurso é baseado na propriedade geométrica de que noposicionamento tridimensional, a posse de duas medições depseudo-alcances válidas mais a altitude resulta em umalinha unidirecional de solução de posição. Esta solução temapenas um grau de liberdade residual comparado ao fixo deposição completo que resulta em uma incerteza linearreduzida e uma incerteza de área substancialmente reduzida,em comparação à posição semente.
Outro exemplo dos benefícios da presente invençãoé o de que caso o tempo GPS preciso não esteja disponívelno início da seção, pode-se utilizar a retro-propagaçãopara aproveitar medições anteriores armazenadas após sercaptado o tempo GPS preciso (abaixo de milissegundos). Comoexemplo, a Figura 9 apresenta um caso hipotético em que otempo GPS não é captado até cerca de 20 segundos após oinício da sessão. Dito de outra forma, o primeiro conjuntode medições de alcances GPS pode ser captado e salvo, porémnão usado imediatamente, devido à falta de informações dotempo GPS. Uma vez solucionado o tempo GPS, é estabelecidauma relação entre o tempo do relógio local e o tempo GPS eas medições de GPS previamente salvas podem ser associadasao tempo GPS correto e pode ser usado o processamento deretro-propagação pode ser usado para recuperar os dadosarmazenados previamente para aperfeiçoamento dadeterminação de posição. Dessa forma, a retro-propagaçãopermite ao receptor GPS explorar completamente todas asmedições de satélites GPS válidas, mesmo que o tempo GPSnão seja captado imediatamente, resultando em melhoresrendimento e precisão.
Outro exemplo dos benefícios da presente invençãoé o de que, caso dados de efemérides de satélites precisosnão estejam disponíveis no início da sessão, pode-seutilizar a retro-propagação para aproveitar mediçõesanteriores armazenadas após efemérides precisas seremcaptadas. Uma vez que os dados de efemérides sejam obtidos,a posição do satélite é conhecida e as medições de GPSpreviamente salvas podem ser associadas aos dados deefemérides de satélites corretos e o processamento deretro-propagação pode ser usado para recuperar os dadospreviamente salvos para aperfeiçoamento da determinação deposição. Dessa forma, a retro-propagação permite aoreceptor GPS aproveitar completamente todas as medições desatélites GPS válidas, mesmo que os dados de efemérides tiesatélites não sejam captados imediatamente, resultando emmelhores rendimento e precisão.
Na prática, as informações de posição do filtrode Kalman são providas, na etapa 410, para um ou maisaplicativos que podem estar em execução na unidade móvel.Como exemplo, serviços baseados em posição, tais comometeorologia localizada, podem utilizar estimativas deposição com incerteza próxima a um quilômetro ou mais. Emcontraste, serviços do tipo "190" podem exigir que acerteza das estimativas de posição estejam próximas a 50metros ou menos. Assim sendo, tanto as estimativas deposição e velocidade podem ser providas a aplicativos,juntamente com quaisquer estimativas de incerteza ou erro.Dessa forma, cada aplicativo pode escolher se a estimativade posição do filtro de Kalman é suficiente ou não para assuas exigências.
As técnicas aqui descritas para o broadcast dediferentes tipos de transmissão através do ar podem serimplementadas por vários meios. Como exemplo, tais técnicaspodem ser implementadas em hardware, software, ou umacombinação de tais. Para uma implementação em hardware, asunidades de processamento em uma estação base usadas para obroadcast de diferentes tipos de transmissão podem serimplementadas dentro de um ou mais circuitos integrados deaplicação especifica (ASICs), processadores de sinaisdigitais (DSPs), dispositivos processadores de sinaisdigitais (DSPDs), dispositivos lógicos programáveis (PLDs),arranjos de porta programáveis no campo (FPGAs),processadores, controladores, micro-controladores,
microprocessadores, outras unidades eletrônicas projetadaspara efetuar as funções aqui descritas, ou uma combinaçãode tais. As unidades de processamento em um dispositivo semfio usadas para receber diferentes tipos de transmissãopodem também ser implementadas em um ou mais ASICs, DSPs'eassim por diante.
Para uma implementação em software, as técnicasaqui descritas podem ser implementadas por meio de módulos(por exemplo, procedimentos, funções e assim por diante)que efetuam ás funções aqui descritas. Os códigos desoftware podem ser armazenados em unidades de memória eexecutadas por um processador. A unidade de memória podeser implementada no interior do processador ou externamenteao processador, caso este em que ela pode estarcomunicativamente acoplada com o processador através devários meios como é do conhecimento na técnica.
A descrição anterior é provida para permitir queos técnicos na área façam uso das várias modalidades aquidescritas. As diferentes modificações dessas modalidadesficarão prontamente claras para os versados na técnica e osprincípios genéricos aqui definidos podem ser aplicados aoutras modalidades. Dessa forma, as reivindicações nãodevem ficar limitadas às modalidades aqui descritas,devendo receber o escopo mais amplo consistente com alinguagem das reivindicações, em que a referência a umelemento no singular não significa "um e apenas um" a menosque especificamente declarado, mas sim a "um ou mais".Todos os equivalentes estruturais e funcionais aoselementos das várias modalidades descritas por toda apresente descrição que sejam conhecidos e venham a serposteriormente conhecidos pelos versados na técnica estãoexpressamente incorporados aqui por referência e devem serenglobados pelas reivindicações. Além disso, nada aquidescrito se destina a ser dedicado ao público,independentemente de se tal descrição esteja explicitamenterecitada nas reivindicações. Nenhum elemento dasreivindicações deve ser considerado sob as provisões dosexto parágrafo do 35 U.S.C. § 112, a menos que o elementoseja explicitamente mencionado usando-se a expressão "meiôspara" ou, no caso de uma reivindicação de método, oelemento seja mencionado usando-se a expressão "etapapara".
Claims (40)
1. Um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo:semear um filtro de posicionamento com umaposição aproximada; eatualizar o filtro de posicionamento com umprimeiro conjunto de medições captado durante um primeirotempo de referência" de medição de um primeiro subconjuntode estações de referência, em que o primeiro subconjuntoinclui menos do que três estações de referência diferentes;atualizar o filtro de posicionamento com umsegundo conjunto de medições captado durante um segundotempo de referência de medição de um segundo subconjunto deestações de referência; edeterminar uma estimativa de posição para odispositivo de comunicação móvel com base no filtro deposicionamento atualizado.
2. O método, de acordo com a reivindicação 1,no qual o filtro de posicionamento é um filtro de Kalman.
3. 0 método, de acordo com a reivindicação 1,no qual o segundo subconjunto inclui menos do que trêsestações de referência diferentes.
4. O método, de acordo com a reivindicação 1,no qual o primeiro subconjunto e o segundo subconjuntoincluem menos do que três estações de referênciadiferentes.
5. O método, de acordo com a reivindicação 1,no qual o primeiro subconjunto e o segundo subconjunto nãocompartilham uma estação de referência em comum.
6. O método, de acordo com a reivindicação 1,no qual o primeiro subconjunto e o segundo subconjuntocompartilham pelo menos uma estação de referência em comum.
7. O método, de acordo com a reivindicação 2,compreendendo adicionalmente:receber uma informação de posição inicial dodispositivo de comunicação móvel a partir de uma rede decomunicação celular.
8. o método, de acordo com a reivindicação 7,no qual a rede de comunicação celular inclui uma rede CDMA.
9. o método, de acordo com a reivindicação 7,no qual a informação de posição inicial inclui um valor delocalização e um valor de incerteza.
10. O método, de acordo com a reivindicação 9,compreendendo adicionalmente:popular uma parte de um vetor de estado do filtrode Kalman com pelo menos uma parte do valor de localização.
11. O método, de acordo com a reivindicação 9,compreendendo adicionalmente:popular uma parte de uma matriz de covariância dofiltro de Kalman com pelo menos uma parte do valor deincerteza.
12. 0 método, de acordo com a reivindicação 1,no qual o primeiro conjunto de medições inclui uma mediçãode pseudo-alcance que está relacionada a um Sistema dePosicionamento Global.
13. O método, de acordo com a reivindicação 1,no qual a estimativa de posição inclui um valor delocalização e um valor de incerteza.
14. O método, de acordo com a reivindicação 1,compreendendo adicionalmente:repassar a estimativa de posição para umaplicativo em execução no dispositivo de comunicação móvel.
15. O método, de acordo com a reivindicação 1,compreendendo adicionalmente:continuar a atualizar o filtro de posicionamentocom medições subseqüentes provenientes de qualquer umadentre uma pluralidade de estações de referência.
16. Um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo:semear um filtro de posicionamento com umaposição aproximada;atualizar o filtro de posicionamento com umprimeiro conjunto de medições captado durante um primeirotempo de referência de medição de um primeiro subconjuntode fontes de pseudo-alcances, em que o primeiro subconjuntoinclui menos do que três fontes de pseudo-alcancesdiferentes; atualizar o filtro de posicionamento com umsegundo conjunto de medições captado durante um segundotempo de referência de medição de um segundo subconjunto defontes de pseudo-alcances; edeterminar uma estimativa de posição dodispositivo de comunicação móvel com base no filtro deposicionamento atualizado.
17. O método, de acordo com a reivindicação 16,no qual as fontes de pseudo-alcances consistem de estaçõesbase de rede sem fio terrestre.
18. O método, de acordo com a reivindicação 16,no qual as fontes de pseudo—alcances consistem de umacombinação de estações base de rede sem fio terrestre eestações de referência.
19. O método, de acordo com a reivindicação 16,no qual as fontes de pseudo-alcances consistem de satélitesde um sistema de posicionamento por satélite.
20. Um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo:armazenar um conjunto de medições de pseudo-alcance provenientes de um conjunto de estações dereferência, com marcação de horário do tempo de relógiolocal;posteriormente estabelecer uma relação entre otempo do relógio local e o tempo do sistema de veiculo desatélite;determinar o tempo de sistema do veiculo desatélite do conjunto de medições de pseudo-alcancesarmazenadas; eutilizar o conjunto de medições de pseudo-alcances armazenado e o tempo de sistema do veiculo desatélite de tal conjunto de medições para determinar aposição do dispositivo móvel.
21. Um método para estimar uma posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo:armazenar um conjunto de medições de pseudo-alcances provenientes de um conjunto de estações dereferência;posteriormente determinar as informações deefemérides para o conjunto de estações de referência; eutilizar o conjunto armazenado de medições depseudo-alcances e uma informação de efemérides recentementedeterminada para determinar a posição do dispositivo decomunicação móvel.
22. Um dispositivo de comunicação móvel,compreendendo:um primeiro receptor configurado para recebersinais relacionados a um sistema de posicionamento desatélites;um segundo receptor configurado para recebersinais relacionados a uma rede de comunicação;um processador em comunicação com os primeiro esegundo receptores, o processador sendo configurado para:semear um filtro de posicionamento com umaprimeira medição de pseudo-alcance captada durante umprimeiro tempo de referência de medição de um primeirosubconjunto de estações de referência do sistema deposicionamento por satélite, em que o primeiro subconjuntoinclui menos do que três estações de referência diferentes;atualizar o filtro de posicionamento com umasegunda medição de pseudo-alcance captada durante umsegundo tempo de referência de medição de um segundosubconjunto de estações de referência do sistema deposicionamento por satélite; edeterminar uma estimativa de posição para odispositivo de comunicação móvel com base no filtro deposicionamento atualizado. i.
23. o dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual o filtro de posicionamento é um filtro deKalman.
24. 0 dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual c segundo subconjunto inclui menos de trêsestações de referência diferentes.
25. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual o primeiro subconjunto e o segundo subconjuntoincluem menos de três estações de referência diferentes.
26. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no. qual o primeiro subconjunto e o segundo subconjuntonão compartilham uma estação de referência em comum.
27. o dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual o primeiro subconjunto e o segundo subconjuntocompartilham pelo menos uma estação de referência em' comum.
28. o dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual o primeiro receptor é adicionalmenteconfigurado para receber informações de posição iniciais dodispositivo de comunicação móvel provenientes da rede decomunicação.
29. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-28, no qual a rede de comunicação inclui uma rede CDMA.
30. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-28, no qual as informações de posição iniciais incluem umvalor de localização e um valor de incerteza.
31. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-30, no qual o processador é adicionalmente configuradopara:popular uma parte de uma matriz de covariância dofiltro de posicionamento com pelo menos um dentre o valorde localização e o valor de incerteza.
32. 0 dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual a primeira medição de pseudo-alcance estárelacionada a um Sistema de Posicionamento Global.
33. 0 dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual a estimativa de posição inclui um valor cielocalização e um valor de incerteza.
34. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, compreendendo adicionalmente:um aplicativo executado pelo processador econfigurado para receber a estimativa de posição.
35. O dispositivo, de acordo com a reivindicação-22, no qual o processador é adicionalmente configurado para:continuar a atualizar o filtro de posicionamentocom medições de pseudo-alcance subseqüentes provenientes dequalquer uma dentre uma pluralidade de estações dereferência.
36. Um método para estimar a posição de umdispositivo de comunicação móvel, compreendendo:semear um filtro de posicionamento com umaposição aproximada; eatualizar a primeira medição de pseudo-alcancecaptada durante um primeiro tempo de referência de mediçãode um primeiro subconjunto de estações de referência, emque o primeiro subconjunto inclui menos do que trêsestações de referência diferentes;atualizar o filtro de posicionamento com umasegunda medição de pseudo-alcance captada durante umsegundo tempo de referência de medição de um segundosubconjunto de estações de referência;determinar uma estimativa de posição para odispositivo de comunicação móvel com base no filtro deposicionamento atualizado; eutilizar retro-propagação para determinar tempopara o primeiro subconjunto e o segundo subconjunto.
37. o método, de acordo com a reivindicação 36,no qual o filtro de posicionamento é um filtro de Kalman.
38. Midia legível por computador incorporando umprograma de instruções executáveis por um ou maisprocessadores de um dispositivo de comunicação móvel paraefetuar um método para estimar a posição de um dispositivode comunicação móvel, compreendendo:instruções de programa para semear um filtro deposicionamento com uma posição aproximada;instruções de programa para atualizar o filtro deposicionamento com uma primeira medição de pseudo-alcancecaptada durante um primeiro tempo de referência de mediçãode um primeiro subconjunto de estações de referência, e;mque o primeiro subconjunto inclui menos do que trêsestações de referência diferentes;instruções de programa para atualizar o filtro deposicionamento com uma segunda medição de pseudo-alcancecaptada durante um segundo tempo de referência de mediçãode um segundo subconjunto de estações de referência; einstruções de programa para determinar umaestimativa de posição para o dispositivo de comunicaçãomóvel com base no filtro de posicionamento atualizado.
39. A mídia legível por computador, de acordocom a reivindicação 38, compreendendo adicionalmenteinstruções de programa para utilizar retro-propagação paradeterminar tempo para o primeiro subconjunto e o segundosubconjunto.
40. Um dispositivo de comunicação móvel,compreendendo:primeiros meios receptores configurados parareceber sinais relacionados a um sistema de posicionamentopor satélite;segundos meios receptores configurados parareceber sinais relacionados a uma rede de comunicação;meios processadores em comunicação com osprimeiro e segundo receptores, o processador sendoconfigurado para:semear um filtro de posicionamento com umaposição aproximada;atualizar o filtro de posicionamento com umaprimeira medição de pseudo-alcance captada durante umprimeiro tempo de referência de medição de um primeirosubconjunto de estações de referência do sistema deposicionamento por satélite, em que o primeiro subconjuntoinclui menos do que três estações de referência diferentes;atualizar o filtro de posicionamento com umasegunda medição de pseudo-alcance captada durante umsegundo tempo de referência de medição de um segundosubconjunto de estações de referência do sistema deposicionamento por satélite; edeterminar uma estimativa de posição para odispositivo de comunicação móvel com base no filtro deposicionamento atualizado.
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