ES2914250T3 - Gestión de multitrayecto para sistemas globales de navegación por satélite - Google Patents

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Abstract

Sistema de posicionamiento que comprende un primer receptor de GNSS (101) y un segundo receptor de GNSS (102), estando el primer receptor de GNSS (101) y el segundo receptor de GNSS (102) montados en un tren: - estando el primer receptor de GNSS (101) configurado para recibir una posición espacial, mediciones de código y mediciones de fase de portadora de señales de GNSS calculadas por el segundo receptor de GNSS (102) a través de un enlace de comunicaciones; - comprendiendo el primer receptor de GNSS una lógica de procesado configurada para: - calcular una posición del primer receptor de GNSS a partir de mediciones de código y mediciones de fase de portadora de señales de GNSS, y a partir de la posición espacial, las mediciones de código y las mediciones de fase de portadora de señales de GNSS recibidas desde el segundo receptor de GNSS; y para - estimar uno o más parámetros representativos de multitrayecto en la posición del primer receptor de GNSS, siendo el parámetro o parámetros estimados una diferencia residual entre pseudodistancias medidas por el primer receptor de GNSS y pseudodistancias predichas usando dicha posición del primer receptor de GNSS, después de la deducción de errores modelados, en el que los errores modelados comprenden errores de reloj de satélite, errores de reloj de receptor, errores ionosféricos y errores troposféricos; en el que la lógica de procesado está configurada asimismo para comunicar al segundo receptor de GNSS dicho uno o más parámetros representativos de multitrayecto estimados en la posición del primer receptor de GNSS a través del enlace de comunicaciones, y en el que el segundo receptor de GNSS está configurado para usar dicho uno o más parámetros representativos de multitrayecto estimados por el primer receptor de GNSS, para mejorar su propia posición de GNSS calculada cuando el segundo receptor de GNSS está dentro de un alcance especificado y dentro de un espacio de tiempo especificado de dicha posición del primer receptor de GNSS.

Description

DESCRIPCIÓN
Gestión de multitrayecto para sistemas globales de navegación por satélite
Campo técnico
Este documento se refiere al campo del procesado digital de datos y a Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS).
Antecedentes
La posición de un receptor de GNSS se calcula de manera general sobre la base de datos recibidos de satélites de GNSS. Habitualmente, los receptores de GNSS efectúan correcciones de errores de su reloj y otros efectos, pero sigue habiendo errores residuales que quedan sin corregir.
El multitrayecto es una fuente dominante de errores de medición de distancia [del inglés, ranging] en el GNSS. La interferencia por multitrayecto se produce cuando el dispositivo de usuario recibe señales reflejadas (por ejemplo, del suelo, de edificios, de árboles, de la carrocería de un vehículo anfitrión, etcétera) además de la señal de línea de visión L.O.S. directa. Las señales multitrayecto destruyen la forma de la función de correlación usada para la estimación del retardo de tiempo y, como consecuencia, reducen la precisión en el posicionamiento.
Mientras que los entornos abiertos no se ven sujetos en general a deficiencias tales como el multitrayecto, los entornos confinados se ven fuertemente perjudicados por el mismo. Precisamente en estos entornos, ciertas aplicaciones de GNSS pueden requerir una precisión mejorada (por ejemplo, coches automatizados o automáticos).
En la bibliografía sobre patentes, se describen algunos planteamientos para mitigar el multitrayecto aunque los mismos presentan limitaciones. Por ejemplo, el documento US6421000 titulado “GPS multipath mitigation using a multi-element antenna array” [“Mitigación del multitrayecto de GPS usando una agrupación de antenas multielemento”] requiere una antena específica, es decir, un dispositivo de GNSS modificado.
El documento XP056006956 divulga un método para reducir el multitrayecto de código y de fase de portadora, que usa mediciones de múltiples receptores con el fin de obtener estimaciones precisas del multitrayecto de código o de fase de portadora. También se pueden detectar otras fuentes de errores, tales como perturbaciones atmosféricas. Usando este método, se lleva a cabo un ajuste de la condición de mínimos cuadrados para generar una estimación del multitrayecto para cada par individual de receptor/satélite, y esto se realiza basándose en cada época individual, por lo que no se requiere ningún filtrado sobre el tiempo, y no es necesario ningún periodo de inicialización. Este planteamiento presenta limitaciones.
El documento de patente DE 19701800 divulga un aparato que incluye por lo menos dos antenas dispuestas en un vehículo o un convoy de vehículos para una recepción de por lo menos una señal de satélite con fines relacionados con la localización. Las antenas están dispuestas a una cierta distancia entre sí, la cual es tan grande que un error de orientación local no afecta a ambas antenas simultáneamente. El vehículo determina la posición de la otra antena sobre la base del resultado de la orientación local obtenido a partir de la señal de la antena y de la curva espacial recorrida por la misma, así como de la distancia entre las antenas, y compara este resultado de orientación local con el resultado de orientación local obtenido a partir de la señal de la antena. El vehículo rechaza el resultado de la orientación local al menos de la antena situada delante en la dirección de conducción, si la diferencia de los resultados de orientación local obtenidos para la misma antena se desvía en una magnitud que es igual o superior a un valor de umbral predeterminado. Este planteamiento presenta limitaciones.
El documento de patente US20130335268 divulga un método, un sistema y un aparato para aislamiento del multitrayecto a través del uso combinado de diversidad de antenas y diversidad en frecuencia. En particular, la presente exposición utiliza la diversidad de antenas y la diversidad en frecuencia para combatir los efectos perjudiciales de señales reflejadas sobre la precisión de posicionamiento de sistemas de navegación por satélite. En por lo menos una forma de realización, la presente exposición usa dos antenas y dos frecuencias para el funcionamiento con un sistema de navegación por satélite. La presente divulgación separa las antenas y frecuencias en dos clases: referencias y monitores. Las mediciones de referencias se usan para estimar el estado del vehículo, y las mediciones de los monitores se usan para detectar fallos que podrían deteriorar la estimación de referencia. De este modo, la presente exposición posibilita una mejora en el error de posicionamiento experimentado por usuarios itinerantes en centros urbanos y entornos interiores. Las aplicaciones incluyen el control positivo de trenes, el guiado de aeronaves en superficie, la navegación de embarcaciones marítimas en canales y puertos, así como el mantenimiento de carril para automóviles. Este planteamiento presenta limitaciones.
Existe, por lo tanto, una necesidad de métodos y sistemas más avanzados para detectar y evaluar el multitrayecto.
Sumario
Se divulga un sistema de posicionamiento según la reivindicación independiente 1 y según reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán a título de ejemplo algunas formas de realización de la presente invención, únicamente con fines ilustrativos, en referencia a los dibujos adjuntos en los cuales las referencias iguales indican elementos similares, y en los cuales:
la figura 1 ilustra ejemplos de etapas de un método ilustrativo;
la figura 2 ilustra una forma de realización de la invención para sistemas de transporte ferroviario;
la figura 3 ilustra un ejemplo correspondiente a un grupo de vehículos.
Los siguientes ejemplos/aspectos presentados en relación con las figuras 1 y 3 no son acordes a la invención y se presentan únicamente con fines ilustrativos.
Descripción detallada
Un receptor de GNSS puede estar integrado o se puede llevar en un vehículo (tripulado o no), un coche, una embarcación, una aeronave, un UAV, un dron, un robot o cualquier sistema de transporte. Un receptor de GNSS también puede ser llevado por un usuario humano o un animal. Un receptor de GNSS puede acceder a una o más constelaciones de satélites (por ejemplo, GPS, GLONASS, Galileo o Beidou).
Se divulga un dispositivo de posicionamiento que comprende: un primer receptor de GNSS; un enlace de comunicaciones configurado para recibir una posición espacial, mediciones de código y mediciones de fase de portadora de un segundo receptor de GNSS (102); una interfaz de entrada a una lógica de procesado, estando dicha lógica de procesado configurada para: calcular una posición del primer receptor de GNSS a partir de mediciones del primer receptor de GNSS y de la posición espacial, las mediciones de código y las mediciones de fase de portadora del segundo receptor de GNSS; y para estimar uno o más parámetros representativos de multitrayecto en la posición del primer receptor de GNSS; estando el enlace de comunicaciones configurado para comunicar a uno o más del segundo receptor de GNSS dichos parámetros representativos de multitrayecto en la posición del primer receptor de GNSS.
En una de las formas de realización, el sistema comprende, además, un tercer receptor de GNSS (Rx3), estando configurado dicho receptor de GNSS para comunicarse con dicho primer o segundo receptor de GNSS. Con el término “comunicarse” (o “cooperar”) se pretende designar las etapas previamente descritas. De hecho, se puede implementar una “cascada” de receptores (el método se puede llevar a cabo de manera iterativa). El esquema de cooperación descrito entre Rx1 y Rx2 se puede repetir, por ejemplo, con otro (tercer) receptor, u otros receptores. En una de las formas de realización, un tren comprende un número N de receptores de GNSS. Son posibles diferentes esquemas de cooperación. En una forma de realización, Rx1 puede asumir un papel específico (receptor “maestro”): puede cooperar con Rx2, el mismo Rx1 puede cooperar con Rx2, y el mismo Rx1 puede cooperar con Rxi, hasta RxN, siendo N un entero >1.
Rx1 es el receptor (situado aguas arriba en un tren en movimiento), que estima el multitrayecto. Rx2 (102) es el receptor de “referencia”, situado aguas abajo. Rx2 determina su posición de manera precisa y exacta (con código de GNSS, opcionalmente asistido con otros sensores de posicionamiento) y transmite a) su posición junto con b) la fecha en la que se determina esta posición c) medidas de código y fase (con datos de tiempo), junto con un d) indicador de calidad, opcional, a Rx1. A su vez, Rx1 determina su posición. En una de las formas de realización, Rx1 determina su posición con las medidas y la posición de Rx2, a continuación, determina el multitrayecto (MP), usando residuos calculados en la posición de referencia. A continuación, Rx1 transmite MP (y/o indicadores de calidad) a Rx2. El segundo receptor Rx2 puede usar y aprovechar dicho multitrayecto cuando esté situado más adelante en la posición ocupada previamente por Rx1 en la que se había estimado primero dicho multitrayecto MP, con el fin de mejorar la precisión/fiabilidad de su posicionamiento adicional.
La interacción entre Rx1 y Rx2 puede seguir diferentes esquemas. Por ejemplo, Rx1 aguas arriba transmite un multitrayecto al Rx2 aguas abajo (comunicación unidireccional). En algunas realizaciones, la interacción puede ser bidireccional (retroalimentación desde Rx2). En otra forma de realización, Rx1 y Rx2 pueden intercambiar los papeles. Rx1 puede adoptar el papel de receptor de referencia. En algunas realizaciones, pueden verse implicados más de dos receptores. El multitrayecto se puede estimar de manera iterativa (aun cuando el mismo pueda variar a lo largo del tiempo).
En algunas formas de realización, el primer receptor Rx1 “empuja” su estimación de multitrayecto hacia el segundo receptor. En formas de realización adicionales, el segundo receptor Rx2 “pulls” el multitrayecto estimado de Rx1. Se observa que los tiempos de retardo de la transmisión no afectan en general a las etapas de formas de realización del(de los) método(s).
En una de las formas de realización, el primer receptor Rx1 está configurado para comunicar uno o más indicadores de severidad de multitrayecto.
En algunas formas de realización, puede determinarse la mera presencia o ausencia de multitrayecto (respuesta binaria, es decir, presente o ausente). En algunas formas de realización, el multitrayecto se puede cuantificar. Pueden determinarse indicadores de severidad: pueden aplicarse esquemas de umbrales. Por ejemplo, si la amplitud y los retardos relativos superan umbrales predefinidos (por ejemplo, 0.3 ms ó 10 metros), el entorno se calificará como severo. De este modo, un receptor o una entidad que retransmite la información asociada al multitrayecto puede determinar una presencia de multitrayecto (dado un valor predefinido, es decir, una respuesta binaria sí o no) o un nivel de intensidad o “severidad” de multitrayecto (cuantificación del impacto del multitrayecto). En una de las formas de realización, la severidad se puede cuantificar en tres niveles, por ejemplo, “severo”, “bajo” y “sin impacto”. Los niveles de severidad pueden ser absolutos (por ejemplo, para una ubicación o área dada en el mapa, expresada en forma de longitud, latitud y, posiblemente, altitud) o pueden ser relativos en el tiempo (por ejemplo, en diferentes instantes del día o una función de la posición de los satélites en el cielo). Además, se pueden determinar algunos patrones (por ejemplo, ciertas ubicaciones pueden tener umbrales diferentes, por ejemplo, en áreas rurales en contraposición a áreas urbanas densas).
La información de que el multitrayecto puede convertirse en severo en una ubicación venidera puede desencadenar contramedidas, reacciones o adaptaciones.
En una de las formas de realización, se determina la distancia relativa entre el primer y segundo receptores. La distancia o posición relativa entre receptores se puede determinar de muchas maneras. En una de las formas de realización, se pueden usar dobles diferencias de mediciones de GNSS. También se pueden usar restricciones geométricas para mejorar adicionalmente la determinación de esta distancia relativa.
El conocimiento de la geometría de la disposición (posibles trayectorias) de los receptores puede hacer que mejore la precisión de posicionamiento (no es necesario hacer o recibir ninguna suposición sobre esta geometría). Ventajosamente, la geometría subyacente entre receptores se puede tener en cuenta para mejorar de manera adicional la precisión y la fiabilidad del posicionamiento). En un tren compuesto por vagones, su trayectoria está limitada en cierta medida por la vía férrea.
La distancia relativa entre receptores se puede recibir y/o se puede calcular y/o se puede medir. El LIDAR, por ejemplo, puede ser una de las muchas técnicas que se pueden usar para medir la distancia relativa entre vehículos. El primer y segundo receptores (y otros receptores asociados) son en general móviles.
En algunas formas de realización, receptores de entre la pluralidad de receptores pueden seguir trayectorias similares. Las trayectorias de los receptores pueden presentar una alta correlación en un tren.
La geometría de la disposición (posibles trayectorias) de los receptores puede ser conocida, al menos en cierta medida. La geometría puede evolucionar a lo largo del tiempo y la dinámica asociada puede ser conocida (en su totalidad o de manera parcial), limitando así el problema y la solución técnicos. La geometría, o distancia relativa, puede ser conocida a priori o se puede estimar/calcular/determinar (de diversas maneras, por ejemplo, en función de las situaciones, por ejemplo, un tren). Pueden tenerse en cuenta condiciones y tolerancias para determinar posibles evoluciones. Por ejemplo, pueden tenerse en cuenta límites de velocidad para delimitar trayectorias, curvaturas máximas de las vías para trenes, etcétera).
Dicho conocimiento de la geometría puede permitir que se mejore el posicionamiento absoluto de Rx2 y/o el posicionamiento relativo de Rx1 (en comparación con el de Rx2).
El receptor Rx2 determina su posición por sí mismo (asistido por parámetros de multitrayecto comunicados por Rx1) y con conocimiento adicional de dicha geometría. El receptor Rx2 también puede comparar su posición “definida independientemente” con su posición “teórica” proveniente de consideraciones geométricas.
En una de las formas de realización, la posición del primer y/o segundo receptores se determina mediante una o más de odometría y/o medición inercial y/o reconocimiento de imágenes.
En una de las formas de realización, la posición relativa de un receptor con respecto a otro se determina mediante una o más de medición de señales ópticas y/o de radar y/o de radiofrecuencia. En alguna forma de realización, la posición absoluta (longitud, latitud, altitud) de un receptor se puede determinar para combinar la posición relativa del receptor con respecto a otro. Considerando que este último presenta una posición absoluta determinada.
En una de las formas de realización, parámetros de multitrayecto están asociados a condiciones de validez en el tiempo y/o el espacio.
El multitrayecto está vinculado con la posición de un satélite en el cielo. Puesto que los satélites de GNSS se están moviendo en el cielo con respecto a una posición fija en tierra, en general el multitrayecto evoluciona a lo largo del tiempo. Obstáculos temporales pueden conducir a más reflexiones y a un posicionamiento imperfecto. Por ejemplo, un dispositivo de GNSs ubicado en las proximidades de un camión puede registrar valores elevados de multitrayecto los cuales no serían vistos por otros dispositivos en un momento posterior. Incluso en una ubicación fija, por ejemplo, en medio de una calle con edificios altos a ambos lados, el entorno del multitrayecto, para cada satélite de GNSS visto desde esa posición, puede evolucionar a lo largo del tiempo.
En algunas formas de realización, se puede trabajar con mapas de multitrayecto.
Aunque la invención se centra en primer lugar en usos de corto plazo del multitrayecto estimado, más a la larga se pueden “eludir” datos de multitrayecto provenientes de una pluralidad de receptores, es decir, los mismos se pueden recoger y consolidar para usos de más largo plazo (por ejemplo, estadística). Se pueden establecer, por ejemplo, mapas de multitrayecto colaborativos y transitorios (por ejemplo, análisis estadísticos para planificaciones urbanas, etcétera).
La información de multitrayecto se puede almacenar en un mapa o en una base de datos. Dicha información se puede visualizar en forma de una capa sobre información de mapas existentes (mapas web). En una de las formas de realización, por ejemplo, Rx1 puede crear un mapa de multitrayecto, y Rx2 puede usar este mapa. En algunas formas de realización, Rx2 puede contribuir, junto con otros conectados.
Con el paso del tiempo y/o acumulando datos, se pueden crear mapas de multitrayecto fiables. Cuanto más tráfico, más datos. La frecuencia de refresco y la precisión de los valores de corrección del multitrayecto es en general proporcional al tráfico. Cuando pueda observarse un tráfico intenso, pueden usarse grandes cantidades de datos para mitigar el multitrayecto. En áreas urbanas asociadas a un tráfico denso (por ejemplo, autopistas, centros comerciales, etcétera), se pueden recoger cantidades significativas de datos y se puede llevar a cabo una eficiente gestión adicional del multitrayecto (por ejemplo, corrección, supresión, mitigación, etcétera). En áreas desiertas o vacías, la recopilación de datos puede llevar algo más de tiempo (pero al menos hay disponibles algunos datos). Los mapas de multitrayecto se pueden usar para corregir medidas locales, y/o para mejorar la estimación del PVT y/o para adaptar la estrategia de navegación. Se pueden recuperar mapas actualizados bajo demanda (de manera ocasional o regular). En áreas con aglomeraciones, es decir, con más datos, la frecuencia de refresco de los mapas y el seguimiento de la eficacia de las correcciones pueden ser superiores. En algunas formas de realización, se pueden recoger datos de multitrayecto para cada elevación y azimut posibles y para cada satélite de G.N.S.S. posible.
En una de las formas de realización, el multitrayecto se estima satélite a satélite en una constelación de GNSS. Puesto que cada satélite de GNSS en una constelación tiene un ID, se puede estimar el multitrayecto para cada pareja (ID de constelación, ID de satélite). En una de las formas de realización, se puede estimar el multitrayecto para una pluralidad de satélites de una constelación de GNSS. Se puede estimar el multitrayecto para una o más constelaciones (por ejemplo, GPS/Galileo/GLONASS/BeiDou).
En una de las formas de realización, solamente se tiene en cuenta una constelación de GNSS. En algunas formas de realización, pueden tenerse en cuenta una pluralidad de constelaciones (por ejemplo, algunas constelaciones se pueden ignorar o filtrar o excluir). En algunas formas de realización, pueden tenerse en cuenta todas las constelaciones (o cada constelación accesible).
Dentro de una constelación, se pueden tener en cuenta uno o más satélites. Algunos satélites se pueden ignorar o filtrar o excluir. En algunas formas de realización, se pueden usar la elevación del satélite y otros parámetros o bien para incluir o bien para excluir satélites.
Entre los tiempos ti y ti+1, el receptor Rx2 puede continuar determinando su posición de diferentes maneras. El segundo receptor Rx2 puede usar recursos internos o externos para estimar de antemano o proactivamente el tiempo en el que el mismo estará ocupando la posición del primer receptor Rx1 aguas arriba (y en el que estará recibiendo el multitrayecto estimado).
En algunas formas de realización adicionales, puede usarse una aumentación del GNSS. La aumentación del GNSS designa métodos de mejora de los atributos del sistema de navegación, tales como la precisión, la fiabilidad y la disponibilidad, a través de la integración de información externa en el proceso de cálculo. En una de las formas de realización, se puede usar el sistema de aumentación basado en satélites (SBAS) (por ejemplo, WAAS en los Estados Unidos, EGNOS en Europa, SDCM en Rusia, QZSS en Japón, IRNSS en India, etcétera). Ventajosamente, la duración del multitrayecto válido/estable se puede incrementar con dichas aumentaciones. En algunas formas de realización, de manera sustitutoria o adicional, se puede usar un sistema de aumentación basado en tierra (GBAS) y/o un sistema de aumentación regional basado en tierra (GRAS).
Usando la aumentación del SBAS, se puede incrementar la precisión (difusión de correcciones) y se refuerza la confianza en dichos sistemas, así como la integridad (por ejemplo, mensajes de validez). Algunos de los satélites de SBAS se pueden usar en modos de “geo-ranging” (es decir, para llevar a cabo mediciones de pseudodistancias con dichos satélites). Asimismo, para estos tipos de satélites se puede estimar el multitrayecto.
El primer receptor y el segundo receptor están montados en un tren.
Dicho uno o más parámetros estimados representativos del multitrayecto sobre el eje de un satélite es una diferencia residual entre pseudodistancias de código medidas y predichas después de la deducción de errores modelados, y en donde los errores modelados comprenden errores de relojes de satélites, errores de relojes de receptores, errores ionosféricos y errores troposféricos.
Dicho uno o más parámetros estimados representativos del multitrayecto comprenden los residuos en el primer dispositivo de posicionamiento, correspondiéndose dichos residuos con la diferencia entre las pseudodistancias de código medidas y las predichas/estimadas.
Cuando el primer receptor Rx1 estima su posición, también estima los “residuos” que designan la diferencia entre las mediciones de fase de portadora o pseudodistancias de código medidas y predichas/estimadas. Los residuos comprenden el error de posición del receptor y derivas del reloj, más el modelado defectuoso y errores de ruido de medición. El valor de estos residuos permite estimar el multitrayecto que perjudica o afecta a las medidas de código para el primer receptor Rx1 en el momento del cálculo y en su ubicación considerada. Todos los errores que no son debidos al multitrayecto se tienen en cuenta supuestamente (es decir, modelados adecuadamente o insignificantes, por ejemplo, en comparación con rendimientos deseados).
Etapas del método descrito se pueden implementar en general en receptores de GNSS estándar o existentes (sin modificaciones de hardware, con la excepción de las capacidades de comunicación, si las mismas no estuvieran ya presentes). Dispositivos de GNSS pueden ejecutar un programa de software que puede materializar una o más de las etapas descritas. Un receptor existente se puede modificar de manera que pueda recibir y trabajar con mediciones que se originen en otro receptor y pueda usar algoritmos/etapas para determinar el multitrayecto. En una de las formas de realización, el método comprende además la determinación y la comunicación, por parte del segundo receptor, de un indicador de la precisión estimada de su posición espacial determinada al primer receptor.
En una de las formas de realización, el método comprende además la determinación, por parte del primer receptor, de su posición espacial, con respecto al segundo receptor usando sus propias mediciones de GNSs y la posición recibida y medición mediante posicionamiento diferencial.
En una de las formas de realización, el método comprende además repetir etapas para otro satélite de las constelaciones de GNSS y/o en un tiempo posterior (momentos o instantes en el tiempo, por ejemplo, tj > ti, siendo i y j enteros).
Etapas del método se pueden someter a iteraciones repetidas. Se puede comunicar una estimación nueva en Rx1 al Rx2 para mejorar adicionalmente el posicionamiento de Rx2 o de otro receptor sucesivo con la estimación llevada a cabo en Rx2, etcétera.
La estimación de la segunda posición se puede determinar de diferentes maneras.
En una de las formas de realización, la determinación de la estimación de una segunda posición del dispositivo de posicionamiento se obtiene mediante la sustitución de los residuos calculados en la primera posición por el parámetro o parámetros representativos del multitrayecto en la primera posición.
En una de las formas de realización, el servidor puede recibir, almacenar y restituir los residuos o parámetros representativos del multitrayecto en la posición del primer receptor de GNSS.
En una de las formas de realización, el método comprende, además, la etapa de que el segundo receptor determine y comunique un indicador de la precisión estimada de su posición espacial determinada al primer receptor.
En una de las formas de realización, el método comprende, además, la etapa de que el primer receptor determine su posición espacial, con respecto al segundo receptor usando sus propias mediciones de GNSS y la posición recibida y medición por posicionamiento diferencial.
En una de las formas de realización, el método comprende, además, la etapa de repetir etapas para otro satélite de las constelaciones de GNSS y/o en un tiempo posterior.
Se divulga un programa de ordenador que comprende instrucciones para llevar a cabo una o más etapas del método cuando dicho programa de ordenador se ejecuta en un dispositivo de ordenador.
A continuación, se describen otras formas de realización.
La figura 1 ilustra ejemplos de etapas de un método presentado con fines ilustrativos.
El sistema según la invención comprende dos receptores. El “primer” receptor Rx1 (101) y el “segundo” receptor Rx2 se mueven sustancialmente en una misma dirección. En una disposición de este tipo, el receptor puede estar situado “aguas arriba” (o delante) y el segundo receptor puede estar situado “aguas abajo” (o detrás), teniendo en cuenta la dirección del desplazamiento en conjunto. De este modo, el primer receptor es el primero que se encuentra con obstáculos que provocan multitrayecto, en caso de que los hubiera.
El segundo receptor Rx2 (102), situado aguas abajo, determina su posición, código y fase (PCP). A continuación, comunica dicho PCP al primer receptor Rx1 (101), situado aguas arriba, que determina su posición gracias a las mediciones de posición, código y fase de portadora de Rx2 y las mediciones de código y fase de portadora de Rx1. El receptor Rx1 determina o estima el multitrayecto y comunica dicho multitrayecto (parámetros) a Rx2.
En la etapa 110, un segundo receptor Rx2 (102) determina su posición espacial (concretamente mediante un algoritmo de PVT), junto con sus mediciones de código y fase de GNSS. En otras palabras, la posición del receptor Rx2 se conoce con una precisión suficiente (por ejemplo, con un margen de error inferior a un umbral predefinido, de manera que dicho umbral está, por ejemplo, en función de errores que serán detectados, por ejemplo, errores de multitrayecto u otros errores). La posición puede ser determinada directamente por el propio receptor Rx2 ó indirectamente (por ejemplo, usando uno o una combinación de odometría, Unidad de Medición Inercial, cámara y algoritmo basado en visión, etcétera).
En la etapa 120, la posición espacial del segundo receptor Rx2, junto con medidas de código y fase de GNSS se comunican a un primer receptor Rx1 (101). La posición de GNSS del receptor Rx1 es desconocida a priori.
En la etapa 130, el primer receptor Rx1 (101) determina su posición espacial usando las mediciones de posición espacial, código y fase de portadora de Rx2 y la medición de código y fase de portadora de Rx1 según al menos cuatro ejes satelitales. En otras palabras, el primer receptor Rx1 determina su posición gracias a sus propias medidas y/o cálculos, además de medidas del segundo receptor Rx2 y de la posición de Rx2. En una de las formas de realización, la determinación del posicionamiento es un posicionamiento diferencial (por ejemplo, usando una doble diferencia de las medidas de la fase de portadora). Una vez que el primer receptor Rx1 estime su posición, también estima los residuos en un punto de referencia que está definido de manera adicional. El término “residuos” designa la diferencia entre las mediciones de fase portadora o pseudodistancias de código medidas y las predichas/estimadas. Los residuos comprenden el error de posición del receptor y las derivas del reloj, más un modelado erróneo y errores de ruido de medición. Como se describe posteriormente, la mayoría de componentes de los residuos se pueden modelar usando diferentes métodos. Según la invención, la diferencia entre los residuos y los errores y términos conocidos a partir de un modelo proporcionarán una estimación del multitrayecto que perjudica o afecta a las medidas de código para el primer receptor Rx1 en el momento del cálculo y en su ubicación considerada.
En algunas formas de realización, al multitrayecto estimado se le pueden asociar parámetros de validez en el espacio y/o en el tiempo. Por ejemplo, el primer receptor Rx1 puede estar en movimiento, con respecto a Rx2. En relación con el tiempo, el multitrayecto estimado se puede considerar válido durante unos pocos segundos (hasta varios minutos en aplicaciones particulares). En relación con el espacio, uno de los valores ejemplificativos (esfera o distancia para el multitrayecto válido) puede ser 1.5 metros. Dicha obsolescencia/validez controlada del multitrayecto puede ser ventajosa en formas de realización específicas (por ejemplo, convoyes de vehículos). Metadatos de validez/obsolescencia asociados al multitrayecto se pueden almacenar y usar de varias maneras. El almacenamiento se puede distribuir físicamente (por ejemplo, unidades de memoria distribuidas en el entorno y/o en receptores en vehículos) y/o en términos lógicos (por ejemplo, en la Nube). El uso de dichos metadatos puede ser diverso (por ejemplo, dichos metadatos de validez/obsolescencia se pueden comunicar junto a la comunicación de parámetros de multitrayecto entre vehículos).
En la etapa 140, el primer receptor Rx1 evalúa o estima parámetros de multitrayecto, según cualquier planteamiento conocido.
En la etapa 150, se reenvía información de multitrayecto a uno o más dispositivos.
El primer receptor Rx1 comunica dichos parámetros de multitrayecto estimados al receptor Rx2.
En una de las formas de realización, el primer receptor Rx1 comunica dichos parámetros de multitrayecto estimados tanto al segundo receptor Rx2 como a un tercer receptor Rx3, el cual es probable que esté situado en una ubicación próxima a la de Rx1 unos momentos más tarde. En otras palabras, cuando otro receptor (por ejemplo, Rx2 ó Rx3) está - o pudiera estar - situado en las proximidades de la posición del primer receptor (es decir, proximidad física inmediata en la que el multitrayecto ha sido estimado por Rx1, típicamente dentro de un alcance especificado) y dentro de un espacio de tiempo especificado, dicho otro receptor Rx2 o Rx3 puede modificar (por ejemplo, mitigar, corregir, ponderar, mejorar, depurar, contextualizar) sus propias medidas gracias al multitrayecto estimado. La obsolescencia/validez del multitrayecto puede depender de múltiples parámetros, que comprenden la velocidad de movimiento de receptores, condiciones ambientales, etcétera. El alcance especificado, por ejemplo, puede depender de la configuración del terreno/suelo por el que se desplazan los vehículos en movimiento. En una autopista delimitada constantemente por edificios idénticos o similares, la estimación del multitrayecto puede ser válida durante decenas de metros, aunque se puede introducir una discontinuidad por un cambio del terreno, por ejemplo, en una salida de la autopista. La amplitud del espacio de tiempo especificado también puede depender de la velocidad de cambio de la elevación angular de los satélites a la vista. Puesto que los satélites recorren una órbita completa en aproximadamente 12 horas, esto da una velocidad de cambio de aproximadamente 30 grados por hora (dependiendo de la inclinación de la órbita), o medio grado por minuto. En otras palabras, puesto que un cambio de 5° no afectará mucho a las trayectorias de señales en la Línea de Visión, puede ser aceptable una validez de en torno a 10 minutos. Dicho alcance se puede cambiar en caso de que un obstáculo móvil, como un tren o un camión, se acercase al receptor y cambiase las reflexiones por multitrayecto secundarias.
Ventajosamente, para mejorar la precisión y/o fiabilidad de la determinación del posicionamiento se puede tener en cuenta la geometría de las carreteras. Por ejemplo, puede resultar ventajoso tener en cuenta una distancia/tiempo de validez menor, especialmente cuando la trayectoria de los vehículos es muy determinista como en el caso de los diferentes vagones de un tren.
Ventajosamente, se pueden usar mapas de multitrayecto (por ejemplo, sistemas de información geográfica, cartografía) para mejorar la precisión y/o la fiabilidad del posicionamiento, por ejemplo, como referencias externas a los receptores.
Según la invención, los efectos de multitrayecto también incluyen atenuación de la señal, completa o parcial entre satélites de GNSS y receptores de GNSS. En algunas formas de realización se puede tratar con interferencias deliberadas de señales de GNSS o suplantación de señales de GNSS. Por ejemplo, en la forma de realización descrita en la figura 1, en las etapas 130 y/ó 140 se pueden detectar interferencias deliberadas o suplantación de señales. Adicionalmente, se pueden usar residuos para, además, detectar, localizar o caracterizar dicho entorno de interferencias deliberadas o suplantación.
Algunas formas de realización de la invención pueden implementar un mecanismo de integridad de GNSS de dos etapas mientras se determina una Posición, Velocidad y Tiempo (PVT) de GNSS. Por ejemplo, si tanto los valores de PVT determinados por Rx1 según formas de realización de la invención como los valores de PVT determinados según el estado de la técnica se consideran idénticos (margen(es) predefinido(s) por módulo), entonces se puede confirmar la integridad del PVT del GNSS.
En algunas formas de realización, se pueden usar mapas de multitrayecto (por ejemplo, sistemas de información geográfica, cartografía) que comprenden atenuación y/o interferencias deliberadas y suplantación de señales para mejorar la integridad y/o fiabilidad del posicionamiento, por ejemplo como referencias externas a los receptores.
En algunas formas de realización, se pueden detectar y se puede realizar un seguimiento de emisor(es) de señales interferentes deliberadas o suplantador(es) de señales de GNSS, fijos o móviles. Por ejemplo se puede llevar a cabo una triangulación para precisar la ubicación y/o velocidad y/o tiempo del emisor de señales interferentes deliberadas o suplantador de señales.
A continuación se proporcionan algunos detalles más sobre los cálculos.
La posición (aproximada) en el espacio de Rx1 (x, y, z) puede ser conocida o se puede determinar. Por ejemplo, la misma se puede conocer a partir de ciclos de cálculo previos o a partir de un valor determinado en la inicialización del receptor de GNSS (que puede ser el último valor calculado después de apagar del receptor). No se requiere estrictamente una posición aproximada. La posición de Rx1 se puede deducir a partir del PCP de Rx2 por ejemplo mediante doble diferencia. De manera más precisa, conociendo la posición de Rx2, resulta posible determinar la posición de Rx1, de allí el término Di de la ecuación 1).
El sesgo del reloj del receptor Cb S sy E s C T de Rx1 asociado a esta posición no se conoce.
Se tienen en cuenta supuestamente los errores (todos ellos) que no son debidos al multitrayecto y los mismos se modelan adecuadamente (o se desprecian en comparación con rendimientos deseados). El modelo - o la combinación de modelos - tiene en cuenta todas las fuentes de errores, por ejemplo, troposfera, ionosfera, según planteamientos del estado de la técnica, incluidas combinaciones libres de ionosfera de frecuencia dual.
La medición de la pseudodistancia PRi se corresponde con la medición de código llevada a cabo por Rx1 para un satélite i, que en general se puede modelar como:
(ecuación 1)
en donde Di (x, y, z) es la distancia geométrica entre la antena del primer receptor Rx1 y el satélite I. Di es conocida una vez que se conoce la posición de Rx1 gracias al posicionamiento diferencial con Rx2 y el conocimiento preciso de la posición de Rx2;
en donde Cb R m EC T es el sesgo de reloj entre el reloj del primer receptor Rx1 y el tiempo del sistema de la constelación de GNSS "SYST” que se está usando. Este sesgo no es conocido.
en donde Cb M SY C ST es el sesgo de reloj entre el reloj del satélite i y el reloj del sistema. Este sesgo se puede estimar gracias al mensaje de navegación difundido por satélites de GNSS;
en donde ei (Ti resp) se corresponde con el error debido al desplazamiento a través de la ionosfera (respectivamente troposfera), que se puede modelar mediante un etheo (respectivamente Ttheo) teórico o que se elimina mediante combinaciones de frecuencia dual (para ei);
en donde MPi se corresponde con el error debido a multitrayecto que perjudica al satélite i, parámetro que no es conocido y que debe determinarse;
en donde c es la velocidad de la luz en el vacío, y
en donde £ es la suma de otros errores (por ejemplo, el ruido que afecta a la pseudodistancia, siendo dicho ruido supuestamente de distribución Gaussiana).
np'íw
El modelo de pseudodistancia J ^ se puede expresar sin MPi como:
PR?,e° = D ¿ X,y ,= )-c *C b ™ etheo+Tt t ¡ heo (ecuación 2)
El sesgo del receptor Cb R SY E S C T en el instante de tiempo t se puede estimar calculando momentos estadísticos (por ejemplo, media, mediana) de los valores PR> ~ PRf'e°
Los errores debidos al multitrayecto (para cada satélite i) se pueden estimar con:
MPrmiie =PR ,-PR 'heo-c*C'bÍ
(ecuación 3)
A la vista de estos elementos, entre el Rx1 101 y el Rx2 102 se comunican algunos datos. Se pueden comunicar de forma ventajosa ciertos datos, por ejemplo, indicadores de calidad o mediciones de código y/o de fase de portadora. En general se requieren ciertos datos para aplicar un posicionamiento diferencial (por lo menos mediciones de código y la posición de Rx2).
Desde Rx2 (aguas abajo) a Rx1 (aguas arriba), dichos datos comunicados comprenden la ubicación precisa de Rx2 y uno o más indicadores de calidad asociados a dicha posición de Rx2 (por ejemplo, Doppler, relación señal/ruido, etcétera), mediciones de código (pseudodistancias) y fase de portadora.
Desde Rx1 (aguas arriba) a Rx2 (o a otro receptor Rx3 situado aguas abajo o a un servidor al que se accede de manera remota), se transmiten datos que comprenden el multitrayecto estimado (por ejemplo, para uno o más satélites, cuando no cada uno o la totalidad de los satélites), junto con las fechas (tiempo) y posiciones (espacio) en las que se han llevado a cabo estas estimaciones.
Los intercambios de datos entre Rx1 y Rx2 pueden ser directos (sin entidades intermediarias) y/o indirectos (por ejemplo, por medio de una estación base o retransmisor).
En algunas formas de realización, la geometría de Rx1 y Rx2 puede ser específica. Rx2 está en movimiento, igual que Rx1. Además, Rx2 (101) llega a un punto ocupado previamente por Rx1 (102) (según se describe de forma más detallada en la figura 2, en donde a lo largo del tiempo se ocupan las mismas posiciones exactas, de una manera predecible). Rx2 llega a posiciones próximas a las ocupadas previamente por Rx1.
En algunas formas de realización, se pueden cuantificar parámetros de multitrayecto. Uno o más umbrales (o intervalos de umbrales) se pueden usar para filtrar datos antes de las comunicaciones entre receptores. Por ejemplo, puede no transmitirse el multitrayecto no crítico (parámetros inferiores a uno o más umbrales predefinidos). Por el contrario, también se puede señalizar (por ejemplo, difundir) un multitrayecto crítico, por ejemplo, con una alta prioridad, a otros receptores (por ejemplo, si el ancho de banda de comunicación entre receptores es limitado).
La figura 2 ilustra la invención para sistemas de transporte ferroviario.
La figura muestra un tren que comprende una pluralidad de vagones 201, 202 y 203 provistos de una pluralidad de receptores, por ejemplo, Rx1 101 y Rx2 102. La geometría es conocida en un nivel suficiente y este conocimiento previo se puede aprovechar para mejorar la precisión y/o la fiabilidad del posicionamiento. Para esta mejora se pueden usar muchas técnicas diferentes. Por ejemplo, se pueden añadir algunas restricciones más en un filtro de Kalman usado para determinar la posición de un receptor. Un satélite 230 de una constelación emite una señal de GNSS 225, que se ve perjudicada por reflexiones de multitrayecto provocadas por un edificio u obstáculo 220 cuando son recibidas por el receptor Rx1 101.
En una primera etapa, la posición aguas abajo del segundo receptor Rx2102 se conoce o determina en un instante dado t1 (por ejemplo, se determina de manera directa o indirecta, ubicación fija y conocida, posicionamiento de GNSS propio, etcétera).
En el tiempo t1, con activación, por ejemplo, por parte del receptor Rx1 ó Rx2, el primer receptor Rx1 101 determina su posición (por ejemplo, mediante un cálculo diferencial y/o conociendo la geometría del tren, es decir, la distancia entre Rx1 101 y Rx2 102).
En el tiempo t1, el primer receptor Rx1 101 también estima parámetros de multitrayecto y comunica estos parámetros al segundo receptor Rx2 situado aguas abajo (el tiempo de procesado para determinar el multitrayecto se puede despreciar, así como las duraciones necesarias para las comunicaciones entre Rx1 y Rx2).
En una segunda etapa, en el tiempo t2 (fecha en la que el Rx 102 está situado en una posición próxima a la de Rx1 en el tiempo t1), Rx2 usa los parámetros de multitrayecto recibidos de Rx1 (que estaba situado previamente aguas arriba) para mejorar su posicionamiento. La duración (t2-t1) se puede estimar de diferentes maneras (por ejemplo, mediante odometría y/o sistemas inerciales y/o estimación de la ubicación futura de Rx2, en el caso específico de un tren). De manera alternativa o adicional, pueden usarse sellos [stamping] de tiempo. Como resultado ventajoso, la posición de Rx2 puede ser conocida con una precisión suficiente. El receptor Rx1 (aguas arriba) puede dedicarse a su “exploración” o “descubrimiento” de condiciones ambientales, que serán reevaluadas adicionalmente por Rx2 aguas abajo.
En otras palabras, algunas condiciones geométricas particulares pueden restringir y simplificar de manera ventajosa el problema técnico inicial. En un tren, en el que una secuencia de receptores estará situada en las mismas posiciones espaciales en instantes diferentes, pero dentro de un espacio de tiempo breve, puede aprovecharse el uso de datos recogidos aguas arriba para usos aguas abajo.
La figura 3 ilustra un ejemplo para un grupo de vehículos.
Un grupo de vehículos o convoy designa vehículos motorizados o embarcaciones o aeronaves o UAV que se desplazan juntos, o que se desplazan sobre la misma calle/ruta y en la misma dirección.
Puede describirse alguna otra geometría particular. La figura 3 ilustra un convoy de vehículos 101, 102, 103, 104 y 105 sobre una carretera 399. Los vehículos o sistemas de transporte pueden ser coches y/o camiones, y/o aeronaves antes del despegue (por ejemplo, rodando) y/o drones (por ejemplo, para entrega de productos).
Dicha entidad de convoy, por ejemplo, puede ser un servosistema (vehículos autónomos o automáticos automatizados interdependientes), en su totalidad o en parte. El convoy puede ser temporal (por ejemplo, un sistema de sistemas, por ejemplo, grupos en cambio constante de sistemas de transporte interdependientes e independientes, con coalescencia, redes ad hoc, etcétera). En otras palabras, el perímetro del “convoy” o “grupo de vehículos” puede cambiar a lo largo del tiempo.
Como se ilustra en la figura, el coche de aguas arriba 101 obtendrá su señal de GNSS del satélite 230 perjudicada por el multitrayecto provocado por el obstáculo 220 pero recibirá un PCP del coche 102 que, a continuación, podrá mejorar su posicionamiento.
Relaciones directas o indirectas (no mostradas) entre vehículos pueden mejorar la cooperación potenciada. Por ejemplo, el coche 102 puede comunicar su posición mejorada posteriormente en el tiempo al coche 104. Otras instrumentaciones de infraestructura (por ejemplo, la antena “base” de GNSS fija 310, RFID en tierra/carretera, reconocimiento de imágenes) pueden proporcionar posiciones de referencia exactas que pueden ser tenidas en cuenta de manera adicional. Las implementaciones de hardware del método según la invención pueden ser muy diversas.
Para implementar formas de realización del método descrito son necesarios y suficientes dos receptores. Por ejemplo, etapas del método descrito se pueden implementar en receptores de GNSS estándar o existentes (no se requieren modificaciones de hardware, con la excepción de las capacidades de comunicación, si las mismas no estuvieran ya presentes). Dispositivos de GNSS pueden ejecutar un programa de software que puede materializar una o más de las etapas descritas. En otras palabras, un receptor de GNSS existente se puede modificar de manera que pueda recibir y trabajar con mediciones originadas en otro receptor y pueda implementar las etapas descritas para determinar el multitrayecto.
Algunas etapas del método se llevan a cabo en una tercera entidad, tal como una “ lógica de procesado”, local con respecto al primer receptor. Físicamente, la lógica de procesado puede ser un circuito de extensión conectable a uno de los dispositivos de GNSS.
Dicha lógica de procesado calcula la posición del primer dispositivo de receptor a partir de mediciones del primer receptor de GNSS. Dicha entidad determina también la posición espacial, las mediciones de código y las mediciones de fase de portadora del segundo receptor de GNSS. Esta entidad también estima parámetros representativos de reflexiones de multitrayecto en la posición del primer dispositivo de posicionamiento.
Los parámetros aplicables en la primera posición en el momento de la medición son posiblemente seleccionables para un satélite definido en una constelación definida y/o para condiciones atmosféricas definidas. Los parámetros se han calibrado aplicando el modelo usado para calcular los residuos.
Los métodos divulgados pueden materializarse en una forma de realización totalmente en hardware (por ejemplo, FPGA, SOC), una forma de realización totalmente en software o una forma de realización que contenga elementos tanto de hardware como de software. Formas de realización de software incluyen, aunque sin carácter limitativo, firmware, software residente, microcódigo, etcétera. La invención puede materializarse en un producto de programa de ordenador accesible desde un soporte utilizable por ordenador o legible por ordenador que proporcione código de programa para su uso por o en conexión con un ordenador o cualquier sistema de ejecución de instrucciones. Un soporte utilizable por ordenador o legible por ordenador puede ser cualquier aparato que pueda contener, almacenar, comunicar, propagar o transportar el programa para su uso por o en conexión con el sistema, aparato o dispositivo de ejecución de instrucciones. El soporte puede ser un sistema (o aparato o dispositivo) electrónico, magnético, óptico, electromagnético, de infrarrojos o de semiconductores o un soporte de propagación. Los ejemplos dados a conocer en esta memoria descriptiva son únicamente ilustrativos de algunas formas de realización de la invención. No limitan en modo alguno el alcance de dicha invención el cual queda definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de posicionamiento que comprende un primer receptor de GNSS (101) y un segundo receptor de GNSS (102), estando el primer receptor de GNSS (101) y el segundo receptor de GNSS (102) montados en un tren:
- estando el primer receptor de GNSS (101) configurado para recibir una posición espacial, mediciones de código y mediciones de fase de portadora de señales de GNSS calculadas por el segundo receptor de GNSS (102) a través de un enlace de comunicaciones;
- comprendiendo el primer receptor de GNSS una lógica de procesado configurada para:
o calcular una posición del primer receptor de GNSS a partir de mediciones de código y mediciones de fase de portadora de señales de GNSs , y a partir de la posición espacial, las mediciones de código y las mediciones de fase de portadora de señales de GNSS recibidas desde el segundo receptor de GNSS; y para
o estimar uno o más parámetros representativos de multitrayecto en la posición del primer receptor de GNSS, siendo el parámetro o parámetros estimados una diferencia residual entre pseudodistancias medidas por el primer receptor de GNSS y pseudodistancias predichas usando dicha posición del primer receptor de GNSS, después de la deducción de errores modelados, en el que los errores modelados comprenden errores de reloj de satélite, errores de reloj de receptor, errores ionosféricos y errores troposféricos;
en el que la lógica de procesado está configurada asimismo para comunicar al segundo receptor de GNSS dicho uno o más parámetros representativos de multitrayecto estimados en la posición del primer receptor de GNSS a través del enlace de comunicaciones,
y en el que el segundo receptor de GNSS está configurado para usar dicho uno o más parámetros representativos de multitrayecto estimados por el primer receptor de GNSS, para mejorar su propia posición de GNSS calculada cuando el segundo receptor de GNSS está dentro de un alcance especificado y dentro de un espacio de tiempo especificado de dicha posición del primer receptor de GNSS.
2. Sistema de posicionamiento según la reivindicación 1, en el que el primer receptor de GNSS está configurado asimismo para comunicar uno o más indicadores de severidad de multitrayecto.
3. Sistema de posicionamiento según la reivindicación 1, en el que se determina la distancia relativa entre el primer y segundo receptores de GNSS.
4. Sistema de posicionamiento según la reivindicación 1, en el que uno o más parámetros representativos de multitrayecto están asociados a condiciones de validez en el tiempo y/o el espacio.
5. Sistema de posicionamiento según la reivindicación 1, en el que uno o más parámetros representativos de multitrayecto son estimados para una pluralidad de satélites de una constelación de GNSS.
6. Sistema de posicionamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende asimismo un tercer receptor de GNSS montado en el tren, estando la lógica de procesado configurada asimismo para comunicar al tercer receptor de GNSS dicho uno o más parámetros representativos de multitrayecto, y estando el tercer receptor de GNSS configurado para usar dicho uno o más parámetros representativos de multitrayecto estimados por el primer receptor de GNSS con el fin de mejorar su propia posición de GNSS calculada cuando se está dentro de un alcance especificado y dentro de un espacio de tiempo especificado de dicha posición del primer receptor de GNSS.
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