ES2305853T3 - Sistema de radar con abertura sintetica y metodo de posicionamiento local. - Google Patents
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Abstract
Un método de determinar la posición de un dispositivo con relación a una marca, incluyendo: transmitir un pulso (110) desde el dispositivo (102), teniendo el pulso una primera polarización circular; recibir una señal de retorno (600) en un período de tiempo, incluyendo la señal de retorno un pulso reflejado de la marca (108), incluyendo la recepción recibir señales que tienen la primera polarización circular; y procesar la señal de retorno con el fin de aislar el pulso reflejado de la señal de retorno (600) recibiendo señales que tienen la misma primera polarización circular y de determinar una distancia del dispositivo a la marca; caracterizado por transmitir el pulso en una primera posición del dispositivo y determinar a partir de la señal de retorno recibida un primer conjunto incluyendo una pluralidad de distancias candidatas, representando cada distancia candidato una posible distancia a la marca; transmitir el pulso en una segunda posición del dispositivo, estando dicha segunda posición a una distancia conocida de la primera posición, y determinar a partir de la señal de retorno recibida un segundo conjunto incluyendo una pluralidad de distancias candidatas; y procesar los conjuntos primero y segundo de distancias candidatas para producir un conjunto reducido de distancias candidatas que son coherentes con una o más posiciones de marca potenciales.
Description
Sistema de radar con abertura sintética y método
de posicionamiento local.
La presente invención se refiere en general a
sistemas de posicionamiento, y más específicamente, a un sistema y
método para determinar la posición de un dispositivo móvil con
relación a un número de marcas pasivas mediante técnicas de medición
de distancia por radiofrecuencia coherentes.
Los sistemas de posicionamiento local son un
habilitador importante en dispositivos móviles que precisan
capacidades de navegación, especialmente en aplicaciones de
vehículos autónomos y herramientas de construcción de precisión.
Los sistemas de posicionamiento global, tales como GPS, proporcionan
solamente información de posición de exactitud media, generalmente
no superior a 10 cm, y requieren una clara visión del cielo hasta
casi el horizonte. Los sistemas de posicionamiento local, con
componentes activos o pasivos distribuidos en un volumen de trabajo,
pueden permitir una localización mucho más exacta (< 1 cm), y
permiten al usuario expandir el sistema según sea necesario para
operar incluso en las geometrías cerradas más complejas.
Los sistemas de posicionamiento local
convencionales incluyen sistemas de medición de distancia acústicos
y por láser. Los sistemas acústicos usan típicamente balizas
transpondoras para medir la distancia dentro de una red de
dispositivos, de los que algunos están fijos formando el sistema de
coordenadas locales. Por desgracia, a causa de las propiedades de
la propagación del sonido a través del aire, los sistemas acústicos
solamente pueden medir distancias a exactitudes de un centímetro o
más, y solamente a distancias relativamente cortas. Los sistemas de
posicionamiento local basados en láseres utilizan mediciones de
ángulo y distancia entre un dispositivo y uno o más objetos
reflectores, tales como prismas, para triangular o trilaterar la
posición del dispositivo. Sin embargo, los sistemas láser emplean
actualmente mecanismos de puntería caros que pueden elevar el costo
del sistema a \textdollar30K o más.
Un sistema de posicionamiento local de costo
relativamente bajo (\leq\textdollar2000) capaz de determinar
posiciones 2D o 3D a exactitudes de unos pocos milímetros
permitiría a un gran conjunto de productos potenciales, en zonas de
aplicación como construcción interior y exterior de precisión,
minería, agricultura de precisión, y corte y tratamiento del campo
de estadios. La presente invención supera las limitaciones de costo
y exactitud de los sistemas de posicionamiento local
convencionales.
US-A-4.104.634
describe reflectores radáricos pasivos, tales como reflectores
diédricos, que reflejan radiación circularmente polarizada sin
cambio en el sentido de rotación del vector. Otros reflectores que
conservan el sentido de polarización circular y usados en sistemas
de navegación se describen en
EP-A-0.325.539 y Michelson D.G. Y
colaboradores: "Use of Circular Polarisation in a Marine Radar
Positioning System" Remote Detecting: Economic Tool for the
Nineties, Vancouver, Julio 10-14, 1989 Proceedings
of the International Geoscience and Remote Sensing Symposium
(IGARSS), Nueva York, IEEE, US, vol. VOL 2 SYMP. 12, 10 Julio 1989
(01-07-1989), páginas
932-935, XP000139219.
La invención proporciona un método de determinar
la posición de un dispositivo relativo a una marca como se expone en
la reivindicación 1, y un sistema de posicionamiento como se expone
en la reivindicación 15.
El sistema y método de la presente invención
proporciona un sistema de posicionamiento local de bajo costo, pero
altamente exacto. Se utilizan pulsos electromagnéticos para
determinar distancias y, opcionalmente, ángulos entre un
dispositivo y un número de marcas isotrópicas pasivas. La velocidad
de propagación de los pulsos electromagnéticos no varía tan
fuertemente con las condiciones medioambientales como la de las
señales acústicas, proporcionando excelente exactitud en la
determinación de la distancia. Las anchuras espaciales del haz de
las antenas usadas para transmitir pulsos electromagnéticos son
sustancialmente mayores que las de los láseres, eliminando la
necesidad para costosos mecanismos de puntería. Las marcas usadas
son pasivas, y por lo tanto no requieren el gasto de componentes
activos ni el gasto de mantenimiento (por ejemplo, sustitución de
baterías).
En una realización, el sistema de
posicionamiento incluye un número de marcas en posiciones fijas y un
dispositivo cuya posición se ha de determinar. El dispositivo está
configurado para transmitir un pulso electromagnético que tiene una
primera polarización circular. El dispositivo está configurado
además para recibir una señal de retorno en un período de tiempo y
para procesar la señal de retorno con el fin de aislar un pulso
reflejado contenido en la señal de retorno. El dispositivo está
configurado además, en base a un tiempo de vuelo del pulso
reflejado, para determinar una distancia del dispositivo al
reflector. Cada marca incluye un primer reflector pasivo para
reflejar pulsos electromagnéticos, un segundo reflector pasivo, y
una estructura estática configurada para colocar estáticamente el
segundo reflector pasivo en un ángulo de aproximadamente 90º con
relación al primer reflector pasivo.
El método para posicionamiento local, según una
realización, incluye transmitir un pulso que tiene una primera
polarización circular desde un dispositivo, recibir una señal de
retorno incluyendo un pulso reflejado de una marca, y procesar la
señal de retorno con el fin de aislar el pulso reflejado de la señal
de retorno y determinar una distancia del dispositivo a la marca.
La recepción incluye preferentemente recibir señales que tienen la
primera polarización circular.
En algunas realizaciones, el método incluye
además mover el dispositivo en una dirección particular, a una
velocidad, realizando al mismo tiempo el paso de recepción, detectar
un desplazamiento Doppler en la porción de pulso reflejada de la
señal de retorno, y determinar un ángulo entre la dirección
particular y una línea recta entre el dispositivo y la marca.
Objetos y características adicionales de la
invención serán más fácilmente evidentes por la descripción
detallada siguiente y las reivindicaciones anexas tomadas en unión
con los dibujos.
La figura 1A es un diagrama que ilustra el
sistema de posicionamiento, incluyendo un dispositivo, un número de
marcas y una variedad de objetos parásitos. El dispositivo transmite
un pulso y recibe una señal de retorno incluyendo un pulso reflejado
de una marca.
La figura 1B ilustra la reflexión de un pulso
electromagnético por una marca en el sistema de posicionamiento. El
pulso experimenta dos reflexiones antes de ser recibido por el
dispositivo. Como resultado, un pulso transmitido del dispositivo
que tiene una primera polarización circular tendrá la misma primera
polarización circular cuando sea recibido por el dispositivo.
La figura 2A ilustra el dispositivo moviéndose a
una velocidad particular, de modo que la porción de pulso reflejada
de la señal de retorno contenga un desplazamiento Doppler.
La figura 2B ilustra el dispositivo moviéndose
en una primera dirección, con una velocidad particular, y recibiendo
una primera señal de retorno. El dispositivo se mueve entonces una
distancia en una segunda dirección. Más tarde, el dispositivo se
mueve de nuevo en la primera dirección, con la velocidad particular,
y recibe una segunda señal de retorno.
La figura 3 ilustra las celdas de resolución en
distancia y distancia-ángulo usados para aislar pulsos reflejados de
la señal de retorno.
La figura 4 ilustra una marca para uso en el
sistema de posicionamiento, incluyendo una primera superficie
reflectora pasiva, una segunda superficie reflectora pasiva, y una
estructura para colocar la segunda superficie en un ángulo con
relación a la primera superficie.
La figura 5 es un diagrama de bloques, que
ilustra los componentes de un dispositivo típico para uso en el
sistema de posicionamiento.
La figura 6 ilustra una primera señal de retorno
recibida después de transmitir un primer pulso, una segunda señal de
retorno recibida después de transmitir un segundo pulso, y una señal
de retorno procesada que permite seleccionar un conjunto de
distancias candidatas reducido.
La figura 7A es una ilustración de una
configuración de radiación de antena de transmisión que tiene un
nulo sobre un primer rango respectivo de ángulos, una marca, un
pulso transmitido, y un pulso reflejado.
La figura 7B es una ilustración de una
configuración de radiación de antena de transmisión que tiene un
nulo sobre un segundo rango respectivo de ángulos, una marca, un
pulso transmitido, y un pulso reflejado.
La figura 7C es una ilustración de la intensidad
de señal de retorno en una celda de resolución en distancia para una
pluralidad de pulsos transmitidos, habiéndose transmitido cada pulso
transmitido con una configuración de radiación de antena de
transmisión que tiene un nulo sobre un rango de ángulos diferente
respectivo.
La figura 8A es una ilustración de una
configuración de radiación de antena de transmisión que tiene un
nulo sobre un primer rango respectivo de ángulos, un objeto parásito
en forma de pared, un primer pulso transmitido, un primer pulso
reflejado, un segundo pulso transmitido, y un segundo pulso
reflejado.
La figura 8B es una ilustración de la intensidad
de señal de retorno en una celda de resolución en distancia para una
pluralidad de pulsos transmitidos, habiéndose transmitido cada pulso
transmitido con una configuración de radiación de antena de
transmisión que tiene un nulo sobre un rango de ángulos diferente
respectivo.
Números de referencia análogos se refieren a
partes correspondientes en las distintas vistas de los dibujos.
\newpage
Con referencia a la figura 1, un sistema de
posicionamiento local 100 incluye un dispositivo 102 y un número de
marcas 108 cuya posición es fija. Las marcas 108 pueden estar
colocadas en posiciones supervisadas. Alternativamente, las marcas
pueden estar colocadas en posiciones arbitrarias que se determinan
automáticamente durante un procedimiento de autocalibración inicial
del sistema. En cualquier caso, la posición del dispositivo 102 se
determina con relación a la posición de las marcas determinando un
conjunto de distancias, refiriéndose cada distancia a una distancia
entre el dispositivo y una marca. El dispositivo 102 está
configurado para transmitir un pulso electromagnético 110. En una
realización preferida el pulso electromagnético es de 1 nanosegundo
(ns) de duración, y tiene una frecuencia portadora de 6
gigahertzios (GHz). Otras realizaciones pueden emplear pares de
duración de pulso y frecuencia portadora de 1 ns y 24 GHz, 5 ns y 6
GHz, y 1 ns y 77 GHz. La mayor exactitud de estimación de distancia
que se puede obtener de duraciones más cortas de los pulsos y
frecuencias portadoras más altas se logra a costa del mayor costo y
complejidad de la circuitería asociada en algunas realizaciones. El
pulso electromagnético 110 es transmitido en un número de
direcciones 112. El dispositivo 102 está configurado además para
recibir una señal de retorno, incluyendo la señal de retorno un
pulso reflejado de cada marca 108. La señal de retorno consta de
contribuciones de un número de direcciones de recepción 114. Algunas
direcciones de recepción incluyen pulsos reflejados de objetos
"parásitos" distintos de las marcas que reflejan pulsos
electromagnéticos. Por ejemplo, el follaje 104, cuando sea iluminado
por un pulso electromagnético transmitido a lo largo de la
dirección 112-2, reflejará un pulso electromagnético
a lo largo de la dirección 114-2. Igualmente, el
edificio 106, cuando sea iluminado por un pulso electromagnético
transmitido a lo largo de la dirección 112-3,
reflejará un pulso electromagnético a lo largo de la
dirección 114-3.
dirección 114-3.
Para determinar las respectivas distancias entre
el dispositivo y cada marca, el dispositivo 102 aísla pulsos
reflejados de marcas de la señal de retorno, que también incluye
pulsos reflejados del parásito. Para facilitar el aislamiento de
pulsos reflejados de las marcas, el dispositivo 102 transmite un
pulso electromagnético que tiene una primera polarización circular.
La polarización puede ser polarización circular derecha (RHCP) o
polarización circular izquierda (LHCP) como apreciarán los expertos
en la técnica de transmisión de señales electromagnéticas. El
parásito, por ejemplo el follaje 104, reflejará un pulso
electromagnético que tiene una polarización circular primariamente
opuesta a lo largo de direcciones de recepción 114. Por ejemplo, si
el dispositivo 102 transmite un pulso electromagnético RHCP a lo
largo de la dirección 112-3, el edificio 106
reflejará un pulso electromagnético primariamente LHCP a lo largo de
la dirección 114-3. Por otra parte, las marcas 108
están configuradas para reflejar pasivamente pulsos que tienen la
misma polarización circular que la del pulso incidente. Así, un
dispositivo aísla los pulsos reflejados de las marcas, en parte,
recibiendo preferentemente pulsos que tienen la misma polarización
que los pulsos electromagnéticos transmitidos. Las marcas activas
accionadas podrían ser usadas para producir pulsos reflejados que
tienen la misma polarización que el pulso transmitido por el
dispositivo. Una desventaja de este acercamiento es que en algunas
aplicaciones, solamente se puede suministrar potencia a las marcas
a través de baterías, aumentando el mantenimiento necesario del
sistema de posicionamiento.
Para superar estas dificultades, algunas
realizaciones de la presente invención incluyen marcas pasivas 108
que, cuando son iluminadas con un pulso electromagnético que tiene
una polarización circular, reflejan un pulso que tiene la misma
polarización circular. Con referencia a la figura 1B, el dispositivo
102 transmite un pulso electromagnético que tiene una primera
polarización circular a lo largo de la dirección
112-1. La marca 108-1 genera un
primer pulso reflejado que tiene una polarización circular opuesta
que avanza a lo largo de recorrido 116. La marca
108-1 genera posteriormente un segundo pulso
reflejado que tiene la polarización circular original a lo largo de
la dirección de recepción 114-1, recibiéndose en
último término en el dispositivo 102. En contraposición, un pulso
transmitido por el dispositivo 102 a lo largo de la dirección
112-2 que tiene una polarización circular es
reflejado por el follaje 104. El pulso reflejado tiene una
polarización circular primariamente opuesta y avanza a lo largo de
la dirección de recepción 114-2, recibiéndose en
último término en el dispositivo 102. Así, recibiendo
preferentemente pulsos que tienen la misma polarización que los
pulsos electromagnéticos transmitidos, un dispositivo puede aislar
los pulsos reflejados de las marcas. Otros detalles acerca de
dispositivos que reciben preferentemente pulsos que tienen la misma
polarización que los pulsos que transmiten, se exponen más adelante
en unión con la explicación de la figura 5. Otros detalles acerca
de realizaciones de marcas que reflejan pulsos que tienen la misma
polarización que el pulso incidente se exponen a continuación, en
unión con la explicación de la figura 4.
Una vez que el pulso reflejado de una marca es
aislado de la señal de retorno recibida por el dispositivo, se
determina una distancia entre el dispositivo y la marca. Suponiendo
el recorrido de los pulsos en líneas rectas y que no hay
propagación de trayectos múltiples, un pulso transmitido por el
dispositivo 102 y reflejado por un objeto alguna distancia r lejos
del dispositivo llegará al dispositivo 102 con el tiempo de llegada
(ToA)
(Ecuación 1)ToA
=
2\frac{r}{c}
donde c es la velocidad de
propagación de las señales electromagnéticas. Es sabido que la
velocidad de propagación de las señales electromagnéticas, c, es
aproximadamente 3,0^{*}10^{8} m/s en vacío. En condiciones
atmosféricas típicas, la velocidad de propagación de las señales
electromagnéticas se desvía de este valor menos de 300 ppm (partes
por millón). Empleando información acerca de la altitud y otros
factores medioambientales, la velocidad de propagación de señales
electromagnéticas en el entorno del sistema de posicionamiento puede
ser determinada dentro de 100 ppm. Así, la determinación del tiempo
de llegada del pulso puede ser usada para estimar exactamente la
distancia entre el dispositivo y la
marca.
Aunque en la figura 1A hay solamente dos marcas,
en otras realizaciones puede haber más o menos dispositivos. En
algunas realizaciones, el número de marcas usado será adecuado para
realizar una determinación no ambigua de la posición del
dispositivo con relación a marcas cuya posición ha sido supervisada.
Por ejemplo, si las posiciones de tres marcas son conocidas (por
ejemplo, supervisándolas con anterioridad), estas tres marcas no
son colineales, y el dispositivo y las marcas están situados
sustancialmente dentro de un plano bidimensional, es posible
determinar la posición del dispositivo de forma no ambigua a partir
del conocimiento de las distancias del dispositivo a cada una de
las marcas. Para el caso especial donde se sabe a priori que
la posición del dispositivo móvil se limita a un solo semiplano
definido por dos marcas, las distancias a estas dos marcas son
suficientes para determinar sin ambigüedad la posición del
dispositivo móvil. Los algoritmos para la determinación de posición
en base a uno o más distancias son conocidos por los expertos en la
técnica. Véase, por ejemplo "Quadratic time algorithm for the
minmax length triangulation", H. Edelsbruneer y T. S. Tan, pp.
414-423 en Proceedings of the 32nd Annual Symposium
on Foundations of Computer Science, 1991, San Juan, Puerto Rico,
incorporado con ello por referencia en su totalidad. En otras
realizaciones, el dispositivo y las marcas pueden no estar
colocados todos en el mismo plano bidimensional. En estas
realizaciones, la posición de al menos cuatro marcas no coplanares
debe ser conocida para permitir una determinación no ambigua de la
posición del dispositivo a partir del conocimiento de las
distancias entre el dispositivo y cada una de las marcas. Como
antes, las restricciones a priori en la posible posición del
dispositivo móvil permiten, en algunas realizaciones, un
posicionamiento no ambiguo solamente con tres marcas.
Además de determinar una distancia desde el
dispositivo a una marca, en algunas realizaciones el dispositivo se
mueve a una velocidad v en una dirección particular, transmite un
pulso, recibe una señal de retorno en un período de tiempo, y
determina un ángulo entre la dirección de movimiento del dispositivo
y la línea entre el dispositivo y una marca. Con referencia a la
figura 2A, el dispositivo 102 se mueve a una velocidad v en la
dirección 202 mientras que transmite un pulso y recibe una señal de
retorno. La dirección 202 y la línea 206 entre el dispositivo 102 y
la marca 108 forman un ángulo 204. El pulso reflejado de la marca y
recibido por el dispositivo serán desplazados en frecuencia Doppler,
según
(Ecuación 2)f =
f_{c} \left(1 +
\frac{\nu}{c}cos(\theta)\right)
donde f es la frecuencia portadora,
f es la frecuencia del pulso recibido por el dispositivo, c es la
velocidad de propagación de señales electromagnéticas en la
atmósfera que llena el espacio entre el dispositivo 102 y la marca
108-1, y \theta es el ángulo 204. Así, a partir de
la frecuencia del pulso recibido, el dispositivo puede determinar
un ángulo \theta. Para una frecuencia dada del pulso recibido f,
sin embargo, hay al menos dos ángulos que cumplen la ecuación 2.
Esto es así porque, para cualquier ángulo \theta_{0} que
resuelve la ecuación 2, el ángulo -\theta_{0} también resuelve
la ecuación 2. En la figura 2A, estos dos ángulos corresponden al
ángulo 204 entre la dirección 202 y la línea 206 entre el
dispositivo y la marca, y el ángulo entre la dirección 202 y la
línea 208. Así, a partir de una sola medición del desplazamiento
Doppler de una señal de retorno, no es posible distinguir un pulso
reflejado por la marca 108-1 de un pulso reflejado
por la posición de la marca de transparencia 210. Para quitar esta
ambigüedad al determinar el ángulo entre el dispositivo y una
marca, el dispositivo 102, en algunas realizaciones, transmite
pulsos que tienen potencia sustancialmente diferente de cero
solamente en el hemisferio 214, la porción del entorno a la derecha
de la línea 212 en la figura 2A. Más generalmente, el hemisferio
214 puede ser definido por cualquier plano perpendicular a un plano
en el que están todas las marcas y el dispositivo y conteniendo la
dirección 202. En otras realizaciones, el dispositivo 102 transmite
alternativamente pulsos a un primer hemisferio y a un segundo
hemisferio sin solapamiento, lo que permite la determinación no
ambigua del ángulo entre el dispositivo y una marca. En otras
realizaciones, el dispositivo 102 puede transmitir un pulso
electromagnético en todas las direcciones, pero recibir
preferentemente alternativamente pulsos reflejados que tienen
direcciones de recepción en un primer hemisferio y pulsos
reflejados recibidos de direcciones en un segundo hemisferio sin
solapamiento, que permite la determinación no ambigua del ángulo
entre el dispositivo y una
marca.
En otras realizaciones, como se ilustra en la
figura 2B, el dispositivo 102 transmite un primer pulso y recibe
una primera señal de retorno mientras se mueve en la dirección 202,
se desplaza cierta distancia en una dirección ortogonal 216, y
transmite un segundo pulso y recibe una segunda señal de retorno
mientras se mueve en la dirección 220. Como ilustra la figura 2B,
aunque la magnitud del ángulo 204 entre la dirección 202 y la línea
entre el dispositivo y la marca sea la misma que la del ángulo 218
entre la dirección 202 y la línea 208 entre el dispositivo 202 y la
posición de la marca de transparencia 210, el ángulo 222 relacionado
con la marca 108-1 y el dispositivo en su segunda
posición es diferente del ángulo 224 relacionado con la posición de
la marca de transparencia 210 y el dispositivo en su segunda
posición. Así, es posible que el dispositivo determine de forma
única el ángulo entre la dirección 202 y la línea entre el
dispositivo y la marca analizando las señales de retorno primera y
segunda conjuntamente.
Un aspecto de la presente invención es la
capacidad de aislar un pulso reflejado de una señal de retorno
recibida en un período de tiempo. Con referencia a la figura 3, el
dispositivo 102 transmite un pulso electromagnético y recibe una
señal de retorno en un período de tiempo. Para aislar el pulso
reflejado de la señal de retorno, el dispositivo 102 separa la
señal de retorno en un número de celdas de resolución en distancia
basado en el tiempo de llegada de la señal de retorno. Con
referencia de nuevo a la figura 3, las porciones de la señal de
retorno que llega al dispositivo después del tiempo t_{1} =
2^{r}1/c y antes del tiempo t_{2} = 2^{r}2/c se determina que
han sido reflejadas por objetos en la celda de resolución en
distancia 306-1. La celda de resolución en
distancia 306-1 incluye todos los objetos situados a
distancias superiores a r_{1} y menores que r_{2} desde el
dispositivo 102. Así, extrayendo la porción de la señal de retorno
que llega entre los tiempos t_{1} y t_{2}, el dispositivo 102
puede aislar un pulso reflejado de un objeto reflector residente en
la celda de resolución en distancia 306-1. Este
proceso puede ser repetido, con diferentes rangos de tiempos de
llegada, para aislar pulsos reflejados de objetos residentes en
otras celdas de resolución en distancia. Por ejemplo, porciones de
la señal de retorno que llegan al dispositivo después del tiempo
t_{3} = 2^{r}3/c y antes del tiempo t_{4} = 2^{r}4/c se
determina que han sido reflejadas por objetos en la celda de
resolución en distancia 306-2. La celda de
resolución en distancia 306-2 incluye todos los
objetos situados a distancias superiores a r_{3} y menores de
r_{4} del dispositivo 102. Así, extrayendo la porción de la señal
de retorno que llega entre los tiempos t_{3} y t_{4}, el
dispositivo 102 puede aislar un pulso reflejado si solamente un
objeto reflector reside en la celda de resolución en distancia
306-2.
En algunos casos, más de un objeto reflector
puede residir en una celda de resolución en distancia particular
306. Esto puede ser especialmente molesto, por ejemplo, cuando más
de una marca reside en una celda de resolución en distancia
particular. En algunas realizaciones de la presente invención, este
problema se supera determinando un tiempo de llegada y un
desplazamiento Doppler de la señal de retorno recibida por el
dispositivo. En la explicación anterior de las figuras
2A-B se explicaron métodos de determinar un ángulo
entre una dirección en la que el dispositivo se está moviendo y una
línea entre el dispositivo y un objeto reflector. Obsérvese que la
determinación del ángulo a partir de los cambios de distancia con el
tiempo es equivalente a una medición del desplazamiento Doppler,
cuando la distancia se expresa en términos de longitudes de onda
portadora. Con referencia a la figura 3, el dispositivo 102 en
algunas realizaciones se mueve en una dirección a lo largo de la
línea 308 mientras que transmite un pulso y recibe la respectiva
señal de retorno. En este caso, habrá alguna banda de
desplazamiento de Doppler asociada con ángulos de llegada entre 0º y
el ángulo formado por la línea 308 y la línea 310. Filtrando
porciones de la señal de retorno que tiene desplazamientos Doppler
fuera de esta banda, el dispositivo 102 puede aislar también pulsos
reflejados que proceden solamente de objetos residentes en la celda
de resolución en distancia-ángulo 312-1 de la señal
de retorno asociada con la celda de resolución en distancia
306-1. Igualmente, habrá una segunda banda de
frecuencias asociado con ángulos de llegada entre el ángulo formado
por línea 308 y línea 320 y el ángulo entre línea 308 y línea 322.
Filtrando porciones de la señal de retorno que tiene frecuencias
que tienen desplazamientos Doppler fuera de esta banda, el
dispositivo 102 puede aislar también pulsos reflejados que proceden
solamente de objetos residentes en la celda de resolución en
distancia-ángulo 312-2 de la señal de retorno
asociada con la celda de resolución en distancia
306-2.
Aplicando esta técnica a un número de celdas de
resolución en distancia-ángulo, se puede determinar la potencia de
la señal de retorno como una función de distancia y ángulo. En
algunas realizaciones, la sección equivalente de radar de las
marcas es conocida por medición o por predicción teórica.
Conjuntamente con el conocimiento de cuánta potencia se transmite
en un pulso, un dispositivo puede calcular entonces la potencia
esperada de la señal de retorno a partir de un pulso reflejado por
una marca. Posteriormente, cada celda de resolución en
distancia-ángulo puede ser inspeccionado y determinar si contiene
una marca o no. La potencia de retorno radárica esperada de objetos
distintos de marcas será mucho menor que la de las marcas
propiamente dichas, puesto que los pulsos reflejados de estos
objetos tendrán generalmente una polarización circular diferente de
la polarización circular del pulso transmitido, y son filtrados por
el dispositivo a la recepción preferente de señales que tienen la
misma polarización circular que el pulso transmitido.
Las marcas para uso en un sistema de
posicionamiento según la presente invención generan pulsos
reflejados que tienen la misma polarización circular que un pulso
incidente sobre ellas. Adicionalmente, es deseable que la marca
tenga una sección equivalente de radar sustancialmente isotrópica,
al menos en un plano conteniendo las marcas y el dispositivo. En
algunas realizaciones, el dispositivo determina si una celda de
resolución en distancia-ángulo dado contiene una marca comparando
la potencia de la señal de retorno de la celda de resolución en
distancia-ángulo con la potencia esperada del pulso reflejado de una
marca. La potencia del pulso reflejado depende de la sección
equivalente de radar de la marca. Así, si el dispositivo no conoce
la orientación de la marca con relación a la línea entre el
dispositivo y la marca, solamente será posible calcular la sección
equivalente de radar esperada de la marca si la sección equivalente
de radar es la misma para todas las orientaciones posibles de la
marca. Así, en algunas realizaciones, la marca tiene una sección
equivalente de radar sustancialmente isotrópica, variando la
sección transversal menos de 6 dB en todos los ángulos de acimut en
un plano conteniendo las marcas y el dispositivo.
Con referencia a la figura 4, una marca 400
según la presente invención incluye:
- *
- Un primer reflector pasivo 402 para reflejar pulsos electromagnéticos;
- *
- Un segundo reflector pasivo 404 para reflejar pulsos electromagnéticos; y
- *
- Una estructura estática 406 configurada para poner estáticamente el segundo reflector pasivo en un ángulo 408 con relación al primer reflector pasivo.
Los ejemplos de materiales que se puede emplear
para fabricar reflectores pasivos 402 y 404 que reflejan pulsos
electromagnéticos incluyen, aunque sin limitación, conductores tales
como aluminio, cobre y otros metales. La forma de los reflectores
pasivos en algunas realizaciones es diferente de la de los
ilustrados en la figura 4, por ejemplo con esquinas redondeadas que
sería menos probable que lacerasen a una persona, o diseñados para
encajar más fácilmente en un depósito protector, tal como una esfera
de plástico.
Un pulso electromagnético que tiene una primera
polarización circular (RHCP o LHCP) incidente sobre el primer
reflector pasivo 402 será reflejado con una segunda polarización
circular (LHCP o RHCP, respectivamente). Entonces, el pulso
reflejado por el primer reflector pasivo 402 será reflejado por el
segundo reflector pasivo 404 con la primera polarización circular
(RHCP o LHCP, respectivamente). Para que el pulso reflejado por el
segundo reflector pasivo 404 avance en la dirección opuesta a la del
pulso original incidente, que llega en último término al
dispositivo que transmitió el pulso original, el ángulo 408 es de
aproximadamente 90º. Debido a tolerancias de fabricación y
perturbaciones mecánicas una vez desplegado como una marca, puede no
ser posible que el ángulo 408 sea exactamente de 90º. Además, dado
que los reflectores son de longitud finita y solamente pueden tener
una longitud de unas pocas longitudes de onda portadora, la
configuración de rerradiación, en realizaciones preferidas, será
fuerte en varios grados. En algunas realizaciones, el dispositivo
transmitirá pulsos en más de una dirección y será sensible a
señales de retorno de más de una dirección, de modo que el ángulo
408 puede incluir 90º \pm 3º. En otras realizaciones, los ángulos
útiles 408 pueden incluir 90º \pm 10º.
Un pulso electromagnético circularmente
polarizado que es incidente en el borde de primer reflector pasivo
402 o el segundo reflector pasivo 404 será reflejado solamente una
vez por el segundo o el primer reflector pasivo respectivamente, y
por lo tanto será reflejado con una polarización circular diferente
de aquella con la que era incidente. En este caso, el dispositivo
no sería capaz de aislar pulsos reflejados por una marca de pulsos
reflejados por otros objetos en el entorno. Para remediar este
problema, en algunas realizaciones, la marca 400 incluye además un
tercer reflector pasivo 410 y un cuarto reflector pasivo 412. La
estructura estática 406 se configura además para poner
estáticamente el reflector 410 en un ángulo de aproximadamente 90º
con relación al reflector 412. La estructura estática 406 está
configurada además para poner estáticamente el reflector 410 en un
ángulo diferente de cero con relación al reflector 402. El ángulo
entre reflectores 410 y 402 puede ser de aproximadamente 45º, y es
preferiblemente de entre 30º y 60º, aunque se puede usar un ángulo
de entre 1º y 89º. Los reflectores 402 y 404 forman un primer par
diédrico. Igualmente, los reflectores 410 y 412 forman un segundo
par diédrico. Poniendo el reflector 410 en un ángulo diferente de
cero con relación al reflector 402, cuando un pulso
electromagnético circularmente polarizado sea incidente en el borde
de uno de los reflectores en el primer par diédrico, el pulso no
será incidente en los bordes de los reflectores en el segundo par
diédrico. Igualmente, un pulso incidente en el borde de uno de los
reflectores en el segundo par diédrico no será incidente en los
bordes de los reflectores en el primer par diédrico. Así, cualquier
pulso circularmente polarizado incidente en la marca 400 generará al
menos un pulso reflejado que tiene la misma polarización circular.
En otras realizaciones, la marca 400 puede incluir reflectores
trihédricos, también conocidos como reflectores de "cubo de
esquina". En otras realizaciones, la marca 400 puede incluir una
lente Lunenburg.
Con referencia a la figura 5, un dispositivo 102
según la presente invención incluye:
- *
- Un mecanismo de locomoción de vehículo 524 para mover el dispositivo en una dirección particular, a una velocidad;
- *
- Un circuito de interface electromecánico 522;
- *
- Una antena 526 para transmitir pulsos electromagnéticos y recibir una señal de retorno;
- *
- Un transceptor RF 504;
- *
- Un convertidor digital a analógico (D/A) y analógico a digital (ND) 510;
- *
- Un procesador 512; y
- *
- Almacenamiento secundario y primario 514, incluyendo además el almacenamiento:
- -
- un sistema operativo 516;
- -
- datos de mapa 518; y
- -
- al menos un módulo de programa 520, ejecutado por el procesador 512.
En algunas realizaciones, el módulo de
programación 520 incluye instrucciones para transmitir un pulso en
una primera posición del dispositivo y en un tiempo conocido con
relación al receptor y muestreador de pulso, mientras el
dispositivo está estacionario. Según estas instrucciones, el
procesador 512 envía una señal al convertidor D/A 510, generando un
pulso que es modulado por el transceptor RF 504 a una frecuencia
portadora. El pulso modulado es transmitido posteriormente por la
antena 526. La antena 526 está configurada para transmitir un pulso
electromagnético que tiene una polarización circular particular. En
algunas realizaciones, la antena 526 irradia isotrópicamente en un
plano conteniendo las marcas y el dispositivo. Un ejemplo de una
antena que irradia sustancialmente isotrópicamente en un plano y
transmite pulsos electromagnéticos que tienen una polarización
circular particular es la antena formada por dos antenas en espiral
alojadas en cavidad, colocadas espalda con espalda. Véase, por
ejemplo "A new wideband cavity-backed spiral
antenna", Afsar y colaboradores, que se incorpora por ello por
referencia en su totalidad. En algunas realizaciones, la antena 526
es una antena de bocina direccional con un accionador azimutal
mecánico. En otras realizaciones, la antena 526 incluye una
configuración de haz conmutado usando, por ejemplo, una lente
Rothman. En otras realizaciones, la antena 526 incluye redes en fase
dirigibles electrónicamente.
Además de las instrucciones para transmitir un
pulso electromagnético, el módulo de programa 520 incluye
instrucciones para recibir una señal de retorno en un período de
tiempo. La antena 526 recibe una señal de retorno, que puede
incluir uno o más pulsos reflejados. La señal se pasa al transceptor
RF 504, donde es convertida con conversión descendente a la banda
base con relación a la frecuencia portadora. En algunas
realizaciones, el transceptor RF 504 emplea conversión descendente
de preservación de fase en cuadratura a banda base. El componente
en fase de la conversión descendente, el componente de cuadratura, o
ambos se pasan entonces al convertidor A/D 510, donde son
muestreados y procesados por el procesador 512. En algunas
realizaciones, el procesador 512 es un microprocesador u otra
unidad central de proceso. En otras realizaciones, es un circuito
integrado específico de aplicación (ASIC). El procesador 512
procesa la señal de retorno con el fin de aislar el pulso reflejado
de la señal de retorno y para determinar una distancia del
dispositivo a la marca. En algunas realizaciones, esto se realiza
almacenando la señal de retorno en un período de tiempo en el
almacenamiento primario y secundario, separando porciones de la
señal recibida en un número de celdas de resolución en distancia, y
examinando en cada celda la presencia de una marca (como se ha
explicado en unión con la explicación de la figura 3 anterior). Las
celdas que se determina que contienen una marca son asignadas
entonces a un primer conjunto de distancias candidatas. En otras
realizaciones, esto se realiza almacenando la señal de retorno en un
período de tiempo en almacenamiento primario y secundario,
detectando desplazamientos Doppler en la señal de retorno reflejado,
separando porciones de la señal recibida a un número de celdas de
resolución en distancia-ángulo, y examinando en cada celda la
presencia de una marca. Las celdas que se determina que contienen
una marca son asignadas entonces a un conjunto de distancias-ángulos
candidatos.
En algunas realizaciones, el módulo de programa
520 incluye instrucciones para mover el dispositivo 102 a una
segunda posición. La segunda posición puede estar a una distancia de
separación predefinida de la primera posición. La unidad central de
proceso 512 ejecuta esta instrucción enviando señales a la interface
522, que a su vez activa el mecanismo de locomoción de vehículo
524. En algunas realizaciones, el mecanismo 524 incluye un motor
eléctrico, cuya velocidad es controlada por el nivel de un voltaje
CC proporcionado por la interface 522. En otras realizaciones, el
mecanismo 524 envía una posición determinada por el módulo 520 al
ordenador de otro vehículo (no ilustrado). El ordenador del otro
vehículo toma entonces decisiones, basadas en parte en la
determinación de posición, acerca del movimiento del vehículo. Por
ejemplo, en algunas realizaciones, el ordenador de otro vehículo
combina información de varios sistemas de posicionamiento,
incluyendo un sistema de posicionamiento global (GPS). El módulo de
programa 520 incluye más instrucciones para transmitir el pulso en
la segunda posición del dispositivo y determinar a partir de la
señal de retorno recibida un segundo conjunto de distancias
candidatas. Finalmente, el módulo de programa 520 incluye
instrucciones para procesar los conjuntos primero y segundo de
distancias candidatas para producir un conjunto de distancias
candidatas reducido que son coherentes con una o más posiciones de
marca potenciales. En una realización, el módulo de programa 520
incluye instrucciones para realizar estos pasos en posiciones
adicionales. Las posiciones adicionales (es decir, ubicaciones)
pueden estar separadas de una posición anterior respectiva una
distancia de separación predefinida.
Para relacionar un desplazamiento Doppler en la
señal de retorno con una dirección angular, hay que conocer la
velocidad del dispositivo, o al menos la magnitud de la velocidad
del dispositivo. En algunas realizaciones, el mecanismo de
locomoción de vehículo 524 incluye un sensor optoelectrónico que
alimenta información de frecuencia mediante la interface 522 al
procesador 512. Juntamente con información acerca del mecanismo de
locomoción del vehículo 524, el procesador 512 convierte esta
información en una estimación de la velocidad de dispositivo 102.
En otras realizaciones, la señal de retorno del parásito proporciona
un método para medir la velocidad de la plataforma. Con parásito
suficiente, el espectro de potencia de la señal de retorno tendrá
una anchura de banda igual a dos veces el desplazamiento Doppler
máximo. El desplazamiento Doppler máximo es numéricamente igual a
la velocidad de la plataforma dividida por la longitud de onda
portadora., en algunas circunstancias, este tipo de medición de
velocidad del vehículo será más exacta que las que se puede obtener
del sistema de propulsión del vehículo. En otras realizaciones, la
información sobre el rumbo diferencial y absoluto también se puede
obtener de los desplazamientos Doppler en la señal de retorno.
Cuando se hace un pequeño cambio en la dirección de la velocidad
del dispositivo, los pulsos reflejados del parásito y de las marcas
se desplazarán en ángulo de llegada. Así, se puede usar
correlaciones cruzadas en ángulo en el tiempo para estimar cambios
de dirección integrados.
Para detectar un desplazamiento Doppler en la
señal de retorno, en algunas realizaciones el procesador 512 emplea
una transformada de Fourier rápida (FFT). Esta técnica es muy exacta
cuando el dispositivo se mueve con una velocidad constante, en una
dirección constante, mientras recibe la señal de retorno. Si el
dispositivo experimenta aceleraciones mientras recibe la señal de
retorno, se puede usar una FFT precorregida para una determinación
más exacta de los desplazamientos Doppler en la señal de retorno.
Los coeficientes de tal FFT precorregida se determinan, en algunas
realizaciones, a partir de sensores inerciales de la velocidad y
dirección del dispositivo.
La figura 6 ilustra un número de celdas de
resolución en distancia 601, una primera señal de retorno recibida
600-1, una segunda señal de retorno recibida
600-2, y una señal de retorno procesada
600-3. El dispositivo (102 en la figura 1A) del
sistema de posicionamiento transmite un primer pulso
electromagnético y recibe la primera señal de retorno
600-1 en un período de tiempo. La primera señal de
retorno 600-1 contiene un número de pulsos
reflejados, algunos pulsos que han sido reflejados por marcas y
otros pulsos que han sido reflejados por objetos parásitos, y ruido
adicional de otras fuentes. Así, es difícil que el dispositivo aísle
un pulso reflejado por una marca (indicado en la figura 6 por la
envuelta 608 de un pulso reflejado por una primera marca y la
envuelta 612 de un pulso reflejado por una segunda marca). Por
ejemplo, en algunas realizaciones la señal de retorno
600-1 contiene una cola de señal 602 como el
resultado de un pulso reflejado por un objeto parásito. En otras
realizaciones, la cola de señal 602 puede ser el resultado de
imperfecciones en la generación del pulso transmisor o la
filtración del receptor. En cualquier caso, la cola de señal 602
puede hacer que la celda de resolución en distancia
601-2 y la celda de resolución en distancia
601-3 se seleccionen y añadan a un primer conjunto
de distancias candidatas por el dispositivo. Igualmente, la cola de
señal 614 puede hacer que la celda de resolución en distancia
601-4 sea incluida en un primer conjunto de
distancias candidatas por el dispositivo. Sin embargo, como indican
las envueltas 608 y 612 de dos pulsos reflejados por marcas, la
celda de resolución en distancia 601-2 y la celda de
resolución en distancia 601-5 son las únicas celdas
de resolución en distancia en la figura 6 que contienen pulsos
reflejados por marcas. Así, es deseable tener una técnica para
reducir el conjunto de distancias candidatas de modo que contenga
solamente las celdas de resolución en distancia correspondientes a
pulsos reflejados por marcas.
En algunas realizaciones, el dispositivo
transmite un segundo pulso electromagnético y recibe una segunda
señal de retorno 600-2. La segunda señal de retorno
600-2, además de contener la señal 604 en la celda
de resolución en distancia 601-2, incluye una cola
de señal 606 en la celda de resolución en distancia
601-1. Así, el procesado de la segunda señal de
retorno 600-2 por el dispositivo puede dar lugar a
inclusión de celdas de resolución en distancia
601-1 y la celda de resolución en distancia
601-2 en un segundo conjunto de distancias
candidatas. En algunas realizaciones, el dispositivo procesa la
primera señal de retorno 600-1 y la segunda señal
de retorno 600-2 para llegar a un conjunto de
distancias candidatas reducido. Con referencia de nuevo a la figura
6, en algunas realizaciones se genera una tercera señal de retorno
600-3, por ejemplo, promediando la primera señal de
retorno 600-1 y la segunda señal de retorno
600-2. Como resultado, la magnitud de la cola de
señal 610 se reduce sustancialmente con relación a la cola de señal
606 en la segunda señal de retorno 600-2.
Igualmente, la magnitud de la cola de señal 616 se reduce
sustancialmente con relación a la de la cola de señal 614 en la
primera señal de retorno 600-1. Como resultado, la
verdadera envuelta 608 de un pulso reflejado de una primera marca y
la verdadera envuelta 612 de un pulso reflejado de una segunda marca
pueden ser aisladas y añadidas a un conjunto de distancias
candidatas reducido. Por ejemplo, esto se puede realizar eliminando
distancias candidatas cuya magnitud cae por debajo de un umbral
predefinido, o cuya magnitud es menor que la magnitud de otras
distancias candidatas en al menos un factor multiplicativo
predefinido (porcentaje), o manteniendo equivalentemente solamente
distancias candidatas cuya magnitud es superior a un umbral
predefinido o que cumplen otro criterio de selección basado en
magnitud apropiado. En otras realizaciones, el dispositivo procesa
la primera señal de retorno, dando lugar a un primer conjunto de
distancias candidatas, procesa la segunda señal de retorno, dando
lugar a un segundo conjunto de distancias candidatas, y selecciona
un conjunto de distancias candidatas reducido
determinando las distancias candidatas presentes en ambos conjuntos primero y segundo de distancias candidatas.
determinando las distancias candidatas presentes en ambos conjuntos primero y segundo de distancias candidatas.
En algunas realizaciones, se emplean técnicas
adicionales para aislar pulsos reflejados por marcas de señales de
retorno conteniendo pulsos reflejados por objetos parásitos. Con
referencia a la figura 7A, la antena del dispositivo (elemento 526
en la figura 5) tiene una configuración de radiación asociada
704-1. Una forma de caracterizar la configuración
de radiación de una antena de transmisión o, correspondientemente,
la sensibilidad de recepción de una antena receptora, es a través
de un gráfico de la magnitud relativa de la señal (transmitida o
recibida, respectivamente) como una función de ángulo en el plano
conteniendo las marcas y el dispositivo. El sistema de coordenadas
polares 702 proporciona una estructura conveniente para esta
finalidad. El sistema de coordenadas polares 702, como se ilustra
en la figura 7A, tiene en su centro la antena del dispositivo. En
algunas realizaciones, el dispositivo usa una antena de recepción
isotrópica. Por otra parte, la antena de transmisión puede tener
una configuración de radiación 704-1 que tiene un
nulo 706. El nulo 706 se caracteriza por un conjunto de ángulos
para los que la configuración de radiación es sustancialmente de
menor magnitud que un umbral. Por ejemplo, el nulo 706 puede ser
definido por ángulos para los que la magnitud de radiación es menos
que 1/√2 de su valor máximo, correspondiente a ángulos en
los que la antena transmite señales que tienen menos de la mitad de
la potencia de las señales transmitidas con potencia máxima por la
antena. Una forma alternativa de caracterizar un nulo 706 es
mediante una dirección particular, tal como la dirección
708-1, seleccionada de manera que tenga un ángulo,
medido con relación al sistema de coordenadas 702, que es la media
de los ángulos asociados con el nulo 706. En una realización, el
nulo 706 tiene una anchura de menos de 15º. En una realización, el
rango de ángulos del nulo se controla transmitiendo los pulsos
usando al menos dos antenas movidas por señales sustancialmente
idénticas que tienen una diferencia de fase. La diferencia de fase
controla el rango de ángulos del nulo.
Con la configuración de radiación así orientada,
el dispositivo transmite un pulso electromagnético 110. La marca
108-1 refleja el pulso, y el dispositivo recibe una
señal de retorno incluyendo el pulso reflejado. Con la
configuración de radiación 704-1 orientada como en
la figura 7A, el pulso 110 es generado por ángulos en los que la
antena de transmisión transmite señales que tienen magnitudes
grandes (con relación a las señales transmitidas en otras
direcciones). En algunas realizaciones, el dispositivo, mientras
está en la misma posición, transmite un segundo pulso
electromagnético y recibe una segunda señal de retorno. Con
referencia a la figura 7B, la configuración de radiación
704-2 de la antena de transmisión está ahora en una
segunda orientación, caracterizada por la dirección
708-2 medida con relación al sistema de coordenadas
polares 702. Un segundo pulso 110 es transmitido por el
dispositivo, reflejado por la marca 108-1 y recibido
por el dispositivo. Con la configuración de radiación
704-1 orientada como en la figura 7B, el pulso 110
es generado por ángulos en los que la antena transmisora transmite
señales que tienen magnitudes pequeñas con relación a las señales
transmitidas en otras direcciones. Así, si la antena de transmisión
irradia la misma potencia en cada una de las configuraciones de la
figura 7A y la figura 7B, la señal recibida en la configuración de
la figura 7A tendrá una magnitud mayor que en la configuración de
la figura 7B. La configuración de radiación de la antena de
transmisión se puede poner en una segunda orientación mediante
varios métodos. En algunas realizaciones, el dispositivo incluye un
mecanismo de locomoción de vehículo (elemento 524 en la figura 5), y
el dispositivo cambia su orientación con relación al sistema de
coordenadas polares 702. En otras realizaciones, el dispositivo
incluye una antena de transmisión montada en una plataforma
motorizada. En otras realizaciones, la antena de transmisión incluye
una red en fase.
Con referencia a la figura 7C, la orientación de
la configuración de radiación (medida, por ejemplo, por uno los
nulos de la configuración de radiación) se pone a una pluralidad de
ángulos, se transmite un pulso mientras la configuración está
orientada en cada ángulo, y se registra la intensidad de la señal
recibida para cada ángulo. Como resultado, se puede formar un
gráfico 740 de la intensidad de señal de retorno 750 como una
función del ángulo para una celda de resolución en distancia
particular. Una característica notable del gráfico 740 es el nivel
máximo de intensidad de la señal 742. Definiendo un segundo nivel de
señal 744, se puede determinar un conjunto de ángulos asociados,
incluyendo ángulos 746 y 748 para los que la intensidad de señal de
retorno 750 es menos que el nivel de señal 744. En algunas
realizaciones, el segundo nivel de señal 744 es la mitad del nivel
de señal máximo 742. En otras realizaciones, el segundo nivel de
señal se determina como una función de la configuración de radiación
704 (véase la figura 7A y la figura 7B).
Algunos objetos parásitos reflejan pulsos que
son difíciles de distinguir de los pulsos reflejados por marcas.
Sin embargo, los pulsos reflejados por objetos parásitos pueden ser
distinguidos de los reflejados por marcas en base a los ángulos 746
y 748 en los que la intensidad de señal de retorno 750 es menor que
el nivel de señal 744. Con referencia a la figura 8A, una pared 802
refleja pulsos electromagnéticos que llegan al dispositivo. En
algunas realizaciones, la antena de transmisión tiene una
configuración de radiación 804, medida con relación al sistema de
coordenadas polares 702, con un nulo caracterizado por la dirección
808. La naturaleza de la señal recibida en la figura 8A se entiende
más fácilmente considerando varias porciones del pulso transmitido,
cada porción localizada en el espacio por un ángulo o conjunto de
ángulos con relación al sistema de coordenadas polares 702. Por
ejemplo, el pulso transmitido en la figura 8A tiene una primera
porción 110-1 y una segunda porción
110-2, teniendo la primera porción una magnitud
grande con relación a una segunda porción 110-2.
Esto es porque la porción 110-1 es generada por
ángulos de configuración de radiación 804 en los que la antena
transmite señales que tienen magnitudes relativamente grandes. En
contraposición, la porción 110-2 es generada por
ángulos de configuración de radiación 804 en los que la antena
transmite señales que tienen magnitudes relativamente pequeñas.
Así, la señal recibida, cuya intensidad depende de una suma de
porciones 110, está dominada por la intensidad del pulso reflejado
correspondiente a la porción 110-1. En la geometría
de la figura 8A, se espera que la señal de retorno recibida de la
celda de resolución en distancia conteniendo la pared 802 sea débil
para pocas direcciones o ninguna 808. Esto es debido al gran rango
de direcciones 808 en el que la antena transmite señales que tienen
magnitudes relativamente grandes.
En algunas realizaciones, el proceso anterior se
repite para varias direcciones 808, y se examina la señal de
retorno recibida de una celda de resolución en distancia
correspondiente a una distancia entre el dispositivo y pared 802.
Con referencia a la figura 8B se obtiene un gráfico 840 de la
intensidad de la señal de retorno 850 como una función del ángulo
de dirección 808. El nivel de señal máximo 842 y un nivel umbral de
señal 844 están entre las características de gráfico 840. En
algunas realizaciones, el nivel umbral de señal 844 es la mitad del
valor de nivel de señal máximo 842. En otras realizaciones, el nivel
umbral de señal es 6 dB menor que el nivel de señal máximo 842. Un
conjunto de ángulos asociados, incluyendo los ángulos 846 y los
ángulos 848, se determina como ángulos para los que la intensidad de
señal de retorno 850 es menos que el nivel umbral de señal 844.
En base al número y la posición de estos ángulos
846 y 848, en algunas realizaciones el dispositivo determina si una
marca o un objeto parásito tal como una pared está presente en una
celda de resolución en distancia. Los objetos parásitos, tales como
las paredes, tienen a veces ángulos asociados, tales como 846 y 848
(figura 8B) que son sustancialmente menos numerosos (o tienen
distancias más pequeñas) que los ángulos asociados, tales como 746
y 748 (figura 7C), de una celda de resolución en distancia
conteniendo una marca. Esto es porque, como se ilustra en la figura
8A, una pared 802 reflejará fuertemente un pulso
110-1, incluso cuando la dirección nula 808 esté
iluminando directamente la pared. Así, una celda de resolución en
distancia conteniendo una marca se puede distinguir de una celda de
resolución en distancia conteniendo objetos parásitos tales como
paredes examinando los ángulos asociados.
Una vez que se determinan las distancias y,
opcionalmente, los ángulos entre el dispositivo y las varias marcas,
algunas realizaciones incluyen algoritmos de posicionamiento y
navegación en almacenamiento primario y secundario 514 (figura 5).
Los algoritmos de posicionamiento y navegación para esta finalidad
son conocidos en la técnica e incluyen cuadrados mínimos
ponderados, filtración Kalman, y otros esquemas de estimación
secuencial. En general, habrá cierta probabilidad asociada con cada
marca adecuadamente identificada. En este caso, se deberá utilizar
un filtro de estimación máximo a posteriori (MAP), como parte
del proceso general de integridad observable (RAIM). En
realizaciones prácticas, probablemente se producirán mediciones
erróneas, tales como las debidas a anomalías de hardware e
interferencia de trayectos múltiples. Como resultado, en algunas
realizaciones los algoritmos de posicionamiento y navegación
incluyen alguna forma de prueba atípica estadística para detectar y
eliminar estas mediciones erróneas. Tales pruebas son conocidas por
los expertos en la técnica e incluyen pruebas residuales
externamente Studentizadas y Pruebas de innovaciones de filtro
Kalman.
En algunas realizaciones, el entorno parásito es
suficientemente benigno para resolver marcas por celda de
resolución en distancia sola, y el dispositivo no se tendrá que
mover para determinar su posición con relación a las marcas. En
otras realizaciones, no se espera que el parásito sea benigno, y un
pequeño movimiento lineal del dispositivo de 1 m o menos es
suficiente para resolver marcas del parásito según el algoritmo
descrito en unión con la figura 6.
En algunas realizaciones, cuando se inicializa
el sistema, la posición y, posiblemente, el número de marcas no es
conocido por el dispositivo. El dispositivo puede moverse en una
dirección particular con una velocidad conocida y comenzar a
transmitir pulsos y recibir señales de retorno. Alternativamente, el
dispositivo puede ser guiado manualmente por toda la región de
interés por un operador. El dispositivo puede crear entonces una
lista de posibles marcas con probabilidades de corrección asociadas.
Cuando se transmiten más pulsos y se reciben más señales de
retorno, las probabilidades pueden ser actualizadas. El dispositivo
puede definir su propio sistema de coordenadas, requiriendo seis
parámetros libres. Este sistema de coordenadas puede ser
referenciado a las tres primeras marcas halladas con alta confianza.
Posteriormente, el sistema de coordenadas propiamente dicho no
cambia preferiblemente en el tiempo, aunque una o más de las tres
primeras marcas se mueva, cambiándose las posiciones de estas tres
marcas en el sistema de coordenadas.
En otras realizaciones, se suministra
información al dispositivo, por ejemplo mediante datos de mapa 512
en la figura 5, tal como planos arquitectónicos o posiciones u
orientaciones de marcas particulares. El dispositivo puede usar
entonces un sistema de coordenadas asociado con esta información
para marcar las posiciones de las marcas. En este caso hay que
introducir al menos una porción o un mapa de marcas en dicho sistema
de coordenadas además de cualquier información de ruta.
La descripción anterior, a efectos de
explicación, utilizó nomenclatura específica para proporcionar una
comprensión profunda de la invención. Sin embargo, será evidente a
los expertos en la técnica que los detalles específicos no son
necesarios para la puesta en práctica de la invención. Las
realizaciones se han elegido y descrito con el fin de explicar
mejor los principios de la invención y sus aplicaciones prácticas,
para permitir por ello que otros expertos en la técnica utilicen
mejor la invención y varias realizaciones con varias modificaciones
que sean adecuadas para el uso particular contemplado. Así, no se ha
previsto que la descripción anterior sea exhaustiva o limite la
invención a la forma precisa descrita. Muchas modificaciones y
variaciones son posibles a la luz de las ideas anteriores.
Se pretende que el alcance de la invención sea
definido por las reivindicaciones siguientes y sus equivalentes.
Claims (26)
1. Un método de determinar la posición de un
dispositivo con relación a una marca, incluyendo:
transmitir un pulso (110) desde el dispositivo
(102), teniendo el pulso una primera polarización circular;
recibir una señal de retorno (600) en un período
de tiempo, incluyendo la señal de retorno un pulso reflejado de la
marca (108), incluyendo la recepción recibir señales que tienen la
primera polarización circular; y
procesar la señal de retorno con el fin de
aislar el pulso reflejado de la señal de retorno (600) recibiendo
señales que tienen la misma primera polarización circular y de
determinar una distancia del dispositivo a la marca;
caracterizado por
transmitir el pulso en una primera posición del
dispositivo y determinar a partir de la señal de retorno recibida un
primer conjunto incluyendo una pluralidad de distancias candidatas,
representando cada distancia candidato una posible distancia a la
marca;
transmitir el pulso en una segunda posición del
dispositivo, estando dicha segunda posición a una distancia conocida
de la primera posición, y determinar a partir de la señal de retorno
recibida un segundo conjunto incluyendo una pluralidad de distancias
candidatas; y
procesar los conjuntos primero y segundo de
distancias candidatas para producir un conjunto reducido de
distancias candidatas que son coherentes con una o más posiciones de
marca potenciales.
2. El método de la reivindicación 1, donde la
marca incluye una de una pluralidad de marcas (108), la señal de
retorno (600) incluye una pluralidad de pulsos reflejados por la
pluralidad de marcas, y el primer conjunto de distancias candidatas
y el segundo conjunto de distancias candidatas incluyen distancias
candidatas correspondientes a al menos dos de la pluralidad de
marcas.
3. El método de la reivindicación 1, donde la
polarización se selecciona del grupo que consta de polarización
circular derecha (RHCP) y polarización circular izquierda
(LHCP).
4. El método de la reivindicación 1, incluyendo
usar una misma antena circularmente polarizada para transmitir y
recibir.
5. El método de la reivindicación 1,
incluyendo:
mover el dispositivo en una dirección
particular, a una velocidad, realizando al mismo tiempo el paso de
recepción; detectar un desplazamiento Doppler en la porción de pulso
reflejada de la señal de retorno; y
determinar un ángulo entre la dirección
particular y una línea recta entre el dispositivo y la marca como
una función del desplazamiento Doppler detectado.
6. El método de la reivindicación 1,
incluyendo:
transmitir el pulso en una pluralidad de
posiciones adicionales del dispositivo y determinar a partir de la
señal de retorno recibida una pluralidad de conjuntos adicionales de
distancias candidatas; y
procesar los conjuntos de distancias candidatas
primero y adicionales para producir una sola distancia candidata
correspondiente a la marca.
7. El método de la reivindicación 1, donde:
la transmisión incluye transmitir el pulso
múltiples veces, teniendo cada transmisión del pulso una
configuración respectiva del haz de transmisión con un nulo sobre un
rango de ángulos diferente respectivo;
incluyendo el procesado:
determinar a partir de las señales de retorno de
las múltiples transmisiones de pulso un tercer conjunto de
distancias candidatas, representando cada distancia candidata una
posible distancia a la marca, teniendo cada distancia candidata un
rango de ángulos asociado, y
analizar el rango de ángulos asociado con cada
distancia candidata para producir un conjunto de distancias
candidatas reducido, incluyendo dicho primer conjunto de distancias
candidatas, que son coherentes con una o más posiciones de marca
potenciales.
\global\parskip0.930000\baselineskip
8. El método de la reivindicación 7, donde el
nulo en la configuración respectiva del haz de transmisión es menos
de 15º de ancho.
9. El método de la reivindicación 7, donde la
transmisión incluye transmitir usando al menos dos antenas movidas
por señales sustancialmente idénticas que tienen una diferencia de
fase, controlando la diferencia de fase el rango de ángulos del
nulo.
10. El método de la reivindicación 1, donde:
la transmisión incluye transmitir una serie de
pulsos;
la recepción incluye (A) recibir la serie de
pulsos en una pluralidad de posiciones distintas que tienen una
distancia de separación predefinida entremedio y generar una serie
de conjuntos de datos de pulsos recibidos correspondientes a al
menos un subconjunto de los pulsos recibidos, teniendo cada conjunto
de datos de pulsos recibidos datos de pulsos recibidos de la
recepción de un pulso respectivo en cada dos o más de la pluralidad
de posiciones distintas, y (B) combinar los datos de pulso dentro de
cada conjunto de datos de pulsos para producir una señal de retorno
combinada que tiene una configuración de recepción nula en un rango
de ángulos asociado;
incluyendo el procesado:
determinar a partir de las señales de retorno
combinadas un tercer conjunto de distancias candidatas,
representando cada distancia candidata una posible distancia a la
marca, y determinar para cada distancia candidata datos de
intensidad de señal relacionados con el ángulo incluyendo una
pluralidad de valores de amplitud asociados con una pluralidad
respectiva de rangos de ángulo; y
analizar los datos de intensidad de señal
relacionados con el ángulo asociado con al menos una de las
distancias candidatas para producir dicho conjunto de distancias
candidatas reducido que son coherentes con una o más posiciones de
marca potenciales.
11. El método de la reivindicación 1, donde:
la recepción incluye
recibir el pulso en una pluralidad de posiciones
distintas que tienen una distancia de separación predefinida
entremedio y generar datos de pulsos recibidos para al menos dos de
la pluralidad de posiciones distintas en las que el pulso es
recibido;
combinar los datos de pulsos recibidos múltiples
veces, usando una pluralidad de desfases, para producir múltiples
señales de retorno combinadas, teniendo cada una una configuración
de recepción nula en un rango de ángulos asociado;
el procesado incluye
determinar a partir de las señales de retorno
combinadas un tercer conjunto de distancias candidatas,
representando cada distancia candidata una posible distancia a la
marca, y determinar para cada distancia candidata datos de
intensidad de señal relacionados con el ángulo incluyendo una
pluralidad de valores de amplitud asociados con una pluralidad
respectiva de rangos de ángulo; y
analizar los datos de intensidad de señal
relacionados con el ángulo asociados con al menos una de las
distancias candidatas para producir dicho conjunto de distancias
candidatas reducido que son coherentes con una o más posiciones de
marca potenciales.
12. El método de la reivindicación 1, incluyendo
repetir la transmisión y recepción de una pluralidad de tiempos y
combinar las señales de retorno resultantes para producir una señal
de retorno representativa, donde el paso de procesado procesa la
señal de retorno representativa.
13. El método de la reivindicación 1, incluyendo
repetir la transmisión y recepción una pluralidad de veces mientras
que el dispositivo permanece sustancialmente en una sola posición, y
combinar las señales de retorno resultantes para producir una señal
de retorno representativa, donde el paso de procesado procesa la
señal de retorno representativa.
14. Un sistema de posicionamiento,
incluyendo
una marca reflectora isotrópica pasiva (108) en
una posición fija; y
un dispositivo (102) configurado para transmitir
un pulso electromagnético (110), teniendo el pulso una primera
polarización circular; estando configurado además el dispositivo
para recibir una señal de retorno (600) que tiene la primera
polarización circular en un período de tiempo, incluyendo la señal
de retorno un pulso reflejado del reflector, y para procesar la
señal de retorno con el fin de aislar el pulso reflejado de la señal
de retorno recibiendo señales que tienen la misma primera
polarización circular y para determinar una distancia del
dispositivo al reflector;
\global\parskip1.000000\baselineskip
incluyendo la marca reflectora (108):
- un primer reflector pasivo (402) para reflejar pulsos electromagnéticos;
- un segundo reflector pasivo (404) para reflejar pulsos electromagnéticos; y
- una estructura estática (406) configurada para colocar estáticamente el segundo reflector pasivo en un ángulo relativo al primer reflector pasivo, donde el ángulo es aproximadamente 90º;
caracterizado porque el dispositivo (102)
incluye:
un mecanismo de locomoción de vehículo (524)
para mover el dispositivo en una dirección particular, a una
velocidad;
un procesador de datos (512);
al menos un módulo de programa (520), ejecutado
por el procesador de datos, conteniendo el al menos único módulo de
programa instrucciones para:
- transmitir el pulso en una primera posición del dispositivo y determinar a partir de la señal de retorno recibida un primer conjunto incluyendo una pluralidad de distancias candidatas, representando cada distancia candidata una posible distancia a la marca;
- transmitir el pulso en una segunda posición del dispositivo, estando dicha segunda posición a una distancia conocida de la primera posición, y determinar a partir de la señal de retorno recibida un segundo conjunto incluyendo una pluralidad de distancias candidatas; y
- procesar los conjuntos primero y segundo de distancias candidatas para producir un conjunto de distancias candidatas reducido que son coherentes con una o más posiciones de marca potenciales.
\vskip1.000000\baselineskip
15. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo una pluralidad de marcas (108), donde la señal de retorno
(600) incluye una pluralidad de pulsos reflejados por la pluralidad
de marcas, y el primer conjunto de distancias candidatas y el
segundo conjunto de distancias candidatas incluyen distancias
candidatas correspondientes a al menos dos de la pluralidad de
marcas.
16. El sistema de la reivindicación 14, donde la
polarización se selecciona del grupo que consta de polarización
circular derecha (RHCP) y polarización circular izquierda
(LHCP).
17. El sistema de la reivindicación 14, donde el
dispositivo incluye al menos una antena (526) configurada para
recibir señales que tienen la primera polarización circular.
18. El sistema de la reivindicación 14, donde el
dispositivo incluye al menos una antena (526) configurada para
transmitir el pulso que tiene la primera polarización circular y
para recibir señales que tienen la primera polarización
circular.
\vskip1.000000\baselineskip
19. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo el al menos único módulo de programa
(520) instrucciones para:
- detectar un desplazamiento Doppler en la porción de pulso reflejada de la señal de retorno; y
- determinar un ángulo entre la dirección particular y una línea recta entre el dispositivo y la marca.
\vskip1.000000\baselineskip
20. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo el al menos único módulo de programa
(520) instrucciones para:
- transmitir el pulso en una pluralidad de posiciones adicionales del dispositivo y determinar a partir de la señal de retorno recibida una pluralidad de conjuntos adicionales de distancias candidatas;
- procesar los conjuntos de distancias candidatas primero y adicionales para producir una sola distancia candidata correspondiente a la marca.
\newpage
21. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo el al menos único módulo de programa
(520) instrucciones para:
- transmitir el pulso múltiples veces, teniendo cada transmisión del pulso una configuración respectiva del haz de transmisión con un nulo sobre un rango de ángulos diferente respectivo;
- determinar a partir de las señales de retorno de las múltiples transmisiones de pulso un tercer conjunto de distancias candidatas, representando cada distancia candidata una posible distancia a la marca, teniendo cada distancia candidata un rango de ángulos asociado; y
- analizar el rango de ángulos asociado con cada distancia candidata para producir un conjunto de distancias candidatas reducido, incluyendo dicho primer conjunto de distancias candidatas, que son coherentes con una o más posiciones de marca potenciales.
22. El sistema de la reivindicación 21, donde el
nulo en la configuración respectiva del haz de transmisión es menos
de 15º de ancho.
23. El sistema de la reivindicación 21, donde el
dispositivo incluye al menos dos antenas movidas por señales
sustancialmente idénticas que tienen una diferencia de fase,
controlando la diferencia de fase el rango de ángulos del nulo.
24. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo el al menos único módulo de programa
(520) instrucciones para:
- transmitir una serie de pulsos;
- generar a partir de las señales de retorno de las múltiples transmisiones de pulso una serie de conjuntos de datos de pulsos recibidos correspondientes a al menos un subconjunto de los pulsos recibidos, teniendo cada conjunto de datos de pulsos recibidos datos de pulsos recibidos de la recepción de un pulso respectivo en cada dos o más de la pluralidad de posiciones distintas;
- combinar los datos de pulso dentro de cada conjunto de datos de pulsos para producir una señal de retorno combinada que tiene una configuración de recepción nula en un rango de ángulos asociado;
- determinar a partir de las señales de retorno combinadas un tercer conjunto de distancias candidatas, representando cada distancia candidata una posible distancia a la marca, y determinar para cada distancia candidata datos de intensidad de señal relacionados con el ángulo incluyendo una pluralidad de valores de amplitud asociados con una pluralidad respectiva de rangos de ángulo; y
- analizar los datos de intensidad de señal relacionados con el ángulo asociado con al menos una de las distancias candidatas para producir dicho conjunto de distancias candidatas reducido que son coherentes con una o más posiciones de marca potenciales.
25. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo el al menos único módulo de programa
(520) instrucciones para:
- transmitir una serie de pulsos;
- generar a partir de las señales de retorno de las múltiples transmisiones de pulso una serie de conjuntos de datos de pulsos recibidos correspondiente a al menos un subconjunto de los pulsos recibidos, teniendo cada conjunto de datos de pulsos recibidos datos de pulsos recibidos de la recepción de un pulso respectivo en dos o más de la pluralidad de posiciones distintas;
- combinar los datos de pulsos recibidos múltiples veces, usando una pluralidad de desfases, para producir múltiples señales de retorno combinadas, teniendo cada uno una configuración de recepción nula en un rango de ángulos asociado;
- determinar a partir de las señales de retorno combinadas un tercer conjunto de distancias candidatas, representando cada distancia candidata una posible distancia a la marca, y determinar para cada distancia candidata datos de intensidad de señal relacionados con el ángulo incluyendo una pluralidad de valores de amplitud asociados con una pluralidad respectiva de rangos de ángulo; y
- analizar los datos de intensidad de señal relacionados con el ángulo asociado con al menos una de las distancias candidatas para producir dicho conjunto de distancias candidatas reducido que son coherentes con una o más posiciones de marca potenciales.
26. El sistema de la reivindicación 14,
incluyendo el al menos único módulo de programa
(520) instrucciones para:
- repetir la transmisión y la recepción múltiples veces;
- combinar las señales de retorno resultantes para producir una señal de retorno representativa; y
- procesar la señal de retorno representativa para producir un conjunto de distancias candidatas que son coherentes con una o más posiciones de marca potenciales.
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