ES2308300T3 - Un metodo para uso combinado de un sistema rtk local y un sistema de posicionamiento de fase de la portadora regional, de area grande o global. - Google Patents

Un metodo para uso combinado de un sistema rtk local y un sistema de posicionamiento de fase de la portadora regional, de area grande o global. Download PDF

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Frederick W. Nelson
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Abstract

Un método para el posicionamiento o navegación de un objeto (140) asociado tanto con un sistema cinemático en tiempo real como con un sistema de posicionamiento por satélite de área grande, en donde los valores de la ambigüedad flotante (350) asociados con las mediciones de fase de la portadora obtenidos en el objeto (140) se estiman usando dicho sistema de posicionamiento por satélite de área grande, comprendiendo dicho método: la determinación de una primera posición (340) del objeto (140) basándose en la información (410) recibida desde una estación de referencia local (120) asociada con el sistema cinemático en tiempo real; caracterizado por: la determinación inicial de dichos valores de la ambigüedad flotante (350) usando la posición primeramente determinada del objeto (140); y la determinación de una segunda posición (337) del objeto (140) basándose en la información (420) recibida del sistema de posicionamiento por satélite de área grande y usando dichos valores de la ambigüedad flotante iniciales.

Description

Un método para uso combinado de un sistema RTK local y un sistema de posicionamiento de fase de la portadora regional, de área grande o global.
La presente invención se refiere de forma general a las tecnologías asociadas con el posicionamiento y navegación usando satélites, y más particularmente a resolver la ambigüedad flotante de la portadora en un sistema de posicionamiento y/o navegación de fase de la portadora regional, de área grande o global.
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Antecedentes de la invención
El sistema de posicionamiento global GPS usa satélites en el espacio para localizar objetos en la tierra. Con el GPS, las señales de los satélites llegan al receptor de GPS y se usan para determinar la posición del receptor de GPS. Actualmente, se dispone para receptores GPS civiles de dos tipos de mediciones GPS que corresponden a cada canal correlador con una señal del satélite GPS sincronizada. Los dos tipos de mediciones son de pseudo rango y de fase de la portadora integrada para dos señales portadoras, L1 y L2, con frecuencias de 1,5754 GHz y 1,2267 GHz, o longitudes de onda de 0,1903 m y 0,2442 m, respectivamente. La medición de pseudo rango (o medición de código) es una observación GPS básica que todos los tipos de receptores GPS pueden realizar. Utiliza los códigos C/A o P modulados sobre las señales portadoras. La medición registra el tiempo aparente tomado por el código apropiado para viajar desde el satélite al receptor, es decir la hora en que la señal codificada dejó el satélite de acuerdo con el reloj del satélite menos la hora a la que llega al receptor de acuerdo con el reloj del receptor. La medición de fase de la portadora se obtiene integrando una portadora reconstruida de la señal tal como llega al receptor. De este modo, la medición de fase de la portadora es también una medición de la diferencia de tiempo de tránsito tal como se determina por la hora en que la señal dejó el satélite de acuerdo con el reloj del satélite menos la hora a la que llega al receptor de acuerdo con el reloj del receptor. Sin embargo, debido a que el número inicial de ciclos completos en el tránsito entre el satélite y el receptor cuando el receptor comienza el seguimiento de la fase de la portadora de la señal no es normalmente conocido, la diferencia de tiempo de tránsito puede tener un error de múltiples ciclos de la portadora, es decir hay una ambigüedad de ciclos completos en la medición de fase de la portadora.
Con las mediciones GPS disponibles, el rango o distancia entre un receptor GPS y cada uno de una multitud de satélites se calcula multiplicando un tiempo de trayecto de la señal por la velocidad de la luz. Estos rangos se denominan normalmente como pseudo rangos (falsos rangos) debido a que el reloj del receptor generalmente tiene un error de tiempo significativo que produce una desviación común en el rango medido. Esta desviación común causada por el error del reloj del receptor se resuelve conjuntamente con las coordenadas de posición del receptor como parte del cálculo de navegación normal. Otros varios factores pueden conducir a errores o ruido en el rango calculado, incluyendo el error de efemérides, error de tiempo en el reloj del satélite, efectos atmosféricos, ruido en el receptor y error multi-trayecto. Con navegación GPS autónoma, donde un usuario con un receptor GPS obtiene de rangos de código y/o de fase de la portadora con respecto a un conjunto de satélites a la vista, sin consultar con ninguna estación de referencia, el usuario está muy limitado en las formas de reducir los errores o ruidos en los rangos.
Para eliminar o reducir estos errores, se usan típicamente operaciones diferenciales en aplicaciones GPS. Las operaciones GPS diferenciales (DGPS, "Differential GPS") involucran típicamente un receptor de GPS de referencia base, un receptor de GPS de usuario (o navegación) y un mecanismo de comunicación entre los receptores del usuario y de referencia. El receptor de referencia se sitúa en una localización conocida y se usa la posición conocida para generar las correcciones asociadas con alguno o todos los factores de error anteriores. Las correcciones se suministran al receptor del usuario y el receptor del usuario usa entonces las correcciones para corregir apropiadamente su posición calculada. Las correcciones pueden estar en la forma de correcciones en la posición del receptor de referencia determinadas en el lugar de referencia o en la forma de correcciones al reloj y/o órbita del satélite GPS específico. Las operaciones diferenciales que usan mediciones de fase de la portadora son denominadas a menudo como operaciones de posicionamiento/navegación cinemática en tiempo real (RTK, del inglés "Real-Time Kinematic").
El concepto fundamental de GPS diferencial (DGPS) es aprovecharse de las correlaciones espaciales y temporales de los errores inherentes en las mediciones GPS para anular los factores de ruido en las mediciones de pseudo rango y/o de fase de la portadora que resultan de estos factores de error. Sin embargo, mientras que el error en el tiempo del reloj del satélite GPS, que aparece como una desviación sobre la medición de pseudo rango o de fase de la portadora, se correlaciona perfectamente entre el receptor de referencia y el receptor del usuario, la mayoría de los otros factores o bien no se correlacionan o bien la correlación disminuye en aplicaciones de área grande, es decir, cuando la distancia entre los receptores de referencia y del usuario se hace grande.
Para superar la imprecisión del sistema DGPS en aplicaciones de área grande, se han desarrollado varias técnicas de DGPS de área grande (WADGPS, del inglés "Wide Area Differential GPS"). El WADGPS incluye una red de múltiples estaciones de referencia en comunicación con un centro de cálculo o hub. Las correcciones de error se calculan en el centro de cálculo basándose en las localizaciones conocidas de las estaciones de referencia y las mediciones realizadas por ellas. Las correcciones de error calculadas se transmiten entonces a los usuarios a través de un enlace de comunicación tal como satélite, teléfono o radio. Usando múltiples estaciones de referencia, la WADGPS proporciona estimaciones más precisas de las correcciones del error.
De ese modo, se han desarrollado un número de técnicas diferentes para tener navegación diferencial de alta precisión usando las mediciones GPS de fase de la portadora. La técnica con la mayor precisión es la técnica RTK, que tiene una precisión típica de alrededor de un centímetro. Para obtener esa precisión, sin embargo, debe determinarse la ambigüedad de ciclos completos en las mediciones de fase de la portadora diferenciales. Cuando la distancia entre el receptor del usuario y el receptor de referencia (distancia base) es corta, la técnica RTK es altamente ventajosa porque en este caso, la ambigüedad de ciclo completo puede resolverse no sólo precisamente sino también rápidamente. Por otro lado, cuando la distancia base es mayor que unas pocas decenas de kilómetros, puede llegar a ser imposible determinar la ambigüedad de ciclos completos y la precisión RTK normal no puede alcanzarse. Otra limitación de la técnica RTK es que requiere que se mantenga un enlace de radio local entre el receptor de referencia y el receptor de navegación.
Las técnicas WADGPS emplean un método diferencial de fase de la portadora pueden también alcanzar muy alta precisión de navegación. Las técnicas diferenciales de WADGPS se caracterizan también por enlaces de comunicación fiables de larga distancia a baja frecuencia o por enlaces de comunicación vía satélite fiables. De ese modo, las correcciones pueden comunicarse generalmente a los receptores de navegación sin interrupción significativa. Sin embargo, las técnicas de WADGPS tratan las ambigüedades de ciclos completos como una variable de valor real (no entero) y resuelven una "ambigüedad flotante", que normalmente se define muy pobremente hasta que se haya obtenido datos de medición cubriendo un intervalo de tiempo de cambios de geometría significativos en el satélite. De ese modo, en una aplicación WADGPS, se requiere a menudo un intervalo de tiempo tan largo como una o dos horas para resolver la "ambigüedad flotante" para obtener una precisión de menos de 10 centímetros en la posición de navegación.
DAVID WALSH: "Real Time Ambiguity Resolution While on the Move" ION GPS 92, 18 septiembre 1992 (1992,09-18), páginas 473 - 481, XPO02327387 ALBURQUERQUE, describe una técnica para resolver ambigüedades en un sistema RTK solamente.
Sumario de la invención
La invención proporciona un método para posicionamiento o navegación de un objeto como se expone en la reivindicación 1 y un receptor de navegación por satélite como se expone en la reivindicación 6.
La presente aplicación incluye un método para combinar el uso de las técnicas de navegación RTK y WADGPS de forma que las debilidades de cada técnica puedan complementarse por las fortalezas de la otra técnica. La primera desventaja de la técnica WADGPS es que el receptor de navegación requiere un largo período de tiempo (a menudo más de una hora) para determinar los valores de la ambigüedad flotante, que se requieren para convertir las mediciones de fase de la portadora en mediciones de rango precisas. La desventaja primaria de la técnica RTK es que requiere un enlace de datos en tiempo real (normalmente una línea del lugar) entre un receptor GPS y un receptor GPS de referencia y que la ambigüedad de ciclos completos puede determinarse solamente cuando la distancia de separación entre el receptor GPS que referencia y el receptor GPS del usuario es relativamente corta.
Estas desventajas separadas pueden eliminarse usando el método para combinar el uso de las técnicas de navegación de RTK y de WADGPS de acuerdo con una realización de la presente invención. El método incluye el uso de una posición conocida de un receptor de usuario para inicializar los valores de la ambigüedad flotante en un sistema WADGPS. Cuando el receptor del usuario ha estado estacionario, la posición conocida del receptor del usuario puede ser una posición supervisada o una posición obtenida a partir de una operación anterior. Cuando el receptor del usuario se está moviendo, la localización conocida puede obtenerse usando un sistema RTK.
De ese modo, en una operación combinada, cuando está disponible el enlace de comunicación para la navegación RTK, las salidas de posición, velocidad y tiempo (PVT) del receptor del usuario pueden obtenerse usando el sistema RTK, mientras que el sistema WADGPS se ejecuta en segundo plano y sus salidas se inicializan constantemente para ponerlas de acuerdo con las salidas del sistema RTK. Cuando el enlace de comunicación para la navegación RTK se pierde, o cuando el receptor del usuario se pasea demasiado lejos de la estación de referencia en el sistema RTK, las salidas PVT del receptor del usuario pueden obtenerse usando el sistema de WADGPS, que se ha ido inicializando mientras estaba operativo el RTK. La inicialización evita los 15 minutos a dos horas de tiempo normal de "recolección" requerido para resolver los valores de la ambigüedad flotantes cuando la posición del receptor GPS del usuario no es conocida. Esto proporciona soluciones PVT muy precisas a partir del sistema WADGPS mientras que el sistema RTK no está disponible o es impreciso y hace a la técnica WADGPS más práctica para la finalidad del posicionamiento y navegación de alta precisión en tiempo real.
La invención también proporciona un medio que puede leer un ordenador almacenando en él instrucciones de programa que puede leer un ordenador que, cuando se ejecutan por un procesador, ponen en marcha el proceso que realiza el método de la invención.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema WADGPS y un sistema RTK local de acuerdo con una realización de la presente invención.
La Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema acoplado a un receptor GPS de usuario.
La Figura 3A es un diagrama de flujo que ilustra un método para combinar el uso del sistema WADGPS y el sistema RTK local.
La Figura 3B es un diagrama de flujo que ilustra un método para actualizar una posición del receptor usando un sistema RTK local.
La Figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un flujo de proceso para el funcionamiento combinado tanto del sistema WADGPS como del sistema RTK local.
La Figura 5 es un diagrama que ilustra una situación en la que puede usarse el funcionamiento combinado.
Descripción de la invención
La Figura 1 ilustra un sistema GPS diferencial de área grande o global (WADGPS) 100 de acuerdo con una realización de la presente invención. Como se muestra en la Figura 1, el sistema WADGPS 100 incluye una red de estaciones de referencia 120 que tiene cada una un receptor GPS 122, y uno o más centros de proceso 105. Las estaciones de referencia 120 proporcionan continuamente observaciones GPS en bruto al centro 105 para su procesamiento. Estas observaciones incluyen mediciones GPS de código y de fase de la portadora, efemérides, y otra información obtenida de acuerdo con las señales recibidas de un conjunto de satélites 110 en las estaciones de referencia 120. Las estaciones de referencia 120 se sitúan en localizaciones conocidas a través de un área grande 101, tal como un continente, para un sistema DGPS de área grande, o a través del globo para una red DGPS global. Los centros 105 son instalaciones en las que se procesan las observaciones GPS y se calculan las correcciones DGPS. Si se proporcionan múltiples centros independientes, se prefiere que estén geográficamente separados y funcionen en paralelo.
El sistema WADGPS 100 puede utilizarse por uno o más usuarios (o dispositivos u objetos de usuario) 140 que tienen cada uno un receptor GPS de usuario 142 para finalidades de posicionamiento y/o navegación. En una realización de la presente invención, el usuario 140 se asocia con una estación de referencia cercana 120 a través de un enlace de radio RTK de forma que el receptor del usuario 142 y la estación de referencia cercana 120 forman un sistema RTK local 150. El sistema 100 incluye además enlaces de datos convencionales (no mostrados) para proporcionar mecanismos de transporte fiables para que se envíen las observaciones GPS desde las estaciones de referencia 120 a los centros 105 y para que se difundan las correcciones calculadas desde los centros 105 a las estaciones de referencia 120 y a los usuarios 140. Un sistema WADGPS continental tiene normalmente entre 3 y 10 receptores de referencia y un sistema WAGPS global tiene normalmente entre 20 y 100 receptores de referencia alimentando datos a los centros 105. En una realización de la presente invención, las observaciones GPS se envían desde las estaciones de referencia 120 a los centros 105 a través de Internet, y las correcciones calculadas se envían también a través de Internet desde los centros a una o más estaciones terrestres (no mostradas) para ser subidas a uno o más satélites (no mostrados), que difunden entonces las correcciones calculadas para la recepción por las estaciones de referencia 120 y el receptor del usuario 142.
En una realización de la presente invención, el usuario u objeto 140 se equipa también con un sistema de ordenador 144 acoplado al receptor de usuario GPS 142. Como se muestra en la Figura 2, el sistema de ordenador 144 incluye una unidad central de proceso (CPU) 146, memoria 148, uno o más puertos de entrada 154, uno o más puertos de salida 156, y (opcionalmente) una interfase de usuario 158, acoplados entre sí por uno o más buses de comunicación 152. La memoria 148 puede incluir memoria de acceso aleatorio de alta velocidad y puede incluir almacenamiento masivo no volátil, tal como uno o más dispositivos de almacenamiento en disco magnético o dispositivos de memoria flash.
La memoria 148 almacena preferiblemente un sistema operativo 162, procedimientos de aplicación GPS 164 y una base de datos 170. Los procedimientos de aplicación GPS 164 pueden incluir procedimientos 166 para implementar métodos 300 para la combinación del uso del sistema RTK local 150 y del sistema WADGPS 160, como se describe en más detalle a continuación. El sistema operativo 162 y los programas de aplicación y procedimientos 164 almacenados en la memoria 148 son para su ejecución por la CPU 146 del sistema de ordenador 144. La memoria 148 almacena también preferiblemente estructuras de datos usados durante la ejecución de los procedimientos de aplicación GPS 164, incluyendo las mediciones GPS de pseudo rango y de fase de la portadora 168, las correcciones GPS 172 recibidas desde los centros, así como otras estructuras de datos comentadas en este documento.
Los puertos de entrada 154 son para recibir datos desde el receptor GPS 142, para recibir información desde la estación de referencia 120 en el sistema RTK local a través del enlace de radio 124, y para recibir las correcciones GPS y otra información de los centros 105 a través del enlace de satélite 107. El puerto de salida 156 se usa para sacar datos a las estaciones de referencia 120 a través del enlace de radio 124. En una realización de la presente invención, la CPU 146 y la memoria 148 del sistema de ordenador 144 se integran con el receptor GPS 142 en un único dispositivo, dentro de una única carcasa, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, tal integración no se requiere para llevar a cabo los métodos de la presente invención.
Por tanto, el usuario o el objeto 140 puede adoptar dos modos diferentes de funcionamiento tanto simultáneamente como en momentos diferentes. El usuario o el objeto 140 puede funcionar en un modo WADGPS en el que el usuario o el objeto 140 se posiciona a sí mismo o navega usando el sistema WADGPS 100, y/o en un modo RTK en el que el usuario o el objeto 140 se posiciona a sí mismo o navega usando el sistema RTK local 150. Cuando el usuario o el objeto 140 está cerca de la estación de referencia 120 con la que está asociado y puede mantenerse el enlace de radio entre el usuario o el objeto 140 y la estación de referencia 120, el usuario puede usar el sistema RTK local 150 para posicionarse a sí mismo con relación a la estación de referencia 120. El sistema RTK local 150 es más ventajoso que el sistema WADGPS 100 en que es más preciso y que la ambigüedad de ciclos completos en enteros puede ser rápidamente resuelta, como se explica en lo que sigue.
Usando el sistema local RTK 150, cuando se toman las mediciones respecto a n satélites 110 a la vista del receptor GPS de referencia 122 y de los receptores GPS de usuario 142 asociados, las mediciones pueden usarse para resolver la posición del usuario o el objeto 140 de acuerdo con la siguiente ecuación en formato matricial:
(1)(\nabla\Phi + N)\lambda = Hx + n_{\phi}
Donde \nabla\Phi = [\nabla\phi_{1} \nabla\phi_{2} ... \nabla\phi_{n}]^{T} es un vector de medición de fase de la portadora formado por la medición de fase de la portadora diferencial con respecto a cada uno de los n satélites 110, N = [N_{1} N_{2} ... N_{n}]^{T} es un vector de ambigüedad entero formado por la ambigüedad entera diferencial asociada con cada una de las mediciones de fase de la portadora diferenciales en el vector de mediciones de fase de la portadora, H = [h_{1} h_{2} ... h_{n}]^{T} es una matriz de sensibilidad en las mediciones formada por los vectores unitarios desde el usuario o el objeto 140 a los n satélites 110, x es un vector de estado desconocido real (o vector real) incluyendo un vector de posición desde la estación de referencia 120 al usuario o al objeto 140 en el sistema RTK local 150, y n_{\phi} = [n_{\phi_{1}} n_{\phi_{2}} ... n_{\phi_{n}}]^{T} es un vector de ruido en la medición (o vector residual de rango de fase) formado por el ruido de la fase de la portadora diferencial con respecto a cada uno de los n satélites 110.
Para resolver el vector real x usando la Ecuación (1), necesita resolverse el vector de ambigüedad entero N. Se han desarrollado muchos métodos diferentes para resolver los valores de ambigüedad en enteros incluidos en el vector de ambigüedad entero N y estos métodos usan típicamente un proceso de búsqueda para encontrar una combinación de valores de ambigüedad enteros que satisfaga ciertos criterios, tal como una norma mínima de un vector residual de medición \Delta_{\Phi},
100
Donde \Delta_{\Phi} es un vector residual de rango de fase correspondiente a un vector de ambigüedad entero candidato Ñ que incluye la combinación de valores de ambigüedad enteros, y \hat{x} es una solución de mínimos cuadrados de la Ecuación (1),
101
donde
102
es una matriz de covarianza de mediciones formada por \sigma_{i}, que es una desviación estándar del ruido de la fase de la portadora diferencial n_{\phi_{i}} calculado usando métodos convencionales. Un ejemplo de los métodos para calcular \sigma_{i} pueden encontrarse en "Precision, Cross Correlation, and Time Correlation of GPS Phase and Code Observations", por Peter Bonn, GPS Solutions, Vol. 4, Nº 2, Otoño de 2000, páginas 3-13, o en "Tightly Integrated Attitude Determination Methods for Low-Cost Inertial Navigation: Two-Antenna GPS and GPS/Magnetometer", por Yang, Y. Discurso de Dr. en Física, Departamento deIngeniería Eléctrica, Universidad de California, Riverside, CA, junio de 2001.
Otros ejemplos de los métodos de búsqueda pueden encontrarse en "Instantaneous Ambiguity Resolution", por Hatch, R., en las Actas del KIS Symposium 1990, Banff, Canadá y en la solicitud de patente de propiedad común para "Fast Ambiguity Resolution for Real Time Kinematic Survey and Navigation", número de serie de la solicitud de patente 10/338.264 (US-B-6753810).
Con la ambigüedad de enteros resuelta, la posición, velocidad y tiempo (PVT) del receptor del usuario 142 puede ser calculada con precisión como soluciones del sistema RTK local 150.
A pesar de sus muchas ventajas, el sistema RTK local 150 puede no estar disponible para el usuario o el objeto 140 en todos los momentos debido a que el usuario puede moverse a una localización que esté demasiado lejos de la estación de referencia 120 o está fuera de la zona de la estación de referencia 120 de forma que el enlace de radio 124 entre el usuario o el objeto 140 y la estación de referencia no puede mantenerse. En estas situaciones, el error inducido ionosférico no puede eliminarse satisfactoriamente por medio de la consideración de las diferencias entre las mediciones en el usuario o el objeto 140 y en la estación de referencia 120. Este error afecta al proceso de búsqueda anterior del vector de ambigüedad entero porque hace que aumenten los residuos de las mediciones incluidos en el vector de residuos de mediciones \Delta_{\Phi}.
Por tanto, en situaciones donde no se dispone del sistema RTK local 150 o ha perdido su precisión debido a la gran separación entre el receptor GPS del usuario y la estación de referencia, el usuario puede necesitar funcionar en el modo WADGPS en el que se usa un método diferente para resolver la ambigüedad de enteros. Usando el sistema WADGPS 100, cada ambigüedad de ciclo completo se estima como una variable de valor real (no entera). Esa práctica se denomina a menudo como la determinación del valor de la "ambigüedad flotante". Un método para determinar el valor de la "ambigüedad flotante" involucra la formación del código de refracción corregida y las mediciones de fase de la portadora basándose en mediciones GPS en bruto tomadas en el usuario o el objeto 140, el escalado de las mediciones de fase de la portadora a las mismas unidades que las mediciones de código y la resta de cada medición de fase de la portadora escalada de la correspondiente medición para tener un valor de desviación. En una realización de la presente invención, la medición de código de refracción corregida, designado como P_{RC}, se forma como sigue:
103
donde P_{1} y P_{2} son las mediciones de código de pseudo rango en bruto sobre las frecuencias L1 y L2, f_{1} y f_{2} respectivamente, en un periodo de mediciones particular. La medición de fase de la portadora de refracción corregida, designada como L_{RC}, se forma similarmente como sigue:
104
donde L_{1} y L_{2} son las mediciones de fase de la portadora escalada por las longitudes de onda de las señales L1 y L2, respectivamente, y cada una incluye un valor de ambigüedad de un ciclo completo que se ha añadido para hacer que la medición de fase de la portadora escalada esté cerca del mismo valor que la correspondiente medición de código. De ahí,
105
donde \varphi_{1} y \varphi_{2} son las mediciones de fase de la portadora en bruto sobre las frecuencias L1 y L2, respectivamente, en el mismo periodo de mediciones, y los valores de ciclo completo de N_{1} y N_{2} se han inicializado al comienzo del seguimiento de la fase de la portadora por el usuario o el objeto 140 para dar valores que están dentro de una longitud de onda de la portadora de las correspondientes mediciones de código de forma que se mantengan pequeñas las diferencias entre las mediciones de fase de la portadora escaladas y las correspondientes mediciones de código. De la forma de la ecuación (7), se deduce que la medición de fase de la portadora de refracción corregida incluye una ambigüedad de ciclo completo con una longitud de onda \lambda determinada por la suma de f_{1} y f_{2} (que es alrededor de 2,803 GHz), de forma que \lambda es aproximadamente 0,1070 metros (es decir, c/(f_{1} + f_{2}).
Debido a que los efectos ionosféricos se han eliminado tanto de las mediciones de código como de fase de la portadora de acuerdo con las Ecuaciones (6) - (9) y los efectos de los errores del reloj del satélite y de la órbita sobre las mediciones de pseudo rango y de fase de la portadora son los mismos, los valores de P_{RC} y L_{RC} obtenidos en la etapa 310 deberían ser casi idénticos excepto por la posible ambigüedad de ciclo completo asociada con las mediciones de fase de la portadora L_{RC} y el mayor ruido multi-trayecto en las mediciones de código P_{RC}. Esto permite la resolución de la ambigüedad de ciclo completo en L_{RC} por el suavizado de la desviación (O = P_{RC} - L_{RC}) entre la medición de código de refracción corregida y la medición de fase de la portadora de refracción corregida a través de una serie de periodos de medición de forma que la desviación se va haciendo cada vez una estimación más precisa de la "ambigüedad flotante". El valor de desviación suavizado puede ajustarse adicionalmente usando los residuos de las mediciones tras su fijación para proporcionar un ajuste de la medición de fase de la portadora adicional de forma que los residuos de la medición ajustada sean casi cero.
En una realización de la presente invención, la desviación se suaviza tomando una media extendida de las desviaciones como sigue:
106
donde i = 1, 2, 3, ..., se usa para designar el periodo de mediciones, y el valor de \eta es un valor de confianza que aumenta cuando O_{i} llega a ser una estimación más precisa del valor de la ambigüedad flotante. En una realización de la presente invención, \eta es igual a i hasta que se alcanza un valor máximo de la media. Por ejemplo, si la medición de fase de la portadora se supone que tiene sólo 1/100 del ruido de la medición de código, el valor de "\eta" se limitaría a 100 al cuadrado o 10.000. Puede de ese modo calcularse recursivamente la Ecuación (9) hasta que se alcanza una precisión predeterminada del valor de la ambigüedad flotante.
Con la desviación suavizada O_{i}, puede obtenerse una medición del código de refracción corregida, suavizado, S, añadiendo la medición de fase de la portadora de refracción corregida para el periodo de medición actual a la desviación suavizada, de forma que
107
que tiene la precisión de la medición de fase de la portadora pero sin las ambigüedades asociadas.
El proceso anterior como se ha descrito en conjunto con las Ecuaciones (6)-(11) se realiza para cada uno de un conjunto de satélites a la vista del receptor GPS del usuario 142. Con la medición del código de refracción corregida suavizada disponible para cada uno del conjunto de los satélites a la vista del receptor GPS del usuario 142, puede obtenerse los pseudo rangos a estos satélites. Estos pseudo rangos se ajustan con las correcciones de WADGPS recibidas desde los centros 105 y se usan en un arreglo de mínimos cuadrados ponderados para calcular el vector de estado x. De esta forma, la posición, velocidad y tiempo (PVT) del receptor GPS del usuario 142 puede calcularse como unas soluciones WADGPS para el PVT del receptor GPS del usuario 142.
Otros ejemplos de los métodos para obtener las desviaciones de refracción corregida, suavizada pueden encontrarse en "The Synergism of Code and Carrier Measurements", por Hatch, R. en las Actas del Third International Geodetic Symposium on Satellite Doppler Positioning, DMA, NOS, Las Cruces, N.M., Universidad del Estado de Nuevo México, Vol. II, páginas 1213-1232, y en la solicitud de patente de propiedad común para un "Method for Generating Clock Corrections for a Wide-Area or Global Differential GPS System", Número de archivo del procurador 009792-0042-99 (US7117417).
Es posible también resolver los valores de "ambigüedad flotante" como estados separados en una solución de mínimos cuadrados o del filtro de Kalman. Cuando se incluyen las ambigüedades como estados, se ajusta un valor estimado para cada valor de la ambigüedad flotante de acuerdo a una varianza de forma que se hace cada vez más preciso al cambiar la geometría del sistema debido al movimiento del satélite. De ese modo, esta técnica conduce también a una estimación de precisión incrementada en el tiempo. Ver el documento de Patrick H. C. Hwang en Navigation, Vol. 38, Nº 1, primavera de 1991, titulado "Kinematic GPS for Differential Positioning: Resolving Integer Ambiguities on the Fly".
Hay muchas combinaciones y variaciones de las técnicas anteriores que pueden usarse para estimar los valores de la "ambigüedad flotante". Sin embargo, todos ellos implican el procesado de datos durante un intervalo de tiempo significativo. El intervalo de tiempo puede ser a menudo tan largo como una o dos horas antes de que pueda confiarse en que la "ambigüedad flotante" es suficientemente precisa para conducir a una precisión de menos de 10 centímetros en la posición de navegación del usuario 140. Para acortar el intervalo de tiempo para obtener los valores de la "ambigüedad flotante", puede inicializarse el sistema WAD GPS como se describe a continuación usando una localización conocida del receptor GPS del usuario 142.
La Figura 3A ilustra un método 300 para inicializar el sistema WADGPS 100. Como se muestra en la Figura 3, el método 300 incluye una etapa 310 en la que se determina si el usuario está estacionario en una localización conocida. Esto puede realizarse de acuerdo con el dato del usuario o a través de algún mecanismo convencional que permita al ordenador 144 determinar si el receptor del usuario 142 ha estado estacionario. Si el receptor del usuario 142 ha estado estacionario y la posición del receptor del usuario 142 es conocida con precisión, puede usarse la posición para calcular los valores de la ambigüedad flotante sin la ayuda del sistema RTK local 150. Podría usarse una posición supervisada del receptor GPS del usuario 142 como la posición conocida, o en algunos entornos, la posición puede conocerse simplemente porque el receptor del usuario 142 ha estado estacionario y la posición del usuario ha sido ya determinada durante una operación anterior.
En respuesta a la determinación de que el usuario está estacionario en una localización conocida, el método 300 prosigue con la etapa 320 en la que la posición del receptor del usuario se fija en una localización conocida. En otro caso, el método 300 prosigue con la etapa 330 en la que el sistema RTK local 150 se habilita para actualizar automáticamente la localización del usuario usando el método comentado anteriormente.
El método 300 incluye además una etapa 340 en la que la localización del receptor del usuario, tanto si es determinada en la etapa 320 como en la etapa 330, se usa para calcular un conjunto de rangos teóricos a los satélites 110. Esto puede implicar el cálculo de posiciones de los satélites 110 basándose en las efemérides difundidas desde el sistema WADGPS 100 y ajustando esas posiciones con las correcciones orbitales difundidas por el sistema WADGPS 100. Dadas tanto la posición del receptor del usuario como las posiciones de los satélites en coordenadas cartesianas, el rango teórico del usuario 140 a cada satélite 110 puede calcularse como sigue:
108
donde el subíndice s designa las coordenadas del satélite y el subíndice u designa las coordenadas del receptor del usuario o del objeto.
El método 300 incluye además una etapa 350 en la que el valor de la ambigüedad flotante inicial, a, correspondiente a cada satélite se calcula restando del rango teórico calculado del gráfico obtenido, la medición de fase de la portadora de refracción corregida con respecto al mismo satélite de forma que,
109
donde L_{RC}^{0} representa la medición de fase de la portadora de refracción corregida calculado de acuerdo con la Ecuación (7) al comienzo de cada periodo de mediciones.
El método 300 incluye además una etapa 360 en la que los valores de la ambigüedad flotantes se resuelven añadiendo los valores de la ambigüedad flotante iniciales a las correspondientes mediciones de fase de la portadora de refracción corregida en los periodos de medición posteriores, es decir,
110
y tratando los valores de la ambigüedad flotante como bien conocidos de forma que la confianza se fija en alto (o la varianza se fija en bajo). En la práctica, la etapa 360 se lleva a cabo usando pequeños valor de la ganancia para ajustar los valores de la ambigüedad flotante en un proceso para determinar los valores de la ambigüedad flotante. Por ejemplo, si los valores de la ambigüedad flotante se determinan por el suavizado de la desviación entre la medición del código de refracción corregida y la medición de fase de la portadora de refracción corregida de acuerdo con la ecuación (9), una pequeña ganancia significa tratar el valor de la ambigüedad flotante como si se hubiera usado en su cálculo un gran número de valores de desviación, de forma que \eta = i + (un gran número). Si el valor de ambigüedad se determina en un proceso de filtro de Kalman se obtiene una pequeña ganancia ajustando la varianza del estado de ambigüedad a un valor pequeño.
De ese modo, usando la localización conocida de un receptor de usuario 142 estacionario, o usando el sistema RTK local 150 para inicializar los valores de la ambigüedad flotante, se evita el tiempo normal requerido de 15 minutos a dos horas de "recolección" para resolver los valores de la ambigüedad flotante cuando la posición del receptor del usuario no es conocida. Esto puede acelerar grandemente el proceso para resolver las ambigüedades de fase de la portadora en el sistema WADGPS 100, haciendo el sistema WADGPS 100 más adecuado para las finalidades del posicionamiento y/o navegación en tiempo real.
Para usar el sistema RTK local 150 para actualizar la posición del receptor del usuario en el método 300, la posición de la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150 debe determinarse con precisión en el sistema WADGPS 100. Un sistema RTK convencional puede usarse en un sentido relativo, significando que la posición del receptor del usuario 142 puede determinarse con relación al receptor de referencia. De ésta forma, pueden obtenerse posiciones relativas precisas del receptor GPS del usuario 142 incluso aunque las coordenadas de la estación de referencia no sean particularmente precisas y se busquen datos de coordenadas distintos de los datos GPS normales para la posición de la estación de referencia. Sin embargo, para el uso combinado del sistema RTK local 150 y del sistema WADGPS 100 se necesita determinar una posición precisa del receptor de referencia 120 en el sistema RTK 150. Si se usa una posición incorrecta para la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150, se hará que los valores de la ambigüedad flotante calculados como se ha descrito anteriormente sean incorrectos. Esto conducirá a una lenta deriva de la posición calculada del receptor del usuario 142 en tanto los valores de la ambigüedad flotante se ajustan lentamente al valor correcto durante el procesado WADGPS posterior.
En una realización de la presente invención, se determina una posición media de la estación de referencia 120 en el sistema RTK 150 basándose sobre horas de datos de posicionamiento del sistema WADGPS 100 para una fiabilidad aumentada. En una realización alternativa, un sistema de ordenador en la estación de referencia 120 acepta un valor de entrada del operador para su posición y proporciona la posición al usuario 140. Esto permite que el posicionamiento RTK relativo comience inmediatamente usando esa posición para la estación de referencia. A la vez, se determina una posición más precisa de la estación de referencia 120 mediante el sistema WADGPS 100 y se transmite a la estación de referencia 120. Esta posición más precisa o una desviación entre la posición introducida por el operador y la posición más precisa de la estación de referencia 120 determinada por el sistema WADGPS 100 se transmite entonces con una velocidad relativamente baja al usuario 140.
La Figura 3B ilustra con más detalle la etapa 330 del método 300 en la que la posición del usuario se actualiza usando el sistema RTK local 150. Como se muestra en la Figura 3B, la etapa 330 incluye una subetapa 331 en la que el usuario o el objeto 140 recibe la posición introducida por el operador de la estación de referencia 120 en el sistema RTK 150, y una subetapa 333 en la que el usuario o el objeto 140 realiza una operación RTK local para determinar su propia posición relativa con la de la estación de referencia 120. La etapa 330 incluye además una subetapa 335 en la que el usuario o el objeto 140 recibe la posición más precisa de la estación de referencia 120 determinada por el sistema WADGPS 100 o la desviación entre la posición introducida por el operador de la estación de referencia 120 y la posición más precisa de la estación de referencia 120 determinada por el sistema WADGPS 100. La etapa 330 incluye además una subetapa 337 en la que el usuario o el objeto 140 calcula una posición absoluta del receptor GPS del usuario 142 en coordenadas cartesianas usando bien la posición introducida por el usuario de la estación de referencia o la posición de la estación de referencia 120 determinada por el sistema WADGPS 100 (si está disponible).
Un ejemplo en donde pueden obtenerse beneficios usando el método 300 es en el posicionamiento de un tren. Cuando un tren pasa a través de un túnel, tanto el enlace RTK local como el enlace WADGPS global se perderán. En esta situación el enlace de datos RTK puede ajustarse para inicializar los valores de la ambigüedad flotante WADGPS cuando el tren sale del túnel. Esto evitaría el largo intervalo de datos requerido en otro caso para determinar los valores de la ambigüedad flotante correctos.
Otro ejemplo en donde pueden obtenerse beneficios usando el método 300 es en el posicionamiento de un avión justo tras el despegue. En este caso un sistema RTK local en el aeropuerto en donde el avión está preparándose para el despegue puede usarse para inicializar las ambigüedades del WADGPS tanto antes como durante el despegue.
De ese modo, el usuario o el objeto 140, que incluye el receptor GPS del usuario 142 y el sistema de ordenador 144 acoplado al receptor GPS del usuario 142, pueden funcionar tanto en modo el RTK como en modo WADGPS. El sistema RTK local 150 es más favorable que el sistema WADGPS porque el proceso de búsqueda del sistema RTK local 150 como se comentó anteriormente utiliza mucho menos tiempo que el método de suavizado en el sistema de WADGPS 100 para resolver los valores de ambigüedad enteros. En el proceso de búsqueda, el suavizado de las mediciones de código o bien no es requerido o bien se realiza un suavizado de las mediciones de código de mucha más corta duración, no para determinar directamente la ambigüedad del ciclo completo, sino para proporcionar una incertidumbre disminuida en un conjunto inicial de valores de ambigüedad enteros de forma que el proceso de búsqueda posterior pueda limitarse más ajustadamente. Por esa razón, sólo unos pocos segundos de datos son suficientes para tener el conjunto inicial de valores de ambigüedad. El sistema RTK local 150, sin embargo, está disponible sólo en situaciones en las que puede mantenerse el enlace de comunicación entre el receptor GPS del usuario 142 y la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150 y el usuario o el objeto 140 no se pasea demasiado lejos de la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150. Cuando no se satisfacen estas condiciones, esto es, cuando el sistema RTK local 150 o bien no está disponible o es impreciso, el usuario puede descansar en el sistema WADGPS 100 para navegación mediante el uso de la posición del receptor del usuario últimamente determinada por el sistema RTK 150 para inicializar el sistema WADGPS de forma que se evita el largo tiempo de "recolección" para obtener los valores de "ambigüedad flotante".
La Figura 4 ilustra un flujo de un proceso 400 para un funcionamiento combinado RTK y WADGPS realizado por el sistema de ordenador del usuario 144. El flujo del proceso incluye las etapas 440, 450 y 460. Como se muestra en la Figura 4, mientras que están disponibles las correcciones RTK, el usuario 140 funciona en el modo RTK. Recibe la posición 401 de la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150 y realiza la etapa 440 en la que los PVT del receptor del usuario se determinan usando las correcciones RTK 410 recibidas desde el receptor de referencia 120 en el sistema RTK local 150. Durante la realización de la etapa 440, el usuario 140 puede continuar recibiendo las correcciones del WADGPS 420 desde los centros 105 de forma que las soluciones WADGPS puedan generarse en segundo término. El usuario 140 puede recibir también la posición actualizada 430 de la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150 desde el centro 105 a una velocidad relativamente baja. Usando la posición actualizada de la estación de referencia 120 en la solución RTK de la posición del usuario, las soluciones del WADGPS pueden inicializarse continuamente en segundo término para estar de acuerdo con las soluciones RTK de acuerdo con el método 300 comentado anteriormente.
Cuando se pierden las correcciones RTK, el usuario 140 cambia al modo de funcionamiento WADGPS y realiza la etapa 450, en la que el usuario 140 usa la posición del receptor del usuario determinada en el modo de funcionamiento RTK inmediatamente antes de que las correcciones RTK se hicieran indisponibles para inicializar los valores de la ambigüedad flotantes para el modo de funcionamiento WADGPS de acuerdo con el método 300 comentado anteriormente. De esta forma, los valores de "ambigüedad flotante" pueden determinarse sin el largo tiempo de "recolección". Durante la realización de la etapa 450, el usuario 140 continúa recibiendo las correcciones WADGPS 420 desde los centros 105. El usuario 140 puede recibir también la posición actualizada 430 de la estación de referencia 120 en el sistema RTK local 150 desde el centro 105 a una velocidad relativamente baja. Las coordenadas de la estación de referencia se usan para transformar la posición del receptor del usuario generado en el modo WADGPS en la posición relativa al receptor de referencia local 120. De esta forma, los resultados PVT generados por el sistema de ordenador del usuario 144 realizarán una transición sin saltos entre los dos diferentes modos de funcionamiento.
Cuando las correcciones RTK están disponibles de nuevo, el usuario reanuda el funcionamiento RTK en la etapa 460, que es similar al funcionamiento RTK en la etapa 440.
El proceso 400 puede usarse en muchas aplicaciones. Una aplicación implica una extensión de un funcionamiento RTK en áreas en donde el enlace de radio RTK no puede mantenerse mientras que el enlace de comunicación del WADGPS es al menos generalmente disponible. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 5, el usuario o el objeto 140 puede ser un vehículo agrícola 510 moviéndose en las filas 520 de un área 501 de unas terrazas, con el receptor de usuario 142 fijado al vehículo agrícola o al equipo agrícola que está conectado al vehículo agrícola. El área 501 incluye el área 503 que es visible desde la estación de referencia 120 del sistema RTK local 150 y las áreas (sombreadas) 505 y 507 que no son visibles desde la estación de referencia 120. Debido a que el enlace de comunicación RTK es normalmente en línea recta, los datos RTK se perderían cuando el receptor GPS del usuario 142 se mueva desde el área 503 al área 505 o a la 507. Pero el enlace de datos entre el receptor del usuario 142 del sistema WADGPS 100 está disponible generalmente debido a que está facilitado por satélites. Inicializando las ambigüedades flotantes en el sistema WADGPS 100 cuando el enlace de radio RTK está disponible y el sistema RTK 150 operativo, la precisión de funcionamiento del RTK puede preservarse prácticamente durante aquellos intervalos en que el enlace RTK se pierde.
Mientras que se ha usado en la descripción anterior el sistema WADGPS/RTK 100 de la Figura 1, se apreciará que cualquier sistema regional, de área grande o global que haga uso de las mediciones de fase de la portadora desde satélites para finalidades de posicionamiento y/o navegación y de ese modo requiera determinar los valores de ambigüedad asociados con las mediciones de fase, puede beneficiarse también del método 300 y del proceso 400 descrito anteriormente. Ejemplos de estos sistemas incluyen el Starfire^{TM} System desarrollado por la compañía John Deere, y el sistema GPS regional High Accuracy-National Differential (HA-ND) que está siendo desarrollado por varias agencias gubernamentales de Estados Unidos.

Claims (11)

1. Un método para el posicionamiento o navegación de un objeto (140) asociado tanto con un sistema cinemático en tiempo real como con un sistema de posicionamiento por satélite de área grande, en donde los valores de la ambigüedad flotante (350) asociados con las mediciones de fase de la portadora obtenidos en el objeto (140) se estiman usando dicho sistema de posicionamiento por satélite de área grande, comprendiendo dicho método:
la determinación de una primera posición (340) del objeto (140) basándose en la información (410) recibida desde una estación de referencia local (120) asociada con el sistema cinemático en tiempo real;
caracterizado por:
la determinación inicial de dichos valores de la ambigüedad flotante (350) usando la posición primeramente determinada del objeto (140); y
la determinación de una segunda posición (337) del objeto (140) basándose en la información (420) recibida del sistema de posicionamiento por satélite de área grande y usando dichos valores de la ambigüedad flotante iniciales.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El método de la reivindicación 1, en donde la primera posición es relativa a la estación de referencia local (120) y la segunda posición es una posición absoluta, el método comprende además:
la recepción de la posición de la estación de referencia local (120) del sistema de posicionamiento por satélite de área grande (335);
la transformación de la primera posición en una posición absoluta (337) usando la posición de la estación de referencia local (120) antes de la determinación de dichos valores de la ambigüedad flotante inicial; y
la transformación de la segunda posición en una posición relativa al receptor de la estación de referencia local (120) usando la posición de la estación de referencia local (450).
\vskip1.000000\baselineskip
3. El método de la reivindicación 1, en donde el cálculo de dichos valores de la ambigüedad flotante inicial comprende el cálculo de los rangos teóricos entre el objeto (140) y un conjunto de satélites (340).
4. El método de la reivindicación 1, en donde los valores de la ambigüedad flotante se estiman ajustando las mediciones de fase de la portadora con los valores de la ambigüedad flotante iniciales.
5. El método de la reivindicación 4, en donde los valores de la ambigüedad flotante se estiman por suavizado de las mediciones de código con las mediciones de fase de la portadora ajustadas.
\vskip1.000000\baselineskip
6. Un receptor de navegación por satélite, comprendiendo:
primeros medios de funcionamiento (300), en un primer modo de funcionamiento del receptor de navegación por satélite, para determinar una primera posición (340) de un objeto (140) basándose en la información (410) recibida de la estación de referencia local (120) asociada con un sistema cinemático en tiempo real; y
caracterizado por:
segundos medios de funcionamiento (335, 450), en un segundo modo de funcionamiento del receptor de navegación por satélite, para determinar una segunda posición del objeto (140) basándose en la información (420) recibida desde el sistema de posicionamiento por satélite de área grande que usa valores de la ambigüedad flotante estimados asociados con mediciones de fase de la portadora obtenidos en el objeto (140); y
medios de funcionamiento para determinar inicialmente dichos valores de la ambigüedad flotante usando la primera posición determinada del objeto (140); siendo operativos dichos segundos medios (335, 450) para usar dichos valores de la ambigüedad flotante iniciales.
\vskip1.000000\baselineskip
7. El receptor de navegación por satélite de la reivindicación 6, en el que los primeros medios son operativos tal que la primera posición es relativa a la estación de referencia local (120) y los segundos medios son operativos tal que la segunda posición es una posición absoluta, los segundos medios incluyen medios de funcionamiento:
para recibir una posición de la estación de referencia local (120) desde el sistema de posicionamiento por satélite de área grande (335, 430);
para transformar la primera posición en una posición absoluta (337) usando la posición de la estación de referencia local (120) antes de determinar dichos valores de la ambigüedad flotante iniciales; y
para transformar la segunda posición en una posición relativa a la estación de referencia local (120) usando la posición de la estación de referencia local (450).
\vskip1.000000\baselineskip
8. El receptor de navegación por satélite de la reivindicación 6, en donde los medios para el cálculo de dichos valores de la ambigüedad flotante iniciales comprenden medios para el cálculo teórico de los rangos entre el objeto (140) y un conjunto de satélites (340).
9. El receptor de navegación por satélite de la reivindicación 6, en donde los segundos medios son operativos para estimar los valores de la ambigüedad flotante ajustando las mediciones de fase de la portadora con los valores de la ambigüedad flotante iniciales.
10. El receptor de navegación por satélite de la reivindicación 9, en donde los segundos medios son operativos para estimar los valores de la ambigüedad flotantes por suavizado de las mediciones de código con las mediciones de fase de la portadora ajustadas.
11. Un medio que pueda leer un ordenador (148) almacenando en él instrucciones de programa que pueda leer un ordenador (164) que, cuando se ejecutan por un procesador, hacen que el proceso realice un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
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