ES2565689T3 - Mejora de la estimación de posición para un receptor del sistema global de navegación por satélite - Google Patents

Mejora de la estimación de posición para un receptor del sistema global de navegación por satélite Download PDF

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ES2565689T3
ES2565689T3 ES08718128.5T ES08718128T ES2565689T3 ES 2565689 T3 ES2565689 T3 ES 2565689T3 ES 08718128 T ES08718128 T ES 08718128T ES 2565689 T3 ES2565689 T3 ES 2565689T3
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Filippo Rodriguez
Gian Paolo Plaia
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Abstract

Método de estimación de una posición de un receptor de satélite, que comprende: - calcular cantidades indicativas de degradaciones experimentadas por señales de satélite y debido a interferencias multi-trayecto; - calcular una matriz de ponderación en base a las cantidades calculadas; y - calcular una posición estimada del receptor de satélite en base a la matriz de ponderación; caracterizado por que calcular la matriz de ponderación incluye: - clasificar de las señales recibidas en clases de elevación en base a las elevaciones de los satélites que han emitido las señales; - para cada clase de elevación, clasificar las señales que pertenecen a la clase de elevación en clases de degradación en base a las degradaciones correspondientes, teniendo cada clase de degradación una cardinalidad correspondiente definida por el número de señales con degradaciones que caen dentro de la clase de degradación; - para cada clase de elevación, identificar de diferentes funciones de distribución que globalmente encajan la distribución de los números correspondientes de señales con degradaciones que caen dentro de las clases de degradación correspondientes; - para cada clase de elevación, asociar de cada clase de degradación con una de las funciones de distribución correspondiente que satisface un criterio dado en relación con el número de señales con degradaciones que caen dentro de las clases de degradación correspondientes; y - calcular la matriz de ponderación en base a las cantidades relacionadas con los parámetros de las funciones de distribución asociadas con las clases de degradación.

Description

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DESCRIPCION
Mejora de la estimacion de posicion para un receptor del sistema global de navegacion por satelite Campo de la invencion
La presente invencion se refiere en general a sistemas de navegacion por satelite, y mas en particular a mejoras de la estimacion de posicion para un receptor del sistema global de navegacion por satelite (GNSS).
Antecedentes de la invencion
La Figura 1 muestra esquematicamente un sistema global de navegacion por satelite (GNSS) 1 que comprende una pluralidad de satelites 4 que emiten senales dirigidas a una pluralidad de receptores 2 y elementos locales 3 (de los cuales solo se muestra uno en la Figura 1), comunicando entre sf en una forma conocida per se y por ello no descrita en detalle. Cada receptor 2 esta generalmente encerrado en un terminal de usuario correspondiente configurado para ejecutar aplicaciones de software de alto nivel en base a los datos proporcionados por el receptor 2. Desde un punto de vista tecnico, cada receptor 2 puede considerarse como un terminal de radiofrecuencia (RF) del terminal de usuario correspondiente, concretamente la parte de conexion en red del terminal de usuario, en oposicion a la parte de aplicacion, que comprende una interfaz de usuario y las anteriormente mencionadas aplicaciones de alto nivel.
Cada satelite 4 transmite senales moduladas mediante una secuencia pseudoaleatoria (secuencia PN) caractenstica del satelite 4. Adicionalmente, las senales emitidas por cada satelite 4 contienen un mensaje de navegacion, que a su vez contiene, junto a datos adecuados para mejorar la precision en el calculo de la posicion del receptor, la efemerides del satelite, concretamente funciones matematicas que describen la orbita del satelite en una forma altamente precisa. Por lo tanto, en base a la informacion transportada por las senales, cada receptor 2 calcula su distancia desde el satelite 4. En particular, el receptor 2 calcula el tiempo de propagacion de la senal desde el satelite 4 al receptor 2, concretamente la diferencia de tiempo entre el instante de emision, que es el instante en el que el satelite 4 emite la senal, y el instante de recepcion, que es el instante en el que el receptor 2 recibe la misma senal. Posteriormente, se obtiene una estimacion aproximada de la distancia satelite-receptor mediante la multiplicacion del tiempo de propagacion por la velocidad de la luz; dicha estimacion aproximada de la distancia satelite-receptor es conocida como pseudoalcance. Se usan entonces los pseudoalcances relacionados con los diferentes satelites (generalmente, al menos cuatro satelites, como se muestra en la Figura 2) para calcular una estimacion de la posicion del receptor, como se explicara a continuacion con mas detalle.
En algunos casos, tras haber determinado los pseudoalcances, en lugar de calcular una estimacion de su posicion, el receptor 2 envfa los pseudoalcances a un elemento local 3, que esta encargado de calcular la estimacion de la posicion del receptor, y enviar la estimacion de vuelta al receptor 2. En unos GNSS particulares, generalmente conocidos como Sistemas Globales de Navegacion por Satelite Asistidos (A- GNSS), la efemeride del satelite es proporcionada al receptor 2 por los elementos locales 3, de modo que el receptor 2 no tiene que extraerlas desde los mensajes de navegacion. En base a los pseudoalcances y a la efemeride recibida, el receptor 2 calcula la estimacion de su posicion. En unos A-GNSS particulares, generalmente conocidos como "Equipo de Usuario Asistido" de A- GNSs, al receptor 2 solamente calcula estimaciones de los pseudoalcances y los envfa al elemento local 3, que esta encargado de todas las operaciones restantes (resolucion de ambiguedades en mediciones de pseudoalcance fraccionarias, calculo de la posicion,...).
Mas en detalle, la posicion del receptor, representada por un vector de posicion, se calcula por medio de N pseudoalcances relacionados con los N satelites correspondientes, cuyas senales se reciben por el receptor 2. En cualquier caso, ha de hacerse notar que un pseudoalcance es la distancia entre la posicion del satelite 4 correspondiente en el instante de transmision y la posicion del receptor 2 en el instante de recepcion. Debido a que el reloj del satelite y el reloj del receptor no estan perfectamente sincronizados, es imposible calcular la distancia exacta entre un satelite 4 y un receptor 2.
Despreciando errores inducidos por la propagacion, interferencias multi trayecto y errores del receptor, la definicion basica del segundo alcance p con relacion al satelite j-esimo es:
p‘ = R‘ + c-(sJ' -5) (1)
R = f( X,Y, Z) = V( Xj (t) - X )2 + (Yj (t) - Y )2 + (Zj (t) - Z )2 (2)
en las que:
• Xj, Yj, Zj son las coordenadas de posicion del j-esimo satelite;
• X, Y, Z son las coordenadas de la posicion del receptor;
• c es la velocidad de la luz;
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• 6j y 6 son, respectivamente, la desviacion del reloj del satelite j-esimo y la desviacion del reloj del receptor; y
• Rj es la distancia geometrica entre el satelite j-esimo y el receptor 2, y es una funcion del tiempo, as^ como el pseudoalcance pj (con Rj calculado como el tiempo de transmision).
Las coordenadas X, Y, Z de la posicion del receptor forman el vector de posicion del receptor anteriormente mencionado, de aqm en adelante indicado por [X, Y, Z]. Lo mismo se aplica a las coordenadas Xj, Yj, Zj de la posicion del j-esimo satelite, cuyo vector de posicion se indica de aqm en adelante por [Xj, Yj, Zj].
Partiendo de la ecuacion (1), el vector de posicion del receptor [X, Y, Z], que es una cantidad desconocida, puede calcularse en base a los pseudoalcances Rj calculados, el vector de posicion ^ del satelite [Xj, Yj, Zj], y la desviacion del reloj del satelite 6j. En particular, el vector de posicion del satelite [Xj, Yj, Zj] se calcula en base al tiempo de transmision, que es la diferencia entre el instante de recepcion y el tiempo de propagacion, y la efemeride recibida, mientras que la desviacion del reloj del satelite 6j se calcula usando parametros de correccion incluidos en el mensaje de navegacion.
La relacion entre los pseudoalcances calculados, tambien conocidos como observables, y la posicion del receptor no es lineal, tal como se muestra por la ecuacion (1), por lo tanto se emplean tecnicas conocidas para obtener una ecuacion linealizada. De acuerdo con dichas tecnicas conocidas, se supone una posicion aproximada del receptor, y de ese modo se elige un vector de la posicion aproximada del receptor [Xo, Yo, Zo]. Esta suposicion implica que la posicion del receptor puede considerarse como una suma de la posicion aproximada del receptor y un factor de ajuste. Desde un punto de vista vectorial, el vector de posicion del receptor [X, Y, Z] es la suma del vector de la posicion aproximada del receptor [Xo, Yo, Zo] y un vector de ajuste [AX, AY, AZ]. Debido a esta suposicion, las cantidades desconocidas a ser calculadas son los componentes AX, AY y AZ del vector de ajuste [AX, AY, AZ], asf como la desviacion del reloj del satelite 6.
Para calcular las cantidades desconocidas AX, AY, AZ y 6, la ecuacion (1) se extiende en una serie de Taylor truncada despues de los terminos lineales y centrada alrededor del vector de la posicion aproximada del receptor [Xo, Yo, Zo], obteniendo asf:
p7 - Rj - c ■ 57 = -
X (t) - X 0
ro
■ AX
Y‘ (t) - Yo
ro
■ AY -
Zj (t)-Zo
ro
■AZ-c■5
Rr
=f ( x o,Yo, Zo)
(3)
(4)
En la ecuacion (3), todas las cantidades desconocidas (AX, AY, AZ y 6) estan en el lado derecho de la ecuacion, mientras que el lado izquierdo es conocido. Debido a la presencia de cuatro cantidades desconocidas, para calcular la posicion del receptor es necesario tener al menos cuatro ecuaciones, esto es, es necesario recibir senales desde al menos cuatro satelites, de modo que se calculen los pseudoalcances correspondientes. Generalmente, el numero N de satelites, cuyas senales son recibidas por un receptor, vana de cuatro a doce, dependiendo de la geometna de la constelacion de satelites y de la posicion del receptor, conduciendo a un sistema de ecuaciones que tiene mas ecuaciones que cantidades desconocidas, estando asf aparentemente sobredeterminado. En realidad, los observables estan afectados por errores y ruido, por lo tanto el sistema no es consistente. Esta inconsistencia aparente se resuelve por medio de la introduccion de un vector de ruido e, que conduce al sistema de ecuaciones de pseudoalcance linealizado siguiente:
y = G ■ X + e (5)
en la que:
• X es un vector [AX AY AZ 6] que contiene las coordenadas del vector de ajuste [AX, AY, AZ] asociado con el vector de la posicion aproximada del receptor [Xo, Yo, Zo], que representa el centro de la serie de Taylor, asf como la desviacion del reloj del receptor 5;
• G es una matriz que tiene cuatro columnas y N filas, estando asociada cada fila con un satelite correspondiente, cuya senal es recibida por el receptor;
• y es un vector de N dimensiones que contiene los N pseudoalcances, deducido cada uno de la distancia geometrica correspondiente pj entre el satelite correspondiente y el receptor, dependiendo asf de la posicion aproximada del receptor; y
• el vector de ruido e es un vector de N dimensiones que contiene los errores de los componentes del vector y.
Es posible demostrar que cada fila de la matriz G puede expresarse como:
Gi = [cos El, sen Azi cos Eli cos Az, sen Eli 1] (6)
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De acuerdo con la ecuacion (6), cada fila de la matriz G depende de la elevacion Eli y del azimut Az, del satelite i-esimo correspondiente, concretamente de las posiciones de receptor y satelite, siendo la posicion del satelite una cantidad conocida bien a partir de la efemerides o bien a partir de los datos contenidos en los mensajes de navegacion.
En GNSS conocidos, el sistema de ecuaciones (5) se usa para calcular iterativamente estimaciones X del vector X. De hecho, mediante la eleccion arbitraria de una posicion aproximada del receptor, concretamente un vector de la posicion aproximada del receptor [Xo, Yo, Zo], es posible calcular una aproximacion correspondiente y del vector y, asf como una aproximacion G de la matriz G. Posteriormente, partiendo del sistema de ecuaciones (5) y despreciando el vector e, el sistema de ecuaciones G ■ X = y puede resolverse y calcularse asf una primera estimacion X del vector X = [AX AY AZ 5], calculo que implica el calculo de un vector de la posicion estimada del receptor [Xi, Yi, Zi]. De hecho, el vector de la posicion estimada del receptor [Xi, Yi, Zi] viene dado por la suma del vector de la posicion aproximada del receptor [Xo, Yo, Zo] y del vector de ajuste [AX, AY, AZ], formado por los tres primeros componentes del vector calculado X
Posteriormente, el vector de la posicion estimada del receptor [Xi, Yi, Zi] se usa como una nueva posicion aproximada del receptor para la iteracion posterior en el calculo de la estimada X del vector X En base a la nueva posicion aproximada del receptor, se calculan un nuevo vector aproximado y del vector y y una nueva aproximacion G de la matriz G, de modo que se calcule una nueva estimacion X del vector X, y, en consecuencia una nueva estimacion de la posicion del receptor, resolviendo de nuevo el sistema de ecuaciones G ■ X = y La secuencia de operaciones descrita se itera entonces hasta que la diferencia entre estimaciones consecutivas X del vector X es menor que un umbral predeterminado.
Mas en detalle, el sistema de ecuaciones G ■ X = y se resuelve por medio del metodo de mrnimos cuadrados, que usa la inversa generalizada de la aproximacion G de la matriz G y conduce a la ecuacion:
X = inversa generalizada de G ■ y = G. • G) • ~ (7)
en la que G[_ es la matriz traspuesta de la matriz G, y el supermdice -i indica la inversa de la matriz a la que se refiere.
A partir de lo anterior, puede apreciarse que el vector de posicion del receptor [X, Y, Z] depende de los pseudoalcances calculados p contenidos en el vector y y en los vectores aproximados y correspondientes. Dado que los pseudoalcances se refieren a diferentes satelites y estan afectados por errores en diferentes grados, cada pseudoalcance se calcula con un grado de precision diferente, lo que afecta al calculo de la posicion del receptor.
Para mejorar la precision de la posicion del receptor calculada, se ha propuesto recientemente la provision de una matriz de ponderacion en el calculo de la posicion del receptor. Por ejemplo, el documento US2oo3/oo36849 Ai desvela una restriccion del modelo de seguimiento para GPS en la que se desvela una matriz de ponderacion de observacion de pseudoalcance diagonal con entradas diagonales que son redprocas de las entradas de varianza de los pseudoalcances.
Adicionalmente, el documento US 2oo6/oi2523 Ai desvela un metodo que permite mejorar la fiabilidad y la precision de un metodo de hallazgo de la posicion tal como el metodo GPS. En particular, de acuerdo con el documento US 2oo6/oi2523 Ai, se determina la calidad de un enlace de radio que se usa para el metodo de hallazgo de la posicion mediante la estimacion de un parametro, en particular el factor Rice de la densidad de distribucion de amplitud, que es caractenstico de la relacion entre la intensidad de una senal transmitida a traves de un trayecto en la lmea de vision, con respecto a la intensidad de las senales transmitidas a traves de trayectos no en la lmea de vision.
Adicionalmente, el documento WO 2oo4/o3624o A desvela un metodo y un aparato para utilizar un conjunto de mediciones para mejorar la precision de una estimacion de posicion inicial para un terminal inalambrico. En particular, de acuerdo con el documento WO 2oo4/o3624o A, en primer lugar se obtiene la estimacion de posicion inicial para el terminal, a continuacion se obtienen mediciones para el terminal, y finalmente se actualiza la estimacion de posicion inicial con las mediciones para obtener una estimacion de posicion revisada para el terminal. En detalle, la actualizacion se realiza mediante la deduccion de un vector de medicion en base a la estimacion de posicion inicial y las mediciones, formando una matriz de observacion para las mediciones, determinando una matriz de ponderaciones, deduciendo un factor de correccion en base al vector de mediciones, la matriz de observacion y la matriz de ponderacion, y actualizando la estimacion de posicion inicial con el vector de correccion.
Objeto y sumario de la invencion
El presente solicitante ha observado que desde un punto de vista arquitectural, las soluciones propuestas en las solicitudes de patente mencionadas anteriormente requieren la provision de diferentes estaciones para corregir los
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pseudoalcances y para dar soporte a la estimacion de ambiguedad de fase.
El presente solicitante ha observado tambien que desde un punto de vista computacional, las soluciones propuestas en las solicitudes de patente anteriormente mencionadas implican un calculo computacionalmente intensivo de las entradas individuales de la matriz de ponderacion en base a una informacion geografica del territorio sobre el que se situa al receptor, informacion geografica que es recuperada a traves de sondeos altimetricos y fotograficos.
Por lo tanto, un objetivo de la presente invencion es concebir una metodologfa de computacion mas ligera para las entradas de la matriz de ponderacion, metodologfa que permita la estimacion mejorada de una posicion del receptor.
Estos y otros objetivos se consiguen por la presente invencion que se refiere a un metodo, un sistema y un programa de software, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Descripcion de los dibujos
La presente invencion se describe ahora con referencia a un ejemplo no limitativa y a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 representa un sistema global de navegacion por satelite asistido (A-GNSS);
La Figura 2 representa un receptor GNSS y cuatro satelites de una constelacion de satelites del GNSS;
La Figura 3 muestra un histograma de acuerdo con la presente invencion;
La Figura 4 muestra funciones de densidad de probabilidad de Rice, Reynolds y Loo;
La Figura 5 muestra cualitativamente la distribucion de degradaciones en una clase de elevacion de acuerdo con la presente invencion, y las funciones de distribucion de ajuste correspondientes, matriz de indices e intervalos de degradacion de acuerdo con la presente invencion; y
• La Figura 6 muestra una tabla de busqueda de acuerdo con la presente invencion.
• La Figura 7 muestra una comparacion en terminos de errores topocentricos entre la presente invencion y tecnicas conocidas.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion surge de la siguiente observacion. Los receptores GNSS se comportan bien en presencia de senales en la lmea de vision (LOS), que son senales emitidas por un satelite y que se propagan directamente al receptor, sin experimentar reflexiones y/o difracciones por elementos externos, tales como edificios. En un entorno real, los receptores GNSS raramente se basan en senales LOS; mas a menudo, tienen que manejarse con replicas de las senales emitidas por el satelite, generadas por la interaccion de las senales con el entorno real. Cada replica experimenta un cierto numero de reflexiones y/o atenuaciones, alcanzando asf al receptor con su propia amplitud. Adicionalmente, cada replica de la senal alcanza el receptor despues de la propagacion a lo largo de un trayecto particular, por lo tanto con su propio retardo con respecto al instante de emision de la senal, interfiriendo asf positiva o negativamente con otras replicas en el lado del receptor. Este fenomeno es conocido como interferencia multi- trayecto y provoca la degradacion de las senales recibidas adicional a la propia atenuacion de propagacion, conduciendo asf a una reduccion de los rendimientos del receptor.
Desde un punto de vista practico, los receptores han de manejar de una forma eficiente replicas que tienen diferentes retardos, de modo que se extraiga la informacion asociada con las senales emitidas por los satelites. Adicionalmente, generalmente los receptores reciben senales desde diferentes satelites, y el fenomeno multi- trayecto afecta a todas las comunicaciones establecidas entre los receptores y los satelites. Sin embargo, las senales emitidas por diferentes satelites estan afectadas por las interferencias multi-trayecto en diferentes grados, y en consecuencia, las comunicaciones con los satelites tienen diferentes grados de fiabilidad.
La idea subyacente a la presente invencion es calcular las degradaciones experimentadas por las senales de satelite recibidas y debidas a la interferencia multi-trayecto, y a continuacion calcular la matriz de ponderacion en base a las degradaciones calculadas.
La metodologfa de calculo para las entradas de la matriz de ponderacion W de acuerdo con la presente invencion se describiran en el presente documento a continuacion en detalle, calculo que se realizara bien por el receptor 2 o bien por el elemento local 3 encargado del calculo de la posicion estimada del receptor.
El siguiente sistema de ecuaciones corresponde al sistema de ecuaciones (7) con la provision de la matriz de ponderacion W propuesta:
X = GT W
■ g)~1 • gt ■ w ■ ~
(8)
Las degradaciones de las senales de satelite recibidas debido a su propagacion en un entorno real, afectado por multi-trayecto, tal como una calle urbana o, mas en general, los denominados canones urbanos, en lugar de en un
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entorno ideal, sustancialmente libre de multi-trayecto, tal como en un entorno en el que el receptor recibe solamente senales en la LOS, se determina por medio de tecnicas conocidas. Por ejemplo, la degradacion de una senal de satelite recibida puede calcularse restando o bien la atenuacion global (expresada en dB) experimentada por la senal del satelite en el entorno sustancialmente libre de multi-trayecto de la atenuacion global (expresada en dB) experimentada por la senal de satelite en el entorno afectado por multi-trayecto o bien la potencia (expresada en dB) de la senal de satelite recibida medida por el receptor en el entorno afectado por multi-trayecto respecto a la potencia (expresada en dB) de la senal de satelite recibida medida por un receptor en el entorno sustancialmente libre de multi-trayecto. Adicionalmente, como la potencia de la senal se mide generalmente en terminos de relacion portadora a ruido (CNR), esto es, la relacion C/N entre la potencia de la portadora C modulada recibida en promedio y la potencia del ruido N recibido en promedio despues de los filtros del receptor, la degradacion de la senal puede calcularse convenientemente como la resta entre la senal CNR (expresada en dB) medida en el entorno real y la senal CNR (expresada en dB) medida en el entorno ideal.
Despues de que se han calculado las degradaciones de la senal, se realiza un procesamiento estadfstico de los datos tal como se describe en el presente documento a continuacion en detalle para determinar cantidades indicativas de la calidad de las senales recibidas.
En particular, para cada satelite estan disponibles los siguientes datos, de aqu en adelante denominados como datos del satelite: el pseudoalcance del satelite, la degradacion de las senales emitidas por el satelite, y el azimut y elevacion del satelite. Se calcula de ah un histograma del tipo mostrado en la Figura 3 en base a los datos del satelite. Mas en detalle, las senales recibidas por el receptor se clasifican primero en un numero M de diferentes clases de elevacion en base a la elevacion del satelite que ha emitido las senales.
Para cada clase de elevacion, las senales que pertenecen a la clase de elevacion considerada se clasifican a continuacion adicionalmente en un numero A de diferentes clases de degradacion, que son comunes a todas las clases de elevacion, en base a las degradaciones calculadas correspondientes. Los anchos de las clases de elevacion y degradacion pueden elegirse arbitrariamente. En el histograma mostrado en la Figura 3, las clases de degradacion se indican en el eje de abscisas, mientras que la cardinalidad de cada clase de degradacion, concretamente el numero de senales con degradaciones que caen dentro de cada clase de degradacion, se indica en el eje de ordenadas, como un porcentaje con respecto a todas las senales recibidas. En el ejemplo mostrado en la Figura 3, las clases de elevacion estan en numero de cinco (M=5), y se asocian respectivamente con los siguientes intervalos de grados de elevacion; 0-10, 10-20, 20-40, 60-90.
Para cada clase de elevacion, la distribucion a lo largo del eje de abscisas de los numeros correspondientes de senales con degradaciones que caen dentro de las clases de degradacion correspondientes se ajusta globalmente con una pluralidad de funciones de distribucion diferentes, en el ejemplo considerado en numero de tres, conocidas en la literatura, convenientemente las conocidas funciones de distribucion de Rice, Reynolds y Loo, mostradas en la Figura 4 y definida cada una, entre otras cosas, por parametros respectivos, tales como media y varianza. El experto en la materia puede apreciar inmediatamente que se pueden usar otras distribuciones, pero en la descripcion a continuacion se hara referencia a las distribuciones de Rice, Reynolds y Loo.
La eleccion de estas tres funciones de distribucion es debido a lo siguiente. Cuando una senal emitida por un satelite experimenta interferencias multi-trayecto, las atenuaciones de las senales recibidas pueden modelizarse con una distribucion de Rice:
fRice(v) = 2Kv expb^v2 + 1)] l0(2vK)
en la que v es la amplitud de la senal en la LOS recibida, K es la relacion de potencia entre la senal en la LOS y una senal generada mediante interferencias multi-trayecto, e I0 es la funcion de Bessel de orden 0.
En su lugar, cuando una senal emitida por un satelite no puede alcanzar al receptor directamente, y por ello el receptor recibe solamente senales generadas mediante interferencias multi-trayecto, las atenuaciones de las senales recibidas siguen la distribucion de Rayleigh, que es un caso particular de la distribucion de Rice:
fRayleigh(v) = 2Kv exp[-Kv2]
en la que v, K e I0 tienen el mismo significado que en la distribucion de Rice.
Finalmente, cuando una senal emitida por un satelite es recibida directamente por el receptor, despues de haber experimentado atenuaciones debido a materiales tales como hojas, la senal se dice que esta "sombreada", la atenuacion de la senal recibida puede modelizarse con la distribucion de Loo:
fLoo(v) =
2 Kv f 1
--------1- exp
n o iz
(log( z) - m)2
2o2
k(v2 + z2) |l0(2Kvz)dz
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en la que v, K e Io tienen el mismo significado que en la distribucion de Rice, mientras que m es la media de las atenuaciones y a la desviacion estandar.
Ha de tomarse nota de que la distribucion de Loo comprende dos componentes: uno que corresponde a la senal en la LOS atenuada, que sigue una distribucion logantmica normal, y una correspondiente a las interferencias multi- trayecto, que siguen una distribucion de Rayleigh.
A continuacion, para cada clase de degradacion en cada clase de elevacion, se asocia una de las tres funciones de distribucion de ajuste correspondientes, la que se ajusta mejor, concretamente la que esta mas proxima al numero de senales con degradaciones que caen dentro de la clase de degradacion correspondiente. Tal como se muestra en la Figura 5, este procesamiento conduce a la formacion de una matriz de indices para cada clase de elevacion, en la que cada mdice esta asociado con una clase de degradacion correspondiente y es indicativo de la funcion de distribucion de mejor ajuste para dicha clase de degradacion.
A continuacion, en cada matriz de indices, se identifican grupos de indices posteriores, en los que cada grupo contiene solamente indices iguales, y grupos de indices consecutivos que contienen diferentes indices. Cada grupo de indices iguales identifican asf un grupo correspondiente de clases de degradacion consecutivas que se ajustan mediante una y la misma funcion de distribucion de mejor ajuste, siendo denominado en el presente documento a continuacion cada grupo de clases de degradacion como un intervalo de degradacion.
Al final de este proceso, para cada clase de elevacion y cada intervalo de degradacion se identifica una funcion de distribucion de mejor ajuste, que tiene, entre otras cosas, su propia varianza.
Entonces se construye una tabla de busqueda en base a los grupos de indices identificados, en el que la tabla de busqueda tiene un numero de filas igual al numero M de clases de elevaciones, y un numero de columnas igual al numero L de intervalos de degradacion. En particular, cada fila se asocia con una clase de elevacion correspondiente, cada columna se asocia con un intervalo de degradacion correspondiente, y cada entrada de busqueda se relaciona con un parametro de la funcion de distribucion de mejor ajuste asociada con la clase de elevacion y el intervalo de degradacion correspondientes. Convenientemente, cada entrada de busqueda se relaciona, preferiblemente sustancialmente igual (aparte de ajustes menores), a la redproca de la varianza de la funcion de distribucion de mejor ajuste correspondiente. La Figura 6 muestra una tabla de busqueda que corresponde al ejemplo mostrado en la Figura 3, concretamente con cinco filas y ocho columnas. Puede apreciarse que en la tabla de busqueda los intervalos de degradacion (columnas) son comunes a todas las clases de elevacion (filas). Sin embargo, en general pueden asociarse diferentes clases de elevacion con diferentes intervalos de degradacion, conduciendo asf a una tabla de busqueda en la que las columnas no son comunes a todas las filas, pero cada fila esta asociada con sus propias columnas, que pueden ser o bien iguales o bien diferentes a las columnas asociadas con las otras filas, bien en numero o bien en intervalos de degradacion asociados con ella, o en ambos.
Al final, la matriz de ponderacion W anteriormente mencionada se calcula en base a la tabla de busqueda formada, en la que la matriz de ponderacion Wes una matriz cuadrada con un numero de filas y columnas igual al numero N de satelites "vistos" por el receptor. Preferiblemente, la matriz de ponderacion Wes diagonal, en la que cada entrada de la diagonal se establece igual a la entrada de la tabla de busqueda correspondiente a la elevacion del satelite asociado con la entrada diagonal y la degradacion de una senal recibida, o un grupo de senales, emitidas por dicho satelite. Las otras entradas no diagonales pueden ser o bien iguales a cero, mediante lo que la matriz de ponderacion W es puramente diagonal, o despreciables comparadas con las entradas diagonales, por lo que la matriz de ponderacion W es pseudo-, o cuasi-diagonal.
Desde un punto de vista practico, la matriz de ponderacion W asigna a cada uno de los datos del satelite anteriormente mencionados, y en particular a cada pseudoalcance, una ponderacion correspondiente relacionada con la elevacion del satelite y la degradacion de las senales recibidas correspondientes, de modo que sobrevalore aquellos datos de satelite contenidos en las senales recibidas que estan menos afectadas por el fenomeno de multi- trayecto y por ello menos degradadas y con una menor dispersion estadfstica, e infravalore las otras.
Extendidas simulaciones por ordenador probaron que la adopcion de la presente invencion permite que se mejore remarcadamente la precision de la estimacion de posicion del receptor en comparacion con receptores de satelite comercialmente disponibles que o bien no implementan ninguna ponderacion en absoluto o bien implementan diferentes enfoques de ponderacion, tal como se resume en terminos de errores topocentricos de las coordenadas de posicion en la tabla mostrada en la Figura 7.
Finalmente, es claro que se pueden realizar numerosas modificaciones y variantes a la presente invencion, cayendo todas dentro del alcance de la invencion, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
En particular, el histograma puede calcularse en base a las degradaciones de las senales recibidas en un penodo de tiempo apropiado por varios receptores situados en entornos afectados por multi-trayecto, siendo igual el penodo de tiempo, como un ejemplo, al periodo de la orbita de la constelacion de satelites, mejorando de ese modo la precision
de la varianza de calculo y, en consecuencia, la estimacion de posicion del receptor.
Adicionalmente, la tabla de busqueda puede calcularse bien estad^sticamente o bien dinamicamente, concretamente actualizarse periodicamente, por medio de un sondeo periodico, y almacenarse en una base de datos. Esta ultima 5 solucion puede emplearse ventajosamente en un GNSS asistido que incluye servidores de asistencia en los elementos locales en donde dicha base de datos puede alojarse.
Adicionalmente, las ponderaciones se envfan al receptor de acuerdo con la posicion del receptor, preferiblemente tras la emision de una solicitud de asistencia por el receptor. En este caso, la solicitud de asistencia comprende una 10 estimacion aproximada de la posicion del receptor, de modo que permite al servidor de asistencia barrer la base de datos y extraer las ponderaciones apropiadas, que se envfan de vuelta al receptor. A la inversa, las ponderaciones extrafdas pueden usarse directamente por el servidor de asistencia para calcular la posicion del receptor.

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Metodo de estimacion de una posicion de un receptor de satelite, que comprende:
    • calcular cantidades indicativas de degradaciones experimentadas por senales de satelite y debido a interferencias multi-trayecto;
    • calcular una matriz de ponderacion en base a las cantidades calculadas; y
    • calcular una posicion estimada del receptor de satelite en base a la matriz de ponderacion; caracterizado por que calcular la matriz de ponderacion incluye:
    • clasificar de las senales recibidas en clases de elevacion en base a las elevaciones de los satelites que han emitido las senales;
    • para cada clase de elevacion, clasificar las senales que pertenecen a la clase de elevacion en clases de degradacion en base a las degradaciones correspondientes, teniendo cada clase de degradacion una cardinalidad correspondiente definida por el numero de senales con degradaciones que caen dentro de la clase de degradacion;
    • para cada clase de elevacion, identificar de diferentes funciones de distribucion que globalmente encajan la distribucion de los numeros correspondientes de senales con degradaciones que caen dentro de las clases de degradacion correspondientes;
    • para cada clase de elevacion, asociar de cada clase de degradacion con una de las funciones de distribucion correspondiente que satisface un criterio dado en relacion con el numero de senales con degradaciones que caen dentro de las clases de degradacion correspondientes; y
    • calcular la matriz de ponderacion en base a las cantidades relacionadas con los parametros de las funciones de distribucion asociadas con las clases de degradacion.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente:
    • para cada clase de elevacion, identificar de grupos de clases de degradacion consecutivas asociadas con la misma funcion de distribucion.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1 o 2, en el que la matriz de ponderacion incluye entradas diagonales asociadas cada una con un satelite correspondiente, y en el que el calculo de la matriz de ponderacion se basa en cantidades relacionadas con los parametros de las funciones de distribucion asociadas con las clases de degradacion incluye:
    • calcular cada entrada diagonal de la matriz de ponderacion en base a la cantidad relacionada con un parametro de la funcion de distribucion asociada con la clase de degradacion que contiene las degradaciones de las senales desde el satelite correspondiente, y la clase de elevacion que contiene la elevacion del satelite correspondiente.
  4. 4. El metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que el parametro de la funcion de distribucion es la varianza de la funcion de distribucion, y la cantidad relacionada con el parametro es la redproca de la varianza.
  5. 5. El metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que las diferentes funciones de distribucion incluyen las funciones de distribucion de Rice, Rayleigh y Loo.
  6. 6. El metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que la matriz de ponderacion incluye entradas de ponderacion asociada cada una con un satelite correspondiente, y en el que el calculo de una cantidad indicativa de una degradacion experimentada por las senales de satelite desde un satelite correspondiente y debido a la interferencia multi-trayecto incluye:
    • medir una cantidad indicativa de una atenuacion experimentada por una senal de satelite en un entorno sustancialmente libre de multi-trayecto;
    • medir una cantidad indicativa de una atenuacion de una senal de satelite en un entorno afectado por multi- trayecto; y
    • calcular la cantidad indicativa de la degradacion en base a las cantidades medidas.
  7. 7. El metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que las cantidades indicativas de las degradaciones debidas a interferencia multi-trayecto se calculan en base a senales de satelite emitidas en un penodo de tiempo dado.
  8. 8. El metodo de cualquier reivindicacion precedente, en el que el calculo de la posicion estimada del receptor de satelite en base a la matriz de ponderacion incluye:
    • calcular iterativamente del siguiente sistema de ecuaciones
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    x = 1
    w ■ gY ■ GL' W • ~
    en el que:
    - X es un vector indicativo de la posicion estimada del receptor de satelite;
    - W es la matriz de ponderacion
    - G es la matriz con un numero de filas igual al numero N de satelites cuyas senales emitidas son recibidas por el receptor de satelite, estando asociada cada fila con un satelite correspondiente y estando en la forma de [cos El sen Azi cos Eli cos Az, sen Eli 1], en la que Eli y Az, son, respectivamente, la elevacion y el azimut del satelite correspondiente;
    - Gt es la traspuesta de la matriz G; y
    - 2 es un vector con N entradas asociada cada una con un satelite correspondiente cuyas senales emitidas por el son recibidas por el receptor de satelite, siendo cada entrada igual a la diferencia entre un pseudoalcance del satelite calculado correspondiente y una distancia geometrica calculada entre el receptor de satelite y el satelite correspondiente.
  9. 9. Un sistema de navegacion por satelite que incluye una constelacion de satelites, un elemento local en tierra configurado para comunicar con los satelites, y un receptor de satelite configurado para comunicar con los satelites y el elemento local en tierra; comprendiendo un sistema para la estimacion de la posicion del receptor de satelite configurado para implementar el metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente.
  10. 10. El sistema de la reivindicacion 9, en el que el sistema para la estimacion de la posicion del receptor de satelite esta compuesto por el receptor de satelite.
  11. 11. El sistema de la reivindicacion 9, en el que el sistema para la estimacion de la posicion del receptor de satelite esta compuesto por el elemento local en tierra.
  12. 12. Un programa de software que puede cargarse en una memoria de un sistema de estimacion de la posicion de un receptor de satelite dirigido a estar compuesto por un sistema de navegacion por satelite, y tal que provoque, cuando se ejecuta, que el sistema de estimacion de la posicion de un receptor de satelite realice el metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8.
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