BR102012006120A2

BR102012006120A2 - processo e sistema para determinar alterações temporais na retransmissão e propagação de sinais, para medir distâncias, sincronizar atuadores e georeferenciamento

Info

Publication number: BR102012006120A2
Application number: BR102012006120A
Authority: BR
Inventors: Levit Kaufmann Pedro; Kaufmann Pierre
Original assignee: Inst Presbiteriano Mackenzie
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2018-09-18
Also published as: BR102012006120B1

Abstract

processo e sistema para determinar alterações temporais na retransmissão e na propagaçao de sinais, para medir distancias, sincronizar atuadores e georeferenciamento. a solução proposta compreende a utilização de quatro bases de referência (a,b,c,d) no solo, em posições conhecidas, para que de uma delas seja emitido um sinal codificado que é retransmitido pela estação repetidora e recebido em cada uma das bases de referência (a,b,c,d) com o uso de dois conjuntos distintos de três bases de referência, são calculadas as diferenças entre duas posições da estação repetidora (r), atribuindo-se, à essa última, alterações temporais, de fase ou de freqúência, com diferentes valores, bem como alterações temporais devido à propagação dos sinais no meio, para os respectivos ângulos de elevação encontrados para a estação repetidora (r). pode ser então identificado qual dos valores, atribuidos à alteração temporal, resulta numa diferença mínima entre as respectivas duas posições da estação repetidoral (r) o valor de variação temporal identificado pode ser usado na determinação correta da posição da estação repetidora e seu uso em aplicações pertinentes.

Description

(54) Título: PROCESSO E SISTEMA PARA DETERMINAR ALTERAÇÕES TEMPORAIS NA RETRANSMISSÃO E PROPAGAÇÃO DE SINAIS, PARA MEDIR DISTÂNCIAS, SINCRONIZAR ATUADORES E

GEOREFERENCIAMENTO (51) Int. Cl.: G01S 5/02 (73) Titular(es): INSTITUTO PRESBITERIANO MACKENZIE (72) Inventor(es): PIERRE KAUFMANN; PEDRO LEVIT KAUFMANN (66) Prioridade Interna: PI 1102017-2 de 18/04/2011 (85) Data do Início da Fase Nacional:

19/03/2012 (57) Resumo: PROCESSO E SISTEMA PARA DETERMINAR ALTERAÇÕES TEMPORAIS NA RETRANSMISSÃO E NA PROPAGAÇAO DE SINAIS, PARA MEDIR DISTANCIAS, SINCRONIZAR ATUADORES E

GEOREFERENCIAMENTO. A solução proposta compreende a utilização de quatro bases de referência (A,B,C,D) no solo, em posições conhecidas, para que de uma delas seja emitido um sinal codificado que é retransmitido pela estação repetidora e recebido em cada uma das bases de referência (A,B,C,D) Com o uso de dois conjuntos distintos de três bases de referência, são calculadas as diferenças entre duas posições da estação repetidora (R), atribuindo-se, à essa última, alterações temporais, de fase ou de freqúência, com diferentes valores, bem como alterações temporais devido à propagação dos sinais no meio, para os respectivos ângulos de elevação encontrados para a estação repetidora (R). Pode ser então identificado qual dos valores, atribuídos à alteração temporal, resulta numa diferença mínima entre as respectivas duas posições da estação repetidoral (R) O valor de variação temporal identificado pode ser usado na determinação correta da posição da estação repetidora e seu uso em aplicações pert(...)

FIG. 1

PROCESSO E SISTEMA PARA DETERMINAR ALTERAÇÕES TEMPORAIS NA RETRANSMISSÃO E PROPAGAÇÃO DE SINAIS PARA MEDIR DISTÂNCIAS, SINCRONIZAR ATUADORES E GEOREFERENCIAMENTO Campo da invenção

A presente invenção diz respeito a um processo e a um sistema para determinar alterações temporais de atrasos de fase e de frequência, em uma estação repetidora de sinais, posicionada de modo remoto e inacessível e estando operativamente associada a um conjunto de bases transmissoras e receptoras, instaladas no solo, em posições geodésicas conhecidas, bem como alterações temporais devido à propagação dos sinais no meio em que se propagam, permitindo a obtenção de medidas de distância, de navegação e de posicionamento geográfico, relativas à estação repetidora inacessível, e ainda de sincronismo de tempo, medidas essas corrigidas pela determinação das alterações de frequência (atrasos de fase) e de tempo na estação repetidora remota de sinais. A proposta provê uma solução inovadora para a determinação remota de alterações temporais e dos tempos de trânsito dos sinais recebidos e retransmitidos por estações repetidoras ou transponders de sinais operando em condição inacessível e das alterações adicionais causadas pela propagação dos sinais nos meios em que se propagam.

Antecedentes da invenção

O eco de um sinal enviado e retransmitido é usado para medir as distâncias de objetos remotos. A precisão das determinações depende, inteiramente do conhecimento e da correção dos efeitos temporais que ocorrem na repetidora, causados por quatro fatores principais: (a) velocidade de propagação no meio, (b) propagação pelos cabos e instrumentos na transmissão, (c) propagação pelos cabos e instrumentos na recepção final, e (d) na retransmissão pelo objeto remoto (repetidora) cuja distância é procurada.

Os modelos descrevendo (a) são, em geral, bem conhecidos para propagação em diferentes meios (ionosfera e troposfera terrestre) bem como no espaço (J.W. Marini, Correction of satellite tracking data for an arbitrary tropospheric profile, Radio Sei., 7, 223-231, 1974; J.A. Klobuchar, Design and characteristics of the GPS ionospheric time delay algorithm for single frequency users, em PLANS '86 - Position Location and Navigation Symposium, Las Vegas, NV, Nov. 4-7, 1986, Record (A8741351 18-17), New York, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1986, pp. 280-286, 1986; S.M. Hunt et al. , Equatorial atmospheric and ionospheric modeling at Kwajalein missile range, Lincoln Laboratory Journal, vol. 12, pp. 45-64, 2000; S.M. Honma,Y. Tamura e M.J. Reid, Tropospheric delay calibrations for VERA, Publ. Astron.Soc. Japan, vol. 60, pp. 951-960, 2008; T.S. Radovanovic, Adjustment of satellite-based ranging observations for precise positioning and deformation monitoring, PhD dissertation, Department of Geomatics Engineering, University of Calgary, Canadá, UCCGR Reports Nr. 20166, 2002, e referências ali citadas). Após escolha de modelo apropriado, os efeitos de propagação nas alterações temporais deverão ser calculados em função da distância e do ângulo de elevação segundo os quais a repetidora é mirada, parâmetros estes que também não são conhecidos antecipadamente.

Os fatores (b) e (c) são medidos diretamente, com precisão e experimentalmente.

O fator (d), porém, é indeterminado, pois o objeto remoto é inacessível para medidas diretas e sujeito a mudanças nas suas características de propagação interna de sinais, as quais podem variar com o tempo, ou para cada sequência de sinais utilizados para determinar a sua distância. Alem destes, outras alterações temporais por efeito Doppler e aqueles previstos pela relatividade podem se tornar importantes para repetidoras transportadas por satélites ou espaçonaves, em movimento rápido, relativo a um sistema referencial contendo os pontos em relação aos quais remoto

Ainda se pretende determinar a distância do objeto consideradas relativistico, temporal, podem ser tempo por efeito (objeto remoto) passa como efeitos de natureza as alterações no quando o satélite por distintos potenciais gravitacionais em relação ao geóide (Ashby, N., Relativity and the global positioning System, Physics Today, 55, pp. 41-47, 2002; Larson, K.M. et al., An assessment of relativistic effects for low Earth orbiters: the GRACE satellites, Metrologia, 44, pp. 484-490, 2007).

Por outro lado, no caso de utilização de meteoros como transponders refletores, atrasos de fase poderão ser causados pelo espalhamento dos sinais nas trilhas ionizadas (Wislez J.-M., Forward Scattering of Radio Waves of Meteor Trails, Proceedings of the International Meteor Conference, Brandenburg, Alemanha, pp.99-117,

1995).

Sinais eletromagnéticos, como sinais de rádio, podem ser enviados a grandes distâncias através do uso de enlaces de retransmissão. Estes enlaces recebem a transmissão, detectam, armazenam, ou não, amplificam e retransmitem os sinais de rádio para as direções de interesse.

Essas tecnologias são muito conhecidas e de domínio público, razão pela qual não serão aqui descritas.

A transmissão sem fio, de informações à distância, é realizada por tecnologias bem conhecidas, fazendo uso de ondas eletromagnéticas (o.e.m.) como portadoras. As ondas eletromagnéticas de rádio são as mais amplamente utilizadas, sendo que, na atualidade, as técnicas de telecomunicações sem fio se estendem para o.e.m. nas faixas de frequência correspondentes ao infravermelho, ao visível, ao ultravioleta e aos raios-x.

Para telecomunicações a maiores distâncias, são utilizados enlaces, que recebem e retransmitem os sinais, na mesma freqüência ou em freqüências diferentes. Os enlaces podem ser naturais, tais como por reflexão de terrestre ou por ionosféricas e na

o.e.m. de espalhamento rádio na ionosfera em inhomogeneidades troposfera e por reflexão em trilha ionizadas de meteoros na alta atmosfera terrestre, entre outras.

Inúmeras opções de enlaces artificiais foram implementadas e utilizadas, destacando-se uma variedade de repetidoras, retransmissores, genericamente designados de transponders, instalados no solo ou no espaço, a bordo de uma plataforma em satélite artificial.

No enlace de retransmissão, as o.e.m. sofrem atrasos de fase causados pelas etapas eletrônicas pelas quais se propagam. Em grande número de aplicações, este efeito não traz nenhuma consequência aos sinais transportados, os quais são retardados, por igual e em conjunto, por 15 frações de tempo, não importando ao usuário. É o caso de rádio-transmissões sem fio de áudio e video.

Entretanto, em aplicações de intercomunicação, como em técnicas de telefonia celular, telecomunicação digital, é requerido sincronismo dos sinais nos enlaces. Padrões de 20 tempo e frequência de referência devem ser comuns e sincronizados em cada enlace de uma rede de telecomunicação sem fio. O uso de padrões atômicos de tempo e freqüência em cada enlace seria uma solução, porém nem sempre prática e certamente dispendiosa.

Modernamente, este sincronismo nos enlaces é conseguido através de padrões de tempo referidos aos satélites GPS, ou a constelações similares de satélites de posicionamento. São os chamados relógios GPS conferem precisão e estabilidade da ordem de centenas de 30 nano-segundos, ou seja, em grau suficiente para assegurar o referencial para os circuitos eletrônicos operados nos enlaces (T.A. Clark and R.H. performance of low cost GPS

Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, 35 Reston, Virgínia, USA, 7 December, 2006).

Os cálculos para determinação de distâncias a partir dos ecos de sinais transmitidos e recebidos são geoque

Hambly, Improving the timing receivers, 38^th indissociáveis do conhecimento preciso dos atrasos de fase ou das alterações temporais, que ocorrem nos enlaces bem como aqueles causados nos próprios meios de propagação, para que seja obtida a correção dos tempos de propagação dos sinais transportados desde sua origem até o destino, passando pelo enlace de retransmissão. A determinação remota das alterações temporais nas repetidoras e aquelas devidas à propagação nos meios são condições imprescindíveis para viabilizar a utilização dos sistemas e processos para posicionamento geográfico e espacial, fazendo uso de transmissores e receptores de referência no solo e de transponders no espaço, como descrito analiticamente no artigo de P. L. Kaufmann et al., Non recursive algorithm for remote geolocation using ranging measurements, Math. Problems in Engineering, v. 2006, pp. 1-9, Article ID79389, DOI:10.1155/MPE/2006/79389, 2006.

A determinação das alterações temporais na repetidora, bem como aquelas causadas pelos efeitos de propagação, é essencial para viabilizar o correto funcionamento dos conceitos expostos: na Patente de Invenção PI9101270-8, Sistema e processo de posicionamento geográfico e navegação, concedida em 30 de setembro de 1997 e em seu Certificado de Adição C19101270-8, depositado em 17.05.2002; na Patente de Invenção PI03003968-4, Sistema e processo de posicionamento geográfico e espacial, depositada em 8 de outubro de 2003, correspondente ao PCT/BR2004/000190, Geographic and space positioning System and process, depositado em 4 de outubro de 2004 e que resultou, até o momento, nas seguintes patentes já concedidas: US752877B2, de 05/05/09; RU2635934C2 de 27/08/09; e AU 2004277511, de 26/11/2010.

Os atrasos de fase, causados pelos componentes, conversores, cabos e eletrônica do enlace, na transmissão e recepção dos sinais baseados no solo, podem ser medidos com precisão em laboratório e adotados para correção dos dados retransmitidos pelo enlace. Entretanto, o uso caso de repetição por meteoros, os efeitos contínuo e a localização remota e inacessível de um enlace definido, por exemplo, em um satélite, compromete a manutenção dos atrasos previamente determinados e inviabiliza sua atualização. No caso de transponders em satélites, os efeitos temporais relativísticos dependem de sua posição no espaço. No retransmissão em trilhas de temporais dependem da direção da sua ocorrência no céu. Por outro lado muitos transponders possuem processadores internos que causam retardos dos sinais, os quais podem ser distintos a cada sequência de sinais retransmitidos. As dificuldades se acentuam com adição de efeitos físicos imponderáveis que alteram a fase dos sinais - como efeitos de variação de temperatura nos circuitos e componentes eletrônicos na repetidora.

Em satélites, devem ser também considerados os efeitos causados pela relatividade e pelo potencial gravitacional. Estes fatores imprevisíveis, de variação de fase, devem ser levados em conta para garantir a determinação de distâncias retransmissão) de sinais. As causadas pela propagação dos sinais nos meios, podem ser significativas e dependem dos modelos adotados e dos ângulos de elevação de visada das repetidoras, a serem determinados. A determinação destas alterações é condição necessária para viabilizar a aplicação de sistemas e processos de geo-posicionamento, navegação e disseminação de tempo, fazendo uso de referenciais no solo e de transponders no espaço, como acima mencionado.

Sumário da invenção por reflexão (ou alterações temporais,

Em função das exigências operacionais dos sistemas para transmissão sem fio de sinais com a utilização de uma estação repetidora remota e inacessível, e ainda da usual necessidade de determinação precisa e instantânea do posicionamento geográfico da referida estação remota, a presente invenção tem o objetivo de prover um processo e um sistema, de realização relativamente simples e economicamente viável, para permitir a determinação correta e instantânea das alterações temporais, de atrasos de fase e de frequência, na retransmissão e na propagação de sinais, os quais podem conter informações de tempo de áudio e de video ou outras, como sinais codificados de tempo, a partir de uma estação repetidora remota, inacessível e geralmente móvel no espaço.

De acordo com a solução proposta pela presente invenção, é possível determinar, em qualquer instante, o correto posicionamento geográfico e espacial e o ajuste de indicação de tempo de uma estação repetidora, remota e inacessível, a partir da determinação das alterações temporais na retransmissão e propagação dos sinais que a estação repetidora remota, situada a grande distância e compreendendo um transponder (transceptor ou repetidor), recebe de um transmissor de estacionário de sinais de tempo, estacionário em local conhecido e acessível.

De acordo com invenção, o processo para determinar alterações temporais e atrasos de fase em uma estação repetidora de sinais, remota e inacessível, e atrasos de tempo devido para propagação de sinais compreende uma primeira etapa de instalar quatro bases de referência no solo, em posições geográficas conhecidas e visíveis da estação repetidora.

Em seguida, é provida a etapa de emitir, em um instante de referência e a partir de um meio transmissor provido em uma de ditas bases de referência, aqui denominada de base central, um sinal codificado de tempo e contendo a identificação da base de referência emissora e do instante da emissão e a etapa de receber, em um meio receptor instalado em cada uma das quatro bases de referência, o sinal codificado, recebido e retransmitido pela estação repetidora.

A partir das etapas processuais acima mencionadas, passase ao cálculo da diferença entre pelo menos duas posições da estação repetidora para o mesmo sinal codificado de tempo transmitido, posições estas calculadas fazendo uso de pelo menos dois conjuntos distintos de três bases de referência, sendo dita diferença dependente de um valor de alteração temporal, de fase ou de frequência, atribuído à estação repetidora. São então atribuídos, de forma sistemática, diferentes e arbitrários valores de alteração temporal, e calculada, para cada um destes valores atribuídos, diferentes valores para as diferenças entre as duas posições.

De posse das referidas diferenças entre cada duas respectivas posições da estação repetidora, é possível identificar qual dos valores, atribuídos à alteração temporal na repetidora, resulta numa diferença mínima entre duas posições calculadas para a estação repetidora. Os cálculos envolvidos no processo em questão são efetuados de forma iterativa, por exemplo, por aproximações sucessivas, adotando-se vários valores de alteração temporal que possam ter ocorrido na passagem do sinal pela estação repetidora, até que seja encontrado o valor para o qual a diferença entre duas posições calculadas para a estação receptora seja mínima. Este valor define a alteração temporal, de fase ou de frequência, na estação repetidora, deduzida do mínimo encontrado para a diferença de posições da repetidora.

As distâncias das quatro bases de referência à estação repetidora podem ser então corrigidas, adotando-se a alteração temporal determinada. O valor de alteração temporal pode ser então utilizado para a determinação da posição correta da estação repetidora. O mesmo processo iterativo pode incluir outras alterações temporais devido as velocidades de propagação dos sinais características do meio, adotadas a partir de modelos conhecidos de propagação, e usando os ângulos de elevação de visada da repetidora encontrados no mesmo procedimento iterativo.

Em uma possível aplicação do processo, é ainda provida a etapa de determinar as coordenadas da estação repetidora com correção da alteração temporal, de frequência e de fase, para o referido instante de referência.

Em outra aplicação do processo, sinais de tempo são disseminados para outros pontos no solo, com posição geográfica conhecida, para sincronização das respectivas bases de tempo.

Breve descrição dos desenhos

A presente referência invenção será descrita a seguir, fazendo aos desenhos anexos, dados título ilustrativo e nos quais:

A figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática, ilustrando o posicionamento espacial de uma estação repetidora de sinais de tempo, remota e inacessível, em relação a quatro bases instaladas no solo, em posições geográficas conhecidas, pelo menos uma de ditas bases contendo um transmissor de sinais codificados a serem recebidas e retransmitidas pela estação repetidora espacial, com as quatro bases contendo receptores dos sinais retransmitidos pela estação repetidora, sendo que a posição indicada por P indica um alvo cujas coordenadas são conhecidas ou a determinar, conforme a aplicação descrita mais adiante. As quatro bases possuem meios de comunicação a uma estação central de processamento, para onde enviam as diferenças de tempo entre o sinal temporal retransmitido pela repetidora e seus respectivos relógios. Por simplicidade, a estação central de processamento poderá ser a própria base de referência de onde os sinais temporais são transmitidos.

A figura 2 representa uma vista em perspectiva esquemática, ilustrando sistemas de coordenadas, esférico e euclidiano, utilizados para equacionar o posicionamento espacial da estação repetidora, da figura 1; e

A figura 3 representa as quatro posições distintas da estação repetidora, em dois sistemas de coordenadas, um referido a x,y,z e outro referido a u,v,w utilizados para encontrar a posição de um alvo P cujas coordenadas são procuradas.

Descrição da invenção

Conforme já anteriormente mencionado e ilustrado na figura 1 dos desenhos anexos, a invenção prove um processo e um sistema para transmissão sem fio de sinais, por exemplo, sinais de tempo em áudio ou vídeo, ou mesmo sinais analógicos, com a utilização de uma estação repetidora R, remota e inacessível, que pode tomar, por exemplo, a forma de uma plataforma satelital ou de outro objeto ou meio repetidor qualquer, capaz de receber e retransmitir, em direções predeterminadas, sinais de tempo codificados.

A invenção em questão utiliza quatro bases de referência A, B, C e D, três a três não colineares, instaladas no solo (ver figura 1) em posições geográficas conhecidas e providas de meios receptores de sinais tais como sinais de rádio-frequência, modulados de forma digital, por exemplo, em áudio ou em vídeo e recebidos e retransmitidos pela estação repetidora R no espaço.

Sinais codificados de tempo são transmitidos por uma das bases de referência A, B, C e D e retransmitidos, pela estação repetidora R no espaço, de volta às referidas quatro bases de referência A, B C e D.

De acordo com o sistema proposto, uma das quatro bases de referência A,B,C,D possui um transmissor T de sinais de tempo codificados e um receptor REC dos sinais retransmitidos pelo transponder provido na estação repetidora R remota. Para simplificar a descrição o transmissor é associado a base A. As quatro bases de referência A,B,C,D possuem receptores para receber os sinais codificados de tempo retransmitidos pelo transponder remoto da estação repetidora R. Excetuando a base de referência A que possui o meio transmissor T, as demais bases dispõem de meios de transmissão MT das respectivas diferenças entre o sinal de tempo codificado recebido do transponder remoto e o sinal codificado de tempo gerado em cada uma, para uma estação central de processamento E. Para simplificar, a base de referência A emissora (dita base central) poderá ser a própria base que transmite os sinais de tempo. Na base central, o sinal de tempo codificado recebido do transponder remoto é comparado ao sinal codificado de tempo gerado na própria base de referência. As quatro bases de referência possuem relógios de precisão RL, sincronizados entre si. As quatro bases de referência A,B,C,D possuem relógios de precisão RL próprios e meios de comparação do sinal de tempo retransmitido pelo transponder remoto com o tempo gerado localmente. As bases de referência processam as diferenças locais de tempo, transmitindo-as para a estação central de processamento E a qual, por simplicidade, poderá ser a base de referência A emissora que originou a transmissão, através de algum meio de comunicação como, por exemplo, telecomunicação comercial, ou aproveitando mesma estação repetidora remota para comunicar os dados.

A posição espacial correta da estação repetidora R dependerá do conhecimento das alterações temporais e/ou do retardo de fase na estação repetidora R e aqueles causados pela propagação dos sinais no meio, conhecimento esse necessário para a correção das diferenças de tempo medidas em relação a cada três das quatro bases de referência A, B, C e D. O funcionamento do sistema exige o conhecimento dos atrasos de fase sofridos pelos sinais sendo transmitidos, em todos os segmentos e, em particular, na passagem dos sinais temporais codificados pela estação repetidora (transponder) R e os causados pela propagação.

A atual dificuldade para se determinar, de modo correto e economicamente viável, a medida da alteração temporal, ou do atraso de fase, por exemplo, sofrido pelos sinais no enlace de retransmissão em uma estação repetidora R, remota e inacessível e na sua propagação nos meios envolvidos, como na atmosfera ou na ionosfera terrestre, como ocorre com aquelas situadas no espaço, em plataforma satelital, é resolvida com a presente invenção.

Com a adoção de quatro bases de referência, são possíveis diversas formas de se determinar a variação temporal de sinais recebidos retransmitidos pela estação repetidora, ou pelo transponder'

Pode-se usar, por exemplo, um procedimento mais geral e de grande precisão, tempo na estação que não depende as quatro bases sistemas esférico da de para determinar as alterações de repetidora R, procedimento esse disposição dos planos contendo referência A, B, C e D.

Podem ser adotados os mesmos euclidiano de coordenadas, usados por P.L. Kaufmann et al. (2006), ilustrado na figura 2 e cujo algoritmo permite equacionar as coordenadas da estação repetidora R, obtidas com as bases de referencia A, B, C e D.

As medidas realizadas pelo sistema fornecem os seguintes dados, considerando a nomenclatura abaixo definida:

AR(Ôr)	— (At a	^_ Õ_At ^_	Ô_Ar ‘	' Ôr)	(c/2) -	2A_PdAR		(1)
BR(Ôr)	= (At_B	- Õ_At ^_	Ô_Br ‘	' Ôr)	c - AR	(ô_R) - A_Pd_BR -	^pdAR
CR(Ôr)	⁼ (Ate	- õftt ^_	§Cr ‘	' Ôr)	c - AR	(Ôr) - ApdCR
DR(Ôr)	= ( At D	- ^At -		' Õr)	c - AR	( Ôr ) - ApdDR	^— ^pdAR
Onde AR (ô_R) ,	BR(Ôr) ,	CR(Ôr) e	DR(Ôr)	são as dis	itâncias	das

bases A, B, C e D até a posição da repetidora R, respectivamente, expressas em função da alteração temporal do sinal ao transitar pela repetidora, ô_R, a ser determinada; At_ft, At_B, At_c e Át_D são as diferenças de tempo efetivamente medidas nas bases A, B, C e D, respectivamente; ô_At é a alteração de tempo causada pela passagem do sinal pelos circuitos e cabos ao ser transmitido pela base A, previamente medida e conhecida; ô_Ar, ô_Br, ô_Cr e ô_Dr são as alterações de tempo causadas pela passagem dos sinais pelos circuitos e cabos ao serem recebidos pelas bases A, B, C e D, respectivamente, previamente medidas e conhecidas; e c é a velocidade das ondas eletromagnéticas que transportam o sinal de tempo codificado, como por exemplo ondas de rádio, no vácuo e ApdAR, A_pdBR, ÁpdcR e ApdDR são os erros na distância dos segmentos AR, BR, CR e DR causados pelo atrasos temporais devido à propagação dos sinais no meio físico (atmosfera, ionosfera).

Os erros de distância acima descritos, causados pelos desvios temporais devido à propagação no meio são acrescentados ao desvio de distância devido à alteração temporal do sinal na repetidora, ô_R o qual é o mesmo para os quatro segmentos AR, BR, CR e DR. As coordenadas da estação repetidora R, a partir das bases A, B e C são expressas pelo algoritmo já desenvolvido por P. L. Kaufmann et al.(2006), no sistema de referência ilustrado na figura 2, em relação aos eixos x, y e z, em função da alteração temporal do sinal ao transitar pela repetidora, ô_R, a ser determinada :

χ_κ(δ_κ) = {[AR(ô_r)]² - [BR(Ôr)]² + AB²}/2AB (2)

Yr(Ôr) = {{[ri(ô_R)]² - [ r2 (ôR) ] ² }/2yc} + y_c/2 ζ_κ(δ_κ) = { [_ri (Ô_R) ]² - [y_R (Ô_R) ] ² }^1/2 onde [ri (Ô_R)]² = [AR(Ôr)]² - [x_r(Ôr)]² (3) [r₂ (Ô_R)]² = [CR(ôr)]² - [(xc - x_R(ô_R)]²

Caso seja desejado expressar o resultado em coordenadas esféricas, latitude, longitude e altitude da repetidora, estas podem ser deduzidas através de simples procedimento analítico inverso. Por outro lado, com a utilização das medidas obtidas com o uso da base D, obteremos:

Xr' (ô_R) = {[AR(ô_r)]² - (BR(Ôr)]² + AB²}/2AB (igual R(ÔR) ) (4) yR' (ôR) = {{ [r/ (ÔR)]² - [ r2^z (ôR) ]²}/2yD} + y_D/2 z_R' (ô_r) = { [r/ (Ô_R) ]² - [y_R' (Ô_R) ] ²}^1/2 onde [r/ (ôr)]² = [AR(Ôr)]² - [χκ'(δκ)]² (igual a [ri(ô_R) ]²) (5) [r₂ (ôr)]² = [DR(Ôr)]² - [ (x_D - x'r(ô_r)]²

Os dois sistemas de equações permitem formular a discrepância na posição da repetidora em função da alteração temporal que se deseja determinar, através da seguinte expressão:

f (Ôr) = | [Xr (Ôr) , y_R (Ôr) , Zr ( Ôr ) ] - [ X' R ( Ôr ) , y_R' (Ôr) ,

Zr⁷ (Ôr) ] |² = ⁼ [Xr(Ôr) ~ Xr' (Ôr) ]² + [ y r ( Ôr ) - y_R' (Ôr) ]² + + [Zr(Ôr)-Zr' (Ôr) ]² (6)

Utilizando-se métodos conhecidos de cálculo numérico, tais como procedimentos aproximações sucessivas, necessário para utilização nesta invenção. Este iterativos, por exemplo, por adotando-se vários valores de alteração temporal que possam ter ocorrido na passagem do sinal pela estação repetidora, será encontrado o valor do atraso de fase ô_R na estação repetidora R, para o qual a função f(ô_R) assume um valor mínimo, o que deverá estar próximo do valor procurado, pelo sistema considerado procedimento pode ser realizado com o uso simultâneo dos dados dos outros dois conjuntos de bases de referência A, B,D e A,C,D, adotando a base A como sendo a transmissora e aprimorando a precisão da determinação de ô_R.

O método iterativo acima descrito pode incluir as correções das alterações temporais devido às velocidades de propagação, distintas de c, dos sinais que transportam as informações codificadas de tempo nos meios representado pela baixa e alta atmosfera terrestre. Estas velocidades são distintas da velocidade da luz c no vácuo, e seu efeito corresponde a atrasos de fase ou de tempo causando um aumento aparente na distância dos segmentos medidos, conforme descritos pelas equações do sistema (1) . Os respectivos retardos de tempo ou fase correspondem a desvios de segmentos respectivos, os quais podem ser calculados concomitantemente ao processo iterativo descrito anteriormente, determinando-se os ângulos de elevação da repetidora H, vistos a partir das bases A,B,C e D, adotando-se um modelo descrevendo os desvios de segmentos respectivos (como por exemplo descritos em S.M. Hunt et al., Equatorial atmospheric and ionospheric modeling at Kwajalein missile range, Lincoln Laboratory Journal, vol. 12, pp. 45-64, 2000;

S.M. Honma,Y. Tamura e calibrations for VERA, 60, pp. 951-960, 2008) repetidos adotando-se

M.J. Reid, Tropospheric delay

Publ. Astron.Soc. Japan, vol.

Os os cálculos desvios do processo são de segmentos respectivos, devidos a efeitos de propagação na atmosfera terrestre acrescentados ao sistema de equações (1), obtendo-se a correção do tempo de trânsito na repetidora somada a correção dos tempos de propagação dos sinais em todos os segmentos, permitindo cálculo das coordenadas procuradas com grande precisão.

O processo e o sistema propostos pela invenção permitem a determinação remota de alterações temporais no enlace definido pela estação repetidora de sinais e as alterações temporais devido à propagação dos sinais no meio, simultaneamente a medidas de distância, navegação, sincronismo de relógios e posicionamento geográfico, a cada sequência temporal discreta utilizada nos procedimentos. Para os cálculos das distâncias corrigidas, coordenadas geográficas da repetidora e dos alvos e aplicação a sincronismo de tempo, são utilizados os procedimentos analíticos descritos no artigo de P. L. Kaufmann et al., Non recursive algorithm for remote geolocation using ranging measurements, Math. Problems in Engineering, v. 2006, pp. 1-9, Article ID79389, DOI:10.1155/MPE/2006/79389, 2006.

Os atrasos de fase correspondentes às bases de referência A, B, C e D podem ser bem determinados in loco e assumidos com dados conhecidos e fixos, considerando que essas bases de referência são fixas e acessíveis a qualquer procedimento de medição verificadora.

A solução proposta pela presente invenção torna economicamente possível a determinação, com elevado grau de precisão, dos atrasos de fase e das alterações temporais na passagem (recepção e retransmissão), dos sinais codificados de tempo, pela estação repetidora R, situada em condição remota e inacessível e os atrasos temporais causados por efeitos de propagação dos sinais no meio.

Os efeitos temporais nos sinais codificados de tempo, em sua passagem pela estação repetidora R, e aqueles causados pela propagação dos sinais em diferentes ângulos de elevação, são desconhecidos e não podem ser determinados com apenas três bases de referência do sistema, as quais definem apenas uma posição para a repetidora R.

processo em questão pode compreender ainda as etapas 5 de: emitir, a partir da dita uma base de referência e em instantes sucessivos, sinais codificados e obter sucessivas coordenadas da estação repetidora R, corrigidas em função das alterações temporais, de fase e de frequência, na retransmissão dos ditos sucessivos sinais codificados, de modo a determinar a navegação da estação repetidora R, efetuando os cálculos de coordenadas da repetidora mostrados anteriormente no sistema de equações (2), no que será introduzida as variações temporais (ô_R) e A_pdAR, A_pdBR, A_pdCR e A_pdDR determinadas conforme a presente inovação; retransmitir, pela estação repetidora R, os sinais codificados em tempo, para outros alvos cujas posições geográficas são conhecidas (um deles representado, nesta aplicação, pelo ponto P na figura 1) determinar a diferença entre sinal codificado de tempo que chega ao alvo P e o tempo do relógio próprio no alvo, A _p permitindo sua correção ou sincronismo, através do equacionamento (P.L. Kaufmann et al., 2006):

A_p = (AR/c) + (PR/c) + ôftt + ô_Pr + ô_R + A_pdRR + A_pdAR (7)

Onde AR e PR são as arestas medidas, ô_At e ô_Pr são as alterações temporais previamente determinadas e conhecidas no transmissor e no alvo de posição conhecida P, respectivamente, ô_R e A_pdPR as alterações de tempo determinadas pela presente inovação. A sincronização ou correção no tempo será A _p _ A_p onde A_p é a diferença de tempo teoricamente prevista para a posição P.

Outra possível etapa é a de retransmitir, pela estação repetidora R, os sinais codificados em tempo, para outros alvos com posição geográfica desconhecida (similarmente representados pelo ponto P na figura 1) e tendo relógios sincronizados a relógios instalados nas quatro bases de referência A,B,C,D; obter as distâncias da estação repetidora R aos outros alvos, corrigidas pelas alterações temporais na retransmissão e na propagação;e determinar as coordenadas dos alvos em pelo menos três instantes sucessivos, com adoção das correções de alteração temporal, de frequência e de fase.

Assim, é possível calcular a distância da estação repetidora R às bases de referência A,B,C,D e aos alvos com posição geográfica a determinar, com correção das alterações temporais na retransmissão e na propagação, em posições da estação repetidora R em quatro instantes diferentes, cujas posições não estejam numa reta no espaço, definindo, de forma unívoca, em um sistema qualquer de coordenadas no espaço, mediante quatro medidas sucessivas, o posicionamento espacial do alvo cuja posição se desejava determinar. A solução analítica para efetivar estes cálculos pode seguir, por exemplo, o algoritmo publicado por P.L. Kaufmann et al. (2006) repetindo-se os procedimentos expressos nas equações (1), (2) e (3) em relação a um dos conjuntos de três bases de referência que inclua a base A onde se situa o transmissor nos quatro instantes acima referidos, obtendo-se quatro esferas de raios distintos, todas centradas na repetidora, em posições e instantes respectivamente distintos. A intersecção das esferas dará a posição alvo P, cujas coordenadas ficarão assim determinadas. O procedimento prático está ilustrado na figura 3 (de P.L. Kaufmann et al., 2006) onde um alvo P de posição a determinar (A, x, y, z) está situado em relação a quatro posições distintas da repetidora, Ri, R₂, R3 e R₄, esta última como opção quando não se pode utilizar a própria superfície do planeta como quarta referência. As operações são realizadas adicionando-se outro sistema de referência em função das posições da repetidora em Ri, R₂, R3 e R₄ (veja figura 3), (Ri, u, v, w) , no qual as coordenadas u, v e w do alvo P formam uma solução para o sistema. Para três posições da repetidora P.L. Kaufmann et al. (2006) mostraram que as duas soluções para as coordenadas de P são: u_P = (PR_X ² - PR2² + RiR2²) /2RiR₂ (8:

v_r = [ (Pi² p2²)/2 v_R3 ] + v_R3/2 v 1/2

W_P = ± (Pi - V_p ) onde pi² = PRi² - uP² e p2² = PR3² - (uR3 - u_P)².

A incerteza no sinal de w_P é eliminada adotando-se uma quarta esfera para definir uma só posição. Esta poderá ser a interseção com a superfície do planeta, sendo esta tomada como a quarta esfera de referência, ou então acrescentando uma quarta posição para a estação repetidora R4 (ver figura 3), gerando a respectiva quarta esfera de raio PR₄.

A solução de posição encontrada, através de procedimentos analíticos conhecidos, poderá ser convertida para o sistema (A,x,y,z), determinando-se a posição de P (x_P, y_P, z_P) neste sistema de coordenadas. Caso seja desejado expressar o resultado em coordenadas esféricas (latitude, longitude e altitude da estação repetidora), estas podem ser encontradas através de procedimentos analíticos bem conhecidos, deduzidas através de simples operações conhecidas.

A solução técnica proposta pela presente invenção permite que se escolha o tempo ou a hora de referência para a realização das medições, desde que haja sincronismo entre os relógios providos nas bases de referência e no ou nos alvos a determinar.

A solução técnica proposta permite: determinar posições geográficas e espaciais de alvos situados a distâncias que estejam na linha de visibilidade repetidora R no espaço; prever a adoção da estação de um maior número de bases de referência fixas A, B, C, D, cobrindo maiores extensões geográficas com o uso de uma mesma estação repetidora R no espaço; prever a adoção de mais de uma estação repetidora R no espaço, estendendo a área da superfície terrestre atendida, para definir geoposicionamento de alvos; calcular a posição geográfica dos alvos com quatro transponders no espaço, distanciados um do outro, em uma só interação de sinal de tempo; e permitir a realização de centenas de medidas sucessivas por minuto, de tempo de um ou mais alvos, fixos ou móveis, com o uso de uma só estação repetidora R no espaço.

processo e o sistema questão podem ser aplicados a qualquer tipo de transponders ou repetidoras de ondas eletromagnéticas em geral no espaço, artificiais ou naturais, ativos ou passivos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1.Processo para determinar alterações temporais na retransmissão e na propagação de sinais, para medir distâncias, sincronizar atuadores e georeferenciamento, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: a- instalar quatro bases de referência (A,B,C,D) no solo, três a três não colineares, em posições geográficas conhecidas e visíveis da estação repetidora (R);

b- emitir, em um instante de referência e a partir de um meio transmissor (T) provido em uma de ditas bases de referência, um sinal codificado de tempo e contendo a identificação da base de referência emissora e do instante da emissão;

c- receber, em um meio receptor (REC) instalado em cada uma das quatro bases de referência (A,B,C,D), o sinal codificado, recebido e retransmitido pela estação repetidora (R);

d- atribuir, sistematicamente, diferentes valores arbitrários de alteração temporal, de fase ou de freqüência, à estação repetidora (R) e calcular, para cada um dos valores de alteração temporal atribuído, uma entre as posições da estação conjuntos respectiva diferença repetidora (R) , obtidas com o uso de dois distintos de três bases de referência (A,B,C e A,B,D; A,B,C e B,C,D; A,B,D e B,C,D);

e- identificar qual dos valores atribuídos à alteração temporal na repetidora (R) resulta numa diferença mínima entre as duas posições da estação repetidora (R), obtidas fazendo uso de dois conjuntos distintos de três bases de referência (A,B,C e A,B,D; A,B,C e B,C,D; A,B,D e B,C,D); e f- utilizar o valor de variação temporal encontrado em e para determinar a posição da estação repetidora (R).
2. Processo, de caracterizado pelo acordo com a reivindicação 1, fato de as diferenças entre as posições da estação repetidora (R) sejam algebricamente calculadas atribuindo-se determinados valores para a dita alteração temporal, em número suficiente para identificar o dito valor mínimo das diferenças comparativas.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a realização dos cálculos

5 interativos das diferenças entre as posições da estação repetidora, incluir e corrigir efeitos causados pelas alterações temporais devido à propagação de sinais, características do meio no qual o sistema funciona, adotando modelos de propagação conhecidos, e usando

10 ângulos de elevação da estação repetidora (R) , vistos a partir das diferentes bases (A,B,C,D), para determinar a posição precisa definitiva da estação repetidora (R).
4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de:

15 determinar as coordenadas da estação repetidora (R) com correção da alteração temporal, de freqüência ou de fase, para um dado instante de referência.
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de

20 compreender ainda a etapa de disseminar sinais de tempo para outros pontos no solo, com posição geográfica conhecida, para sincronização das respectivas bases de tempo.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das

25 reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda as seguintes etapas:

emitir, a partir da dita base de referência e em instantes sucessivos, sinais codificados e obter sucessivas coordenadas da estação repetidora (R) ,

30 corrigidas em função das alterações temporais, de fase e de freqüência, na retransmissão e propagação dos ditos sinais de tempo codificados, de modo a determinar a navegação da estação repetidora (R);

- retransmitir, pela estação repetidora (R), os sinais de

35 tempo codificados, para outros alvos com posição geográfica desconhecida e tendo relógios sincronizados a relógios instalados nas quatro bases de referência (A,B,C,D) ;

obter as distâncias da estação repetidora (R) aos outros alvos, corrigidas pelas alterações temporais na retransmissão e propagação no meio; e

- determinar as coordenadas dos alvos através de medições de diferenças de tempo em pelo menos três instantes sucessivos, com adoção das correções de alteração temporal, de fase ou de freqüência.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de:

- calcular a distância da estação repetidora (R) às bases de referência (A,B,C,D) e aos alvos com posição geográfica a determinar, com correção das alterações temporais na estação repetidora (R) e daquelas causados pela propagação dos sinais no meio, em posições da estação repetidora (R) em quatro instantes diferentes, cujas posições não estejam numa reta, definindo, de forma unívoca, em um sistema qualquer de coordenadas no espaço, mediante quatro medidas sucessivas, o posicionamento espacial do alvo cuja posição se desejava determinar.
8. Sistema para determinar alterações temporais na retransmissão e na propagação de sinais destinada para medir distâncias, sincronizar atuadores e georeferenciamento, a partir de uma estação repetidora (R) de sinais, remota, inacessível e provida de um transponder, sendo o sistema caracterizado pelo fato de compreender:

a- quatro bases de referência (A,B,C,D) no solo, três a três não colineares, em posições geográficas conhecidas e visíveis da estação repetidora (R);

b- um meio transmissor (T)provido em uma das bases (A) e capaz de emitir, em um instante de referência, um sinal codificado de tempo e contendo a identificação da base de referência (A) emissora e do instante da emissão;

c- um meio receptor (REC) instalado em cada uma das quatro bases de referência (A,B,C,D) e capaz de receber o sinal codificado, emitido pelo meio transmissor (T) e recebido e retransmitido pela estação repetidora (R); d- relógios de precisão (RL) instalados, cada um, em uma das quatro bases de referências (A,B,C,D);

e- uma estação central de processamento (E) que recebe o 5 sinal de tempo codificado, retransmitido pela estação repetidora (R) , comparando-o com o sinal codificado de tempo gerado na base de referência (A) emissora e atribuindo diferentes valores arbitrários de alteração temporal, de fase ou de frequência, à estação repetidora

10 (R) , calculando, para cada um dos valores de alteração temporal atribuído, uma respectiva diferença entre as posições da estação repetidora (R), obtidas com o uso de dois conjuntos distintos de três bases de referência (A,B,C e A,B,D; A,B,C e B,C,D; A,B,D e B,C,D),

15 identificando qual dos valores atribuídos à alteração temporal na repetidora (R) resulta numa diferença mínima entre as duas posições da estação repetidora (R) e processando o dito valor de alteração temporal para determinar a posição da estação repetidora (R) ; e

20 f- um meio de transmissão ou aparelho (MT) provido em cada uma das três bases de referência (B,C,D), distintas daquela emissora do sinal codificado de tempo, cada meio de transmissão ou aparelho (MT) transmitindo, para a estação central de processamento (E) , a diferença de

25 tempo entre o sinal de tempo codificado recebido do transponder da estação repetidora (R) e o respectivo sinal codificado de tempo gerado em cada uma de ditas três bases de referência (B,C,D).
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8,

30 caracterizado pelo fato de a estação central de processamento (E) ser definida na base de referência (A) emissora, provida do meio transmissor (T).
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a estação central de

35 processamento (E) ser capaz de calcular, algebricamente, as diferenças entre as posições da estação repetidora (R), atribuindo-se determinados valores para a alteração temporal, em número suficiente de atribuições para identificar o valor minimo das diferenças comparativas.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a repetição dos cálculos interativos das diferenças entre as posições da estação repetidora (R), processados pela estação central de processamento (E) , incluir o valor das velocidades de propagação de sinais, características do meio em que eles se propagam, obtidas de modelos conhecidos, e os ângulos de elevação da estação repetidora (R) , vistos a partir das diferentes bases de referência (A,B,C,D).
12. Sistema, de acordo com pelo fato de a a reivindicação 11, estação central de E) determinar as coordenadas da estação com correção da alteração temporal, de de fase, para o caracterizado processamento repetidora (R) frequência ou referência.
13. Sistema, reivindicações referido instante de de acordo com qualquer uma das 11 ou 12, caracterizado pelo fato de alvos recebendo compreender ainda outros pontos no solo, geográfica conhecida, para os quais são sinais de tempo, para sincronização dos sistemas de tempo.
14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado pelo fato de compreender ainda outros alvos com posições geográficas desconhecidas e tendo relógios sincronizados a relógios instalados nas quatro bases de referência (A,B,C,D), sendo que a base de referência (A) emissora, emite, em instantes sucessivos, sinais de tempo codificados, sendo que a estação central de processamento (E) provê sucessivas coordenadas para a estação repetidora (R) , corrigidas em função das alterações temporais, de fase e de frequência ocorridas, na retransmissão e propagação dos ditos sinais de tempo codificados, determinando a navegação da estação repetidora (R) ; com ditos outros os sinais de tempo codificados, com posição disseminados respectivos retransmitidos pela estação repetidora (R) , dita estação obtendo as distâncias da outros alvos, corrigidas central de processamento (E) estação repetidora (R) , aos pelas alterações temporais na retransmissão e propagação no meio e determinando as coordenadas dos alvos através de medições de diferenças de tempo em pelo menos três sucessivos, com adoção das correções de temporal, de fase ou de frequência e instantes alteração propagação no meio 15. Sistema, de caracterizado processamento repetidora (R) pelo (E) acordo com a reivindicação fato de a estação central de

14, de calcular a distância da estação às bases de referência (A,B,C,D) e aos alvos com posição geográfica a determinar, com correção das alterações temporais na estação repetidora (R) e daquelas causados pela propagação dos sinais no meio, em posições da estação repetidora (R) em quatro instantes diferentes, cujas posições não estejam numa reta, definindo, de forma univoca, em um sistema qualquer de coordenadas no espaço, mediante quatro medidas sucessivas, o posicionamento espacial do alvo cuja posição se deseja determinar.

R

1/2