BR112016022524B1

BR112016022524B1 - Método e aparelho para processamento de sinais de radionavegação para monitoramento atmosférico

Info

Publication number: BR112016022524B1
Application number: BR112016022524-4A
Authority: BR
Inventors: James T. Curran; Michele BAVARO; Joaquim Tuny-Guasch
Original assignee: The European Union, Representada Pela European Commission
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2022-10-04
Also published as: CA2940330C; BR112016022524A2; RU2016142308A3; KR20160147775A; WO2015144914A1; JP6513179B2; ES2713148T3; RU2680711C2; US10663601B2; CA2940330A1; KR102299105B1; RU2016142308A; JP2017514146A; CN106415314A; CN106415314B; EP3123201B1; AU2015238231B2; EP2924468A1; AU2015238231A1; EP3123201A1

Abstract

MÉTODO E APARELHO PARA PROCESSAMENTO DE SINAIS DE RADIONAVEGAÇÃO PARA MONITORAMENTO ATMOSFÉRICO. A invenção se refere a um sistema de medição e monitoramento atmosférico baseados no processamento dos sinais de radiofrequência do sistema global de navegação por satélite. A invenção se caracteriza por uma arquitetura de desmodulação de circuito aberto para extrair informações de fase e amplitude de sinais recebidos por satélite, e uma técnica de processamento de sinal que pode fornecer estatísticas relacionadas às variações de fase e amplitude induzidas pela atmosfera.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere à medição da atmosfera que utiliza receptores terrestres no sistema global de navegação por satélite e, em particular, para a medição de estatísticas relacionadas à atividade ionosférica e da ionosfera.

Fundamentos da Invenção

[002] Os sinais de rádio oriundos do espaço são amplamente utilizados no monitoramento atmosférico. Visto que eles se propagam a partir de transmissores espaciais em direção a terra, a atmosfera induz alterações de fase, retardos grupais e variações de amplitude. O receptor que processa os sinais de maneira correta pode fazer uma estimativa de fase, retardo e variações de amplitude, além de inferir informações sobre a atmosfera. Os sinais do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) são amplamente utilizados para o fim supracitado, devido a sua abundância, cobertura global e por serem transmitidos em mais de uma frequência. A ionosfera e a troposfera são monitoradas com o uso dos sinais, visto que elas induzem a velocidade de propagação e as mudanças de direção dos sinais transmitidos em banda larga.

[003] Para medir os efeitos supraindicados, utilizam-se os receptores GNSS. Eles rastreiam a fase e a frequência do veículo e o código telemétrico modulado dos sinais produzindo as medições da potência do sinal, a fase portadora e o retardo do código telemétrico. Os valores, conhecidos como medições de sinal bruto, são utilizados para calcular várias propriedades relacionadas à propagação do sinal na atmosfera, denominadas medições da atmosfera. Tradicionalmente, para produzir as medições de sinal bruto o receptor executa um rastreamento em circuito fechado dos parâmetros pertinentes, e o sistema comum inclui o uso de um circuito fechado de retardo (DLL) no código telemétrico e um circuito fechado de bloqueio de fase (PLL) no veículo. Embora existam vários outros sistemas, os receptores geralmente se baseiam em algum tipo de mecanismo recursivo de feedback/feedforward para produzir as medições de sinal bruto.

[004] O cálculo das medições da atmosfera depende da disponibilidade e da qualidade das medições de sinal bruto. Por esta razão, quando os algoritmos que rastreiam o receptor têm dificuldade em rastrear com precisão os parâmetros do sinal, é menor a qualidade obtida nas medições da atmosfera. A implementação específica do algoritmo de rastreamento também exerce impacto nas medições atmosféricas obtidas; por exemplo, os efeitos de filtração ou erros transitórios nos algoritmos de rastreamento podem produzir artefatos nas medições da atmosfera.

[005] As anomalias atmosféricas (por exemplo, a cintilação ionosférica) podem dificultar o algoritmo no rastreamento do receptor, e quando um receptor é utilizado para medir a referida anomalia, a qualidade das medições da atmosfera pode ser bastante degradada devido à qualidade degradada nas medições de sinal bruto ou sua indisponibilidade no erro dos algoritmos de rastreamento. Diversas técnicas utilizadas para aprimorar a consistência no rastreamento do receptor e a disponibilidade da medição, como os tempos de integração prolongada e as larguras de banda de rastreamento reduzido, também contribuem para a degradação das medições de sinal bruto e, em última instância, geram os artefatos das medições da atmosfera.

[006] A geração de algumas medições da atmosfera incluindo, por exemplo, a medição ionosférica conhecida como sigma-pi (oΦ), necessita da filtração das medições de sinal bruto. O estágio de filtração, conhecido como destendenciamento, apresenta um tempo de convergência significativamente longo. Quando ocorre a indisponibilidade intermitente nas medições de sinal bruto, a indisponibilidade obtida nas medições atmosféricas pode ser bem mais extensa.

[007] A fragilidade das abordagens contemporâneas se dá no estágio de estimativa. Os parâmetros de sinal bruto são estimados ou rastreados pelo receptor antes de serem utilizados no cálculo das medições da atmosfera. Além disso, o estágio de rastreamento é problemático quando prevalecem condições não ideais. As desvantagens dos sistemas convencionais são discutidas em relação às Figs. 1 e 2 (Estado da Técnica), durante a abordagem de alguns fatores teóricos.

[008] Normalmente, o sinal GNSS recebido pela antena de um receptor terrestre é modelado da seguinte forma:

observado no receptor, incluindo o retardo na propagação, os efeitos do relógio do satélite e os retardos atmosféricos.

[009] Em particular, a expressão da fase do veículo, θi (t) na Eq. (1), representa um número dos processos de fases distintas. Matematicamente, ele pode ser representado como a seguinte combinação linear:

em que θ0 representa uma fase incial arbitrária, θLOS (t) representa o processo da fase induzido pela dinâmica/geometria da linha de vista entre o satélite e o receptor, θSV Clk. (t) representa o processo da fase induzido pelos erros no relógio do satélite, e θAtm. (t) representa o processo da fase induzido pela atmosfera pela qual o sinal se propaga.

[010] FIG. 1 (Estado da Técnica) é um diagrama de bloco do Filtro Digital Adaptado 102-1 de um receptor convencional, que ilustra a forma pela qual as estimativas locais da fase do veículo ( ) e do retardo do código telemétrico ( ) são utilizadas para gerar os valores correlatos Yi [n].

[011] Geralmente, o receptor GNSS implementa uma conversão descendente do sinal RF recebido em zero ou não zero IF e, em seguida, colhe a amostra do sinal. As amostras (r) do sinal são processadas por um Filtro Digital Adaptado (DMF) 102-1 que implementa a seguinte operação:

em que as variáveis 1 i e são as variáveis estimadas do receptor Ti e θi, definidas na Eq. (1), e a expressão Yi [n] é conhecida como o valor correlato.

[012] A operação descrita na Eq. (3) é implementada no receptor em seu algoritmo de rastreamento, como parte da fase do veículo e dos circuitos de rastreamento da fase do código telemétrico.

[013] FIG. 2 (Estado da Técnica) é um diagrama de bloco com uma arquitetura típica de rastreamento em circuito fechado que representa um circuito no circuito de rastreamento do veículo 104 e no rastreamento do código telemétrico 106. Como será observado mais adiante pelos técnicos conhecedores, um banco DMF 102 incorpora uma pluralidade de instâncias 102-1, 102-2, 102-3 (isto é, uma por canal; neste caso, são mostradas apenas três).

[014] A implementação típica acompanha o diagrama de bloco apresentado na FIG. 2, em que os valores correlatos, Yi [n], são processados pelo bloco de rastreamento do veículo 104 e pelo bloco de rastreamento do código telemétrico 106 para produzir as estimativas dos parâmetros do sinal, Te (enTs) e θi{mTs')^ que, por sua vez, são utilizadas para gerar a série subsequente de valores correlatos Yi [n].

[015] Os algoritmos específicos que são utilizados para estimar as propriedades e os atributos da atmosfera pela qual os sinais GNSS se propagam são implementados no bloco intitulado ‘Algoritmo de Monitoramento Atmosférico' 108. Os algoritmos operam nas seguintes quantidades: Yi [n], gerado pelo DMF 102, e e que são estimados pelos algoritmos de rastreamento. O desempenho dos algoritmos de monitoramento é influenciado diretamente pela qualidade das medições do sinal bruto, sendo crucial corrigir a operação do veículo e dos algoritmos de rastreamento do código telemétrico nos receptores de monitoramento atmosférico. Entretanto, ocorre que as variações sob condições elevadas da atividade atmosférica no canal de propagação podem produzir algoritmos de rastreamento de execução insuficiente ou falha. [00015a] YORK J ET AL: "Development of a Prototype Texas Ionospheric Ground Receiver (TIGR)", ITM 2012 - PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION, THE INSTITUTE OF NAVIGATION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, USA, 1 February 2012 (2012-02-01), páginas 1526-1556, XP056000936, apresenta descrições de um receptor de software criado para executar medições ionosféricas dos sinais de satélite. Os dados de RF são amostrados diretamente por uma 2 amostra de giga/s ADC e enviados para o FPGA, onde eles são filtrados digitalmente, reduzindo as taxas de amostragem em três bandas sintonizáveis, cada uma com largura de banda de 20 MHz. O fluxo reduzido de dados digitais é enviado para o segundo FPGA, onde os canais individuais são filtrados em faixas múltiplas e estreitas de sinal, e centralizado na frequência do sinal do satélite ajustado para compensar o desvio por efeito de Doppler previsto. A estimativa da fase e da amplitude do sinal nos dados é efetuada com o uso de um software integrado que opera em uma CPU de uso geral. [00015b] LULICH T D ET AL: "Open Loop Tracking of Radio Occultation Signals from an Airborne Platform", GNSS 2010 - PROCEEDINGS OF THE 23RD INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE SATELLITE DIVISION OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION (ION GNSS 2010), THE INSTITUTE OF NAVIGATION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, USA, 24 September 2010 (2010-09-24), páginas 1049-1060, XP056000217, apresenta uma técnica de detecção remota baseada na ocultação de rádio (RO) que utiliza os sinais do Sistema de Posicionamento Global (GPS) para determinar a densidade do elétron na ionosfera, utilizando um método de rastreamento em circuito aberto (OL) que aplica uma estimativa baseada no modelo de frequência Doppler e um registro dos bits de dados do GPS. [00015c] G. BEYERLE ET AL: "Observations and simulations of receiver- induced refractivity biases in GPS radio occultation", JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, vol. 111, no. D12, 1 January 2006 (2006-01-01), XP055158431, ISSN: 0148-0227, DOI: 10.1029/2005J D006673 apresenta observações e simulações nas variações da refratividade induzida pelo receptor na ocultação de rádio do GPS. [00015d] NIU F ET AL: "GPS Carrier Phase Detrending Methods and Performances for Ionosphere Scintillation Studies", ITM 2012 - PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION, THE INSTITUTE OF NAVIGATION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, USA, 1 February 2012 (2012-02-01), páginas 1462-1467, XP056000934, apresenta uma fase do veículo GPS que destendencia os métodos e as realizações dos estudos de cintilação da ionosfera. O destendenciamento utiliza um filtro Butterworth de sexta ordem.

[016] A invenção também se destina à produção de medições atmosférica oriundas das medições de sinal bruto dos sinais de radionavegação (ex.: GNSS) que são gerados inteiramente em circuito aberto.

[017] Além disso, a invenção propõe gerar medições atmosféricas mesmo em circunstâncias das medições de sinal bruto de qualidade insuficiente e/ou atividade atmosférica elevada.

Sumário da Invenção

[018] De acordo com um aspecto da invenção, é proposto um sistema de medição para gerar medições atmosféricas baseadas em pelo menos um sinal de radionavegação de um transmissor por satélite do sistema de radionavegação, o sistema de medição compreende o seguinte: um modulo de aquisição de dados, um módulo demodulador e um módulo de algoritmos de monitoramento atmosférico disposto em uma configuração em circuito aberto; em que o módulo da aquisição de dados inclui um relógio de referência, o módulo de aquisição de dados é adaptado para receber o referido sinal de radionavegação gerando uma pluralidade de amostra(s) IF, cada amostra apresenta uma etiqueta de tempo associada (TOW) e oriunda do referido relógio de referência; em que o módulo demodulador é adaptado para receber a referida(s) amostra de IF e as etiquetas de tempo associadas (TOW) e os dados auxiliares referentes ao referido sistema de satélite adaptado para gerar valores correlatos (Yi); e em que o módulo do algoritmo de monitoramento atmosférico é adaptado para receber os referidos valores correlatos (Yi) e gerar as referidas medições atmosféricas. [0018a] O módulo da aquisição de dados pode ser adaptado na saída de cada amostra (r) de IF como uma amostra (r) de IF etiquetada, cada amostra (r) de IF etiquetada compreende uma amostra (r) de IF etiquetada com uma respectiva etiqueta de tempo (TOW). [0018b] O módulo demodulador pode ser adaptado para receber as referidas amostras (r) de IF etiquetadas, em que cada valor correlato (Yi) e gerado pelo módulo demodulador (32) é associado com uma respectiva etiqueta de tempo (TOW). [0018c] O módulo da aquisição de dados pode compreender um conversor análogo-digital (ADC) para gerar as amostras (r) de IF, o ADC é acoplado no relógio de referência (418) e gera as amostras (r) de IF em seu respectivo período. [0018d] O módulo da aquisição de dados pode compreender um módulo de etiqueta de tempo adaptado na saída das referidas etiquetas de tempo (TOW) de forma sincrônica com as respectivas amostras (r) de IF. [0018e] O módulo da aquisição de dados pode compreender um módulo de etiqueta de tempo acoplado no relógio de referência, o módulo de etiqueta de tempo é adaptado para operar como um contador local representando a hora local, o cálculo do contador local é incrementado com a geração de cada amostra (r) de IF. [0018f] O módulo da aquisição de dados pode compreender um conversor descendente adaptado para gerar sinais de IF análogos dos sinais de radionavegação, o conversor descendente opera com base no sinal de conversão oriundo da saída do relógio de referência. [0018g] O módulo da aquisição de dados pode compreender um PLL acoplado para receber a saída do relógio de referência, em que o PLL aciona o VCO que gera o sinal de conversão para o conversor descendente. [0018h] O módulo da aquisição de dados pode ter um grau de alinhamento no período do sinal de radionavegação inferior a um décimo do período do chip com código telemétrico do sinal de radionavegação. [0018i] O relógio de referência pode ter um grau de alinhamento no período do sinal de radionavegação que pode ser utilizado para propagar uma estimativa de tempo, na geração das etiquetas de tempo, com precisão em torno de 1 nanosegundo. [0018j] O relógio de referência pode ser adaptado à propagação de um ponto de sincronização inicial, correspondente à etiqueta de tempo inicial, à frente do tempo.

[019] Em uma modalidade, o relógio de referência compreende um relógio perfeitamente modelado, em que as referidas etiquetas de tempo são oriundas dos sinais de tempo propagados de um ponto de sincronização do sinal no passado utilizando um período de amostra predeterminado. [0019a] Em outra modalidade, o relógio de referência compreende um oscilador disciplinado, o oscilador disciplinado inclui um oscilador interno que é adaptado para receber um sinal do relógio disciplinador de padrão de frequência externa. O sistema pode ser operável em uma fase de iniciação e fase de aquisição de dados, em que o relógio de referência é operável para ativar a disciplina do oscilador disciplinado durante a fase de iniciação e desabilitado durante a fase de aquisição de dados. O padrão de frequência externo pode ser gerado por um sinal GNSS e um sinal do Oscilador Disciplinado GPS (GPSDO). [0019b] Em outra modalidade, o relógio de referência compreende um relógio de autossincronismo em que a modelagem corrente dos seus parâmetros desconhecidos é executada utilizando um algoritmo de estimativa do relógio. O relógio de referência pode ser operável para medir os parâmetros estimados do relógio, além de propagar com exatidão as etiquetas de tempo do ponto de sincronização inicial com base nos parâmetros estimados do relógio. Os parâmetros estimados do relógio podem ser medidos a partir dos sinais de radionavegação de uma primeira série transmissores por satélite, em que o sinal(s) de radionavegação recebido pelo referido módulo de aquisição de dados é oriundo de um ou mais transmissores por satélite de uma segunda série de transmissores por satélite, a primeira série e a segunda série não têm em comum um transmissor por satélite.

[020] Os dados auxiliares podem incluir um parâmetro relacionado ao receptor (Rec.), o parâmetro relacionado ao receptor representa uma trajetória temporal contínua da antena do receptor em uma estrutura fixa e centrada no solo.

[021] Os dados auxiliares também podem incluir parâmetros orbitais (S.V.) de um satélite no qual o transmissor é montado. Os parâmetros orbitais (S.V.) podem compreender efemérides de difusão. As efemérides de difusão podem compreender as efemérides do GNSS ou efemérides precisas.

[022] Os dados auxiliares podem incluir as informações da efeméride (ATM).

[023] O módulo demodulador pode incluir um modelo de receptor de usuário para receber uma etiqueta de tempo (TOW) e o parâmetro relacionado ao receptor (Rec.) e liberar um retardo de tempo relacionado ao receptor (δtRX).

[024] O módulo demodulador pode incluir um modelo de veículo espacial (506), o modelo de veículo espacial é adaptado para receber uma etiqueta de tempo (TOW) e os parâmetros orbitais (S.V.), além de gerar retardo de tempo relacionado ao veículo espacial (δtSV).

[025] O módulo demodulador pode incluir um modelo atmosférico, o modelo atmosférico é adaptado para receber a etiqueta de tempo (TOW), o retardo de tempo relacionado ao receptor (δtRX), o retardo de tempo relacionado ao veículo espacial (δtSV) e as informações da efeméride, além de liberar um diferencial de tempo relacionado à atmosfera (δtA).

[026] O módulo demodulador é adaptado para gerar uma primeira soma compreendendo a soma do diferencial de tempo relacionado ao receptor (δtRX) e o diferencial de tempo relacionado ao veículo espacial (δtSV), além de gerar uma segunda soma compreendendo a soma do primeiro diferencial de tempo relacionado à atmosfera (δtA) para gerar um retardo de tempo relacionado ao sinal (tSIG).

[027] O módulo demodulador pode incluir também um código e um veículo de MCO, adaptado para receber o retardo de sinal (tSIG), e gerar J*. uma estimativa ( ) na saída do DMF.

[028] O módulo dos algoritmos de monitoramento atmosférico podem incluir um algoritmo de reconstrução do processo de fase, o algoritmo de construção do processo de fase compreende o seguinte: desrrotação dos valores correlatos correntes (Yi) pela estimativa da fase anterior; estimativa da fase residual (Φ) utilizando um discriminador; e cálculo da fase corrente (θ) como a soma da fase anterior e a fase residual corrente (Φ).

[029] O módulo do algoritmo de monitoramento atmosférico pode incluir um algoritmo do processo de diferença de fase, o algoritmo do processo de diferença de fase é operável para reconstruir a diferença de fase utilizando

[030] Em uma modalidade, em que Vy pode ser calculado a partir dos valores de Δ[n] utilizando um filtro apresentado por

para gerar valores de Φ.

[031] Em uma modalidade, OΦ é obtido a partir de OΦ2 utilizando a função <

[032] De acordo com outro aspecto da invenção, é proposto um método de medição para gerar medições atmosféricas baseadas em pelo menos um sinal de radionavegação de um transmissor por satélite do sistema de radionavegação, o método compreende o seguinte: disposição do módulo de aquisição de dados, módulo demodulador e módulo dos algoritmos de monitoramento atmosférico dispostos em uma configuração em circuito aberto, em que o módulo da aquisição de dados inclui um relógio de referência; recepção, utilização do módulo da aquisição de dados, o referido sinal de radionavegação que gera uma pluralidade de amostras (r) de IF, cada amostra apresenta uma etiqueta de tempo associada (TOW) oriunda do referido relógio de referência; recepção, utilização do módulo demodulador, as referidas amostras (r) de IF e as etiquetas de tempo associadas (TOW) e os dados auxiliares relacionados ao referido sistema de satélite, gerando valores correlatos (Yi); e recepção e utilização do módulo do algoritmo de monitoramento atmosférico, e os referidos valores correlatos (Yi) dos quais são geradas as referidas medições atmosféricas.

[033] De acordo com outro aspecto da invenção, é proposto um meio de armazenamento gravável, regravável ou armazenável com dados registrados ou nele armazenados que definem ou são transformáveis em instruções de execução por circuito de processamento e que correspondem pelo menos às etapas da reivindicação 32 das reivindicações anexadas.

[034] De acordo com outro aspecto da invenção, é proposto um computador servidor que incorpora um dispositivo de comunicação e um dispositivo de memória adaptado à transmissão solicitada ou outra dos dados que definem ou são transformáveis em instruções de execução pelo circuito de processamento, correspondendo pelo menos às etapas da reivindicação 32 das reivindicações anexadas.

[035] Uma das vantagens da invenção é que, com o uso apropriado de algumas informações auxiliares relacionadas ao tempo e à posição do receptor, além da modificação do método de cálculo das medições atmosféricas, o estágio de rastreamento pode ser inteiramente contemplado produzindo um sistema de monitoramento mais reforçado.

[036] Uma vantagem adicional da invenção é que, com a operação do circuito em aberto contemplando a necessidade de uma estimativa de fase contínua e integral, as modalidades da invenção apresentam resistência aos ambientes de sinal fraco, rastreamento reforçado em atividade ionosférica muito intensa e maior disponibilidade de medições do que nas arquiteturas do receptor tradicional.

Breve Descrição das Figuras

[037] As modalidades da invenção são descritas abaixo nos exemplos com referência aos seguintes desenhos:

[038] FIG. 1 (Estado da Técnica) é um diagrama de bloco do Filtro Digital Adaptado 102-1 de um receptor convencional, que ilustra a forma pela qual as estimativas locais da fase do veículo ( ) e do retardo do código telemétrico ( ) são utilizadas para gerar os valores correlatos Yi [n].

[039] FIG. 2 (Estado da Técnica) é um diagrama de bloco de uma típica arquitetura de rastreamento em circuito fechado que representa um circuito no circuito de rastreamento do veículo 104 e no rastreamento do código telemétrico 106;

[040] FIG. 3 é um diagrama de bloco da arquitetura sistêmica do sistema de medição de acordo com uma modalidade da invenção;

[041] FIG. 4 é um diagrama de bloco do módulo da aquisição de dados 31 da Fig. 3;

[042] FIG. 5 é um diagrama de bloco do módulo de demodulação em circuito aberto 32 da Fig. 3;

[043] FIG. 6 é um diagrama de bloco do processo, executado no módulo de AMA 33, na Fig. 3, de cálculo do valor de S4, em função de uma série de valores correlatos Yi;

[044] FIG. 7 é um diagrama de bloco do processo, executado no módulo de AMA 33, na Fig. 3, de cálculo do valor de , em função de uma serie de estimativas de fase, ;

[045] FIG. 8 é um diagrama de bloco do processo, executado no módulo de AMA 33, na Fig. 3, da reconstrução de fase dos valores correlatos, em que Yi, calcula a fase corrente;

[046] FIG. 9 é um diagrama de bloco do processo, executado no módulo de AMA 33, na Fig. 3, do cálculo do valor de βΦ, em função de uma série de estimativas da diferença de fase, ;

[047] FIG. 10 é um plano de S4 versus o tempo calculado pelo Método 1 e Método 2, utilizando o algoritmo representado na FIG. 6, e comparado com um valor de referência fornecido pelo receptor comercial de monitoramento atmosférico; e

[048] FIG. 11 é um plano de @Φ, versus o tempo calculado pelo Método 1 e Método 2, executado no módulo de AMA 33, na Fig. 3, utilizando os algoritmos representados na FIG. 7 e FIG. 9, comparado com um valor de referência fornecido pelo receptor comercial de monitoramento atmosférico.

Descrição detalhada das Modalidades

[049] FIG. 3 é um diagrama de bloco da arquitetura sistêmica do sistema de medição de acordo com uma modalidade da invenção;

[050] O sistema de arquitetura pode ser organizado em três blocos principais: a Aquisição de Dados (DAQ) 31, o Demodulador em Circuito Aberto (OLD) 32 e os Algoritmos de Monitoramento Atmosférico (AMA) 33.

[051] Para eliminar os problemas e as desvantagens relacionados às arquiteturas de rastreamento feedback/feedforward em circuito fechado nos receptores de GNSS, as modalidades da invenção utilizam uma arquitetura em circuito aberto. Uma modalidade da invenção compreende, na forma representada na FIG. 3, um dos seguintes componentes: um módulo de aquisição de dados (DAQ) 31, um demodulador em circuito aberto (OLD) 32 e um módulo dos algoritmos de monitoramento atmosférico (AMA) 33 que incorpora uma série de algoritmos de monitoramento atmosférico. Na discussão abaixo em maiores detalhes, o modulo de DAQ 31 recebe sinais brutos (ex.: GNSS) e libera amostras (r) de IF, cada uma apresenta uma etiqueta de tempo associada (TOW). O demodulador 32 recebe r e TOW e, com base neles e nos dados auxiliares (geralmente nomeados 35), gera valores correlatos Yi, que são liberados para o módulo de AMA 33.

[052] FIG. 4 é um diagrama de bloco do módulo da aquisição de dados 31 da Fig. 3.

[053] O modulo de DAQ 33, representado na FIG. 4, executa as tarefas de aquisição das amostras (r) de frequência intermediária de uma ou mais bandas de GNSS da antena 402. Os sinais recebidos na antena 402 são amplificados pelo amplificador de baixo ruído (LNA) 404, passando pelo filtro passa-banda RF 406 e por um amplificador 408, até chegar ao conversor descendente 410, que faz a conversão em IF. Os sinais de IF liberados pelo conversor descendente 410 são submetidos a uma maior amplificação no bloco de ganho 412, passando pelo filtro passa-banda IF 414, antes de serem convertidos em amostras r digitais (IF) r em ADC 416. Um relógio preciso 418 é utilizado para conversão descendente e digita as amostras para a etiqueta de tempo, alinhada com precisão no UTC ou no horário específico do sistema GNSS, denominado TOW 420, ser disposta em cada amostra r de IF. O relógio digital 422 do relógio de referência 418 é fornecido para PLL 424, que forma um circuito com VCO 426, a saída de VCO 426 é aplicada no conversor descendente 410 para a geração dos sinais de IF. (De acordo com o estado da técnica, os dados de IF podem ser transmitidos diretamente para o módulo OLD 32 (Fig. 3) para processamento em tempo real ou transmitidos em um disco de armazenagem de pós-processamento). Um aspecto principal da DAQ é o relógio de referência 418. Preferivelmente, o relógio de referência 418 é sincronizado com precisão no UTC ou no horário específico do sistema GNSS ou em sua diferença de horário já conhecida. Entretanto, nas modalidades preferidas, é necessário que o relógio de referência 418 não seja disciplinado diretamente do sistema GNSS, durante a aquisição dos dados, em razão de violar o princípio do circuito em aberto nos quais operam as modalidades do sistema. As modalidades específicas do relógio de referência 418 do DAQ 31 são discutidas abaixo em maiores detalhes.

[054] Retornando à Fig. 3, o módulo OLD 32 aceita como inputs as amostras de IF e as etiquetas de tempo associadas, (TOW e r) de DAQ 31, além das informações auxiliares 35; na presente modalidade, este último inclui as efemérides do satélite, as informações de posição do receptor e as informações atmosféricas, respectivamente, denominadas S.V., Rec. e Atm. na FIG. 3, muito embora um ou alguns deles possam ser utilizados. Preferivelmente, em cada amostra de r, o TOW correspondente é utilizado com as informações de S.V., Rec. e Atm. 35 para prever os valores dos parâmetros de sinal recebido, denominados e . Essencialmente, as informações podem ser utilizadas para prever o canal de propagação que consiste em faixa geométrica, efeitos relativísticos, efeitos atmosféricos conhecidos e/ou determinísticos, relógio de satélite e condições de hardware e receptor conhecido. Os parâmetros do sinal são enviados para o DMF, que pode ser um DMF padrão 102 ou representado na FIG. 1 para produzir valores correlatos, Y[n]. O DMF 102 põe o veículo em execução e elimina o código telemétrico e a subsequente operação de integração e deposição para produzir os valores correlatos Y[n]. Com referência ao processo da fase descrita na Eq. (2), os processos θLOS (t) e θSV Clk. (t) são retirado, ficando apenas o que corresponde aos erros residuais da atmosfera que dos erros decorrentes das efemérides do satélite. Pelo menos um valor correlato Y[n] é produzido em cada sinal que é capturado nos dados de IF, em cada satélite visível, muito embora sejam gerados valores correlatos extras que correspondem a desníveis específicos na fase do veículo ou no retardo de código telemétrico.

[055] O módulo AMA 33 aceita como input os valores correlatos Y[n] gerados pelo módulo OLD 32, utilizando-os para produzir várias medições da atmosfera. O módulo pode implementar uma variedade de algoritmos que fornecem informações sobre o estado da atmosfera ou os níveis da atividade atmosférica. Particularmente, o modulo AMA 33 pode executar uma geração de medições relacionadas à atividade ionosférica, incluindo aquelas que descrevem ou quantificam a cintilação. Embora muitos receptores utilizem os valores correlatos Y[n] e a estimativa da fase integral ao explorarem as características dos algoritmos, o módulo AMA 33 podem implementar algoritmos padrão de medição ionosférica apenas com Yi.

[056] Com referência à Fig. 4, o módulo DAQ 31 incorpora a antena do receptor 402 e processa os sinais recebidos do RF GNSS. A saída deste bloco é um fluxo preciso da etiquetagem de tempo dos dados digitais do GNSS (r, TOW). Este último é essencialmente uma representação digital do sinal do GNSS, visto que ele é recebido pela antena, em que cada amostra r é harmonizada com uma etiqueta de tempo precisa de TOW. O tempo pode ser expresso no período local (receptor) ou no período remoto (veículo espacial, transmissor). Nos dois casos, um contador local, que representa a hora corrente, pode ser incrementado como cada amostra r do sinal IF registrado pelo conversor análogo-digital 416. O valor do contador é harmonizado com a amostra r, que representa a etiqueta de tempo de TOW.

[057] Preferivelmente, utiliza-se um relógio de tempo preciso 418 para colher os dados IF e gerar as etiquetas de tempo (TOW). Mais preferivelmente, no monitoramento da cintilação, o relógio 418 deve exibir um ruído de fase muito baixo. As modalidades da invenção também impõem uma segunda condição nas características de desvio do relógio e da taxa de desvio, que precisam ser estáveis o suficiente para se adequarem em um modelo conhecido na duração integral da operação de aquisição dos dados. O grau de alinhamento com um período do GNSS, que é necessário, é determinado pelas características do sinal monitorado, sendo normalmente considerado inferior a um décimo do período do chip de código telemétrico. De acordo com as modalidades, pode-se aplicar uma implementação diferente, na forma indicada abaixo.

[058] Por exemplo, a implementação efetiva da invenção utiliza a extremidade frontal do GNSS e um digitalizador. Normalmente, o sistema é composto por um bloco de pré-condicionamento de sinal (pré- amplificadores e filtros), um ou mais sintetizadores ou misturadores, filtros suavizadores e um Conversor Análogo-Digital (ADC). O relógio utilizado para sintonizar os osciladores locais também deve acionar o ADC. A implementação pós-missão envolve os dados do fluxo de um arquivo que foi anteriormente capturado com o digitalizador do GNSS.

[059] O processo da etiquetagem de tempo do fluxo de uma amostra do GNSS é acionado por um único relógio de referência 418, como mostra a FIG. 4. É importante que o relógio esteja alinhado com o período do GNSS podendo ser utilizado para propagar uma estimativa de tempo, na geração das etiquetas de tempo, com precisão muito elevada (~ 1,- nanosegundo).

[060] Em uma modalidade, utiliza-se um relógio perfeito 418 (isto é, modelado com perfeição). Neste caso, o módulo DAQ 31 propaga simplesmente a hora de um único ponto de sincronização no passado utilizando o período de amostra previsível.

[061] Outra modalidade envolve o apoio do Oscilador Disciplinado (DO). Neste caso, o módulo DAQ 31 requer que o oscilador de referência mantenha o alinhamento durante o período de tempo em que os dados são adquiridos. Geralmente, os osciladores disciplinados contêm um oscilador interno e exploram uma frequência externa padrão que produz correções, ou, ou orientações, no oscilador interno. Uma fonte comum do padrão de frequência externo é o sinal do GNSS. Quando a disciplina vem do GNSS (isto é, utilizando o Oscilador Disciplinado do GPS (GPSDO)), deve-se ter certeza de que a disciplina é executada antes do início do processo da aquisição de dados. Além disso, deve-se assegurar que o dispositivo tem uma performance com condições boas o suficiente para manter o alinhamento em todo o processo da coleta de dados. Obviamente, na implementação se pode utilizar um GPSDO padrão e de uso imediato, como um relógio de referência, e optar por desabilitar a ação disciplinante durante o período de aquisição dos dados.

[062] Em outra modalidade, em que se utiliza o relógio de autossincronismo, a modelagem corrente dos parâmetros desconhecidos (isto é, desvio e taxa de desvio) é executada utilizando um algoritmo de estimativa de um relógio adaptado. Essencialmente, isto equivale à modalidade do parágrafo anterior, no sentido de que o sistema do GNSS é utilizado com uma referência em relação à qual são estimados os parâmetros desconhecidos do relógio de referência. Entretanto, ao invés de orientar, ou disciplinar o oscilador, os parâmetros estimados no relógio são apenas medidos, além de serem utilizados para propagar com maior precisão as etiquetas de tempo do ponto de sincronização inicial. Este é o caso específico do pós-processamento dos dados adquiridos anteriormente. Os dados são pós-processados e um (ou mais) sinal do satélite não afetado aparentemente, ou apenas pouquíssimo afetado, pela anomalia atmosférica em teste podem ser utilizados para estimar os parâmetros desconhecidos do relógio. Deve-se observar que a série de satélites utilizada para estimar os parâmetros desconhecidos do relógio e aqueles utilizados para monitorar a atmosfera devem ser mutuamente exclusivos. A referida abordagem é utilizada de forma extensa para validar os resultados relacionados aos arquivos de cintilação pré-cadastrados em tempo hábil sem utilizar a característica precisa do etiquetamento de tempo.

[063] As três modalidades supracitadas do relógio de referência 418 representam um meio de propagação do ponto de sincronização inicial, a partir da etiqueta de tempo inicial, à frente do tempo. Em todos os casos, a sincronização de tempo inicial deve ser atingida. Nas modalidades, isto é feito pelo processamento de saída, r, do DAQ 31. As amostras podem ser processadas como no receptor típico do GNSS em que os algoritmos tradicionais em circuito fechado são aplicados nas amostras r sendo calculadas a posição e o tempo determinado. O tempo determinado fornece o ponto de sincronização inicial durante o processo da etiquetagem de tempo.

[064] FIG. 5 é um diagrama de bloco do módulo de demodulação em circuito aberto 32 da Fig. 3.

[065] O módulo do Demodulador em Circuito Aberto (OLD) 32 processa as amostras r de IF produzidas pelo módulo DAQ 31 para produzir os valores correlatos Yi. Os inputs necessários ao módulo OLD 32 incluem, preferivelmente, o seguinte: um fluxo preciso de etiquetagem de tempo dos dados digitais do GNSS (r, TOW); dinâmica do usuário, dinâmica do veículo espacial (incluindo um relógio de bordo), e retardos atmosféricos. Observa-se que os retardos induzidos no receptor são modelados/absorvidos pelas etiquetas de tempo da amostra de IF do TOW. O módulo produz como outputs valores correlatos Yi em cada sinal do satélite visível. Um período típico de integração coerente apresenta 1 ms, muito embora uma implementação mais geral apresente períodos mais curtos ou longos.

[066] O OLD 32, representado na FIG. 5, é composto por dois sublocos principais: o sintetizador de sinal do GNSS 502 e o DMF 102. O sintetizador reproduz os sinais do satélite que são observados na antena de recepção 402 (Fig. 4) na hora e no local específicos do usuário. Para executá-lo, a trajetória da antena do usuário 402 deve ser zero ou conhecida com precisão. Isto é obtido ao fornecer o input, denominado ‘Rec.' na FIG. 5, que representa uma trajetória de tempo contínua da antena do receptor 402 centrada no solo e com estrutura fixa nele. O OLD 32 compreende um modelo de receptor do usuário para receber uma etiqueta de tempo (TOW) e o Rec como input; além disso, o módulo de receptor do usuário 504 libera um retardo de tempo Δ (t)RX.

[067] A dinâmica de sinal do satélite é gerada utilizando parâmetros orbitais e correção de relógio combinados com a referência de tempo precisa. Os parâmetros do modelo da trajetória são denominados na FIG. 5 pela variável ‘S.V.'. Os parâmetros orbitais são conhecidos como efeméride e podem ter a forma de uma série de efemérides difundidas, fornecidas pelo GNSS, uma série de outras efemérides precisas ou qualquer outro modelo de trajetória correspondente. Exemplos comuns são as séries difundidas dos parâmetros de Keplerian utilizados no GPS, Galileo e BeiDou, ou as posições cartesianas e os modelos oriundo deles e utilizados no GLONASS, outras opções incluem os modelos de efeméride precisa apresentados por terceiros, como o Serviço Internacional de GNSS (IGS). O OLD 32 também inclui um modelo de veículo especial 506; e um modelo de veículo espacial 506 é adaptado para receber uma etiqueta de tempo (TOW) e os parâmetros orbitais (S.V.) gerando um retardo de tempo δtSV relacionado ao veículo espacial. Por último, as estimativas dos retardos atmosféricos são cada uma delas produzida utilizando outro modelo, parametrizado de forma correspondente, e valores conhecidos ou informações de efemérides auxiliares, as informações são denominadas na FIG. 5 pela variável ‘Atm.'. Os modelos comuns incluem Klobuchar ou NeQuick na ionosfera e Saastamoinen na troposfera, só para citar alguns. O modelo atmosférico 508 é adaptado para receber a etiqueta de tempo (TOW), o retardo de tempo (δtRX) relacionado ao receptor, o retardo de tempo (δtSV) relacionado ao veículo espacial e as informações da efeméride (Atm.). A partir deles, o modelo atmosférico 508 gera um retardo de tempo relacionado à atmosfera (δtA).

[068] O OLD 32 inclui um primeiro elemento somatório 510 para gerar uma primeira soma 512 que compreende a soma do retardo (δtRX) relacionada ao receptor e o retardo (δtSV) relacionado ao veículo espacial. Além disso, um segundo elemento somatório 514 é adaptado para gerar uma segunda soma compreendendo a soma da primeira soma 512 e o retardo de tempo (δtA) relacionado à atmosfera, para gerar um sinal relacionado ao retardo de tempo (tSIG). O sinal relacionado ao retardo de tempo (tSIG) é inserido em um código e no veículo MCO 516 para gerar uma estimativa ( ) a ser inserida no DMF 102.

[069] O DMF 102 executa a recuperação e o acúmulo do fluxo de sinal ingresso em relação o sinal de réplica estimulado, como mostra a FIG. 1. Esta etapa é muito similar àquela executada pelo motor do correlacionador em um receptor comum do GNSS em circuito fechado, como mostra a FIG. 2, com a distinção de que não há operação de retorno. Vantajosamente, a invenção se baseia, de forma precisa, na amplitude da medição, no retardo e nas variações de fase observáveis no sinal recebido sem se basear em qualquer mecanismo de retorno que contempla os resultados do correlacionador Yi podendo eles próprios ser afetados pelas já referidas anomalias. Em uma modalidade do DMF 102, utiliza-se somente um correlacionador por sinal de satélite, porém o conceito é mais geral podendo ser utilizado um número arbitrário. Em outra modalidade, vários correlacionadores são implementados, espaçados na frequência e no retardo ao redor do correlacionador alinhado nominalmente, para produzir uma estimativa mais consistente e precisa dos parâmetros do sinal recebido. Nas modalidades, a implementação envolve o pós-processamento clássico em tempo real.

[070] Dentro do OLD 32 a interface entre os dois sub-blocos (o sintetizador do sinal 502 e o DMF 102) é uma sequência do retardo do código cronometrado de forma apropriada e da fase do veículo, respectivamente, e . Ambos estão relacionados à faixa geométrica da Linha de Visão (LOS) entre o usuário e as antenas do satélite de navegação, porém não existem diferenças substanciais devido, entre outros fatores, à atmosfera, que é um meio dispersivo. Ao utilizar o fluxo temporal preciso, o acumulador pode ser descartado a qualquer momento, porém normalmente de forma sincronizada com as margens do código de propagação. Além disso, dado o acesso às mensagens de navegação difundidas, pode-se prever uma porção significativa da mensagem de navegação, fazendo a eliminação do bit ser executada no sinal recebido. Quando possível, o processo acima aumenta de forma significativa a reconstrução da fase, discutido a seguir no parágrafo seguinte.

[071] O módulo 33 dos Algoritmos de Monitoramento Atmosférico (AMA) (Fig. 3) aceita como inputs os valores correlatos complexos, Y [n], do módulo OLD 32 e produz como outputs as medições atmosféricas. São discutidas abaixo as modalidades do módulo de monitoramento da cintilação ionosférica que produz os índices de cintilação comum, incluindo S4 e βΦ.

[072] Os parâmetros amplamente aceitos na caracterização da cintilação são S4 na amplitude e @Φ na fase do veículo. Geralmente, o cálculo de S4 requer o cálculo de um parâmetro intermediário, denominado , a partir dos valores correlatos, Y [n]. Em muitos casos, o processo é implementado com frequência por outras variáveis intermediárias, denominadas Potência de Banda Estreita (NBP) e Potência de Banda Larga (WBP). Alternativamente, outras implementações calculam as variáveis diretamente dos valores correlatos, como mostra a FIG. 6. Os valores são geralmente destendenciados utilizando um filtro Butterworth de baixa passagem com largura de banda de 0,1 Hz, que, por razões de estabilidade numérica, é implementado como uma cascata em série dos filtros de segunda ordem, denominada LPF 62 na FIG. 6.

[073] FIG. 7 mostra um diagrama de bloco do processo, executado no módulo AMA 33 da Fig. 3, no cálculo do valor ^Φ, em razão de uma série de estimativas de fases, .

[074] O método convencional do cálculo de oΦ envolve a seguir três etapas. Na primeira, a fase do sinal recebido pelo GNSS é reconstruída e amostrada em uma taxa de amostra fixa, para produzir o processo equivalente de θ [n] = θ (nTI). Na segunda etapa, ela é destendenciada utilizando um filtro Butterworth de sexta ordem e alta passagem com largura de banda de 0,1 Hz. Por último, a variância do processo de fase destendenciada é calculada (bloco 74) em blocos finitos de não sobreposição no período de segundos. Em seguida, os resultados do correlator complexo da réplica imediata (ou ainda seus subprodutos) são utilizados para avaliar as anomalias da amplitude, enquanto que as medições da fase do veículo são utilizadas para medir as anomalias da fase. Como mostra a FIG. 7, o filtro de alta passagem é implementado como a diferença (pelo elemento somatório 76) entre o sinal e o componente de baixa passagem gerada pela filtração do LPF 72.

[075] Observa-se que o receptor padrão do GNSS produz as observações da fase do veículo pelo algoritmo de rastreamento na fase de circuito fechado, como o PLL. Em contrapartida, na modalidade da invenção, utilizam-se duas novas abordagens para calcular βΦ. As vantagens de não rastrear a fase do sinal recebido em circuito fechado incluem o seguinte: isolamento do cálculo do índice de cintilação para não rastrearem os artefatos no filtro do circuito, contemplando os problemas das falhas no rastreamento da fase (isto é, ciclos ignorados) em condições de sinal muito deficientes.

[076] As duas modalidades dos métodos para calcular oΦ exploram o fato de a fase reconstruída ser imediatamente destendenciada. Como já foi ditto, o módulo OLD 32, pela síntese do sinal, remove todas as contribuições determinísticas conhecidas na fase do veículo, incluindo a dinâmica da linha de visão (LOS), o relógio do satélite e as contribuições atmosféricas conhecidas. O restante são os erros residuais decorrentes das efemérides e dos modelos atmosféricos, além da contribuição da fase do oscilador local. Um dos objetivos do processo de destendenciamento é remover a contribuição de todos os fatores, com exceção de θAtm. (t) e, sendo apenas necessário ao processo de reconstrução da fase representar a expressão. As duas modalidades são as seguintes:

Método 1: Reconstrução do processo da fase.

[077] FIG. 8 mostra um diagrama de bloco do processo, executado no módulo AMA 33 da Fig. 3, na reconstrução da fase dos valores correlatos, Yi, que calcula a fase corrente como a soma da fase anterior e a fase residual observadas na desrrotação do correlator corrente pela estimativa da fase prévia. A notação e-jθ representa um vetor unitário no plano complexo que apresenta um ângulo de -θ em relação ao eixo real, e a notação z-1 representa um único retardo da amostra. Neste caso, a parte útil no processo da fase é reconstruída pela soma cumulativa das diferenças da fase calculadas entre os sucessivos pares de valores correlatos (isto é, Y [n - 1] e Y [n]). Como mostra a FIG. 8, os valores correlatos Yi são derrotacionados (pelo bloco 82 ingresso no primeiro elemento de multiplicação 84) pela estimativa da fase anterior e o erro da fase residual medidos. Um bloco discriminador 84 representa a função discriminadora da fase, descrita na Eq. 4. A estimativa da fase total, θ, é fornecida pelo acúmulo das medições da fase residual. A fase oriunda do processo pode ser processada da mesma forma que aquela produzida pelo receptor comum do GNSS. A contribuição mais significativa à medição da fase de frequência do veículo se dá pela velocidade LOS entre o usuário e a antena do satélite, bem como a diferença entre o usuário e a variação do relógio do satélite. Geralmente, ao utilizar as medições da fase de um receptor tradicional, esta contribuição é filtrada pelo filtrador de destendenciamento à custa do tempo de convergência não negligenciável. Na verdade, o tempo de convergência do filtro pode ser na ordem de minutos. Esta técnica remove naturalmente a contribuição da fase. Os resultados comprovam que, em condições de ruído nominal, o filtro de destendenciamento produz exatamente os mesmos resultados no processo da fase convencional e naquele do Método 1, porém a conversão é muito mais rápida no último caso.

[078] Especificamente, o processo da fase é reconstruído a seguir. Primeiro, os valores correlatos correntes são derrotacionados pela estimativa da fase anterior (que é inicializada em zero na primeira amostra). Segundo, a fase residual Φ é estimada por um discriminador coerente (arco tangente de quatro quadrantes) ou não coerente (arco tangente) 86, dependendo do reconhecimento do sinal do bit de dados correspondente à amostra corrente. O valor da fase corrente Φ é calculado como uma soma (pelo elemento somatório 87) da fase anterior (oriunda da aplicação do bloco 88) e da fase residual corrente Φ. Matematicamente, este processo pode ser representado por:

em que d [n] é o valor do bit de dados corrente, considerando que o processo da fase pode ser decomposto na compactação recursiva das diferenças de fase: θ [n] = θ [n - 1] + Δ[n], a notação denota, respectivamente, as partes reais e imaginárias de , e as funções atan e - ), respectivamente, denotando as funções do arco tangente e do arco tangente de quatro quadrantes. O processamento da fase estimada produz a medição de aΦ e, em seguida, o algoritmo padrão mostrado na FIG. 7.

Método 2: Filtro de Destendenciamento modificado.

[079] FIG. 9 é um diagrama de bloco do processo, executado no módulo AMA 33 da Fig. 3, para calcular o valor de oΦ em função de uma série de estimativas de diferença de fase, . A segunda abordagem ressalta o fato de que o filtro da passagem de banda na sexta ordem com largura de banda de 0,1 Hz remove essencialmente todas as dinâmicas de variação lenta na fase do veículo. Isto indica que a reconstrução do processo da fase pode ser eliminada por completo, e as diferenças de fase são utilizadas no lugar da fase absoluta. A ordem do filtro de destendenciamento pode ser reduzida em um e um equivalente, porém um filtrador mais simples gera exatamente os mesmos resultados obtidos no decorrer da abordagem convencional. O novo filtro é identificado da maneira a seguir. Considerando que o filtro Butterworth tradicional de passagem elevada na sexta ordem apresenta uma função de transferência do domínio z na expressão abaixo:

em que o resultado da Eq. (5) é o processo da fase de destendenciamento, denotada θD [n], identificado pela aplicação H (z) na fase reconstruída, θ [n]. O filtro equivale de forma idêntica ao processo em cascata na aplicação do filtro B (z) a θ (t) e, subsequentemente, na do filtro 1/A (z) obtendo o resultado. Assim, o processo da fase, θ [n], é operado somente com B (z).

[080] Na expressão n, o resultado do filtro B (z) aplicado em θ [n], denotado θB [n], é o seguinte:

[081] Novamente, considerando a decomposição do processo da fase na compactação das diferenças de fase, Eq. (6) é a seguinte:

[082] H (z) permanece um filtro de passagem elevada e apresenta ganho DC zero, assim H (1) = 0, de modo que

e (7) é reduzido para:

em que 3

voltando a (8), conclui-se que c6 = 0, de forma que

[083] Concluindo, comprova-se que o processo de fase destendenciado, θD, obtido pelo processamento do processo da fase original θ utilizando o filtro H (z), é, de forma idêntica, equivalente àquele obtido pelo processamento no processo da diferença de fase Δ [n] = θ [n] - θ [n - 1], utilizando um novo filtro dado por:

[084] A implicação de (12) é que o processo de fase não necessita ser removido para ser reconstruído sendo somente necessária a estimativa da diferença de fase nos dois valores correlatos adjacentes. Isto simplifica enormemente a geração de , resultando em um algoritmo de monitoramento mais consistente e significativo. Especificamente, em uma modalidade, a reconstrução do processo da diferença de fase envolve o seguinte:

[085] Embora a simples estimativa direta da diferença de fase, apresentada na Eq. (13), seja considerada a seguir, em outras modalidades alternativas o processamento dos valores correlatos pode ser executado para aumentar a estimativa de Δ[n]. Por exemplo, a estimativa pode ser condicionada mediante modelos estatísticos a priori no processo de fase; um esquema pode ser implementado para descartar ou corrigir as estimativas que parecem exageradas, ou equivocadas; pode-se também observar múltiplos, três ou mais valores correlatos sucessivos.

[086] A comparação de oΦ, e S4 calculada pelo Método 1 e Método 2 e o receptor comercial de monitoramento atmosférico (Referência) são apresentados na FIG. 10 e FIG. 11, respectivamente, em que se observa que o algoritmo de monitoramento em circuito aberto é capaz de reproduzir com perfeição aquele do receptor tradicional em circuito fechado.

[087] Além das modalidades descritas com referência àquelas que apresentam vários componentes em suas respectivas implementações, observa-se que outras modalidades utilizam outras combinações e alterações destes e outros componentes.

[088] Além disso, algumas das modalidades são descritas na invenção como um método ou combinação de elementos de um método que pode ser implementado por um processador de um sistema de computador ou outros meios de executar a função. Por esta razão, o processador com as instruções necessárias para executar o referido método ou elemento de um método compõe um meio de execução do método ou seu elemento. Ademais, o elemento supradescrito na modalidade do aparato exemplifica um meio de executar a função realizada pelo elemento visando executar a invenção.

[089] Na descrição supradescrita, são indicados inúmeros detalhes específicos. Entretanto, compreende-se que as modalidades da invenção podem ser postas em prática sem especificação de detalhes. Em outras circunstâncias, os métodos, estruturas e técnicas bem conhecidos não são mostrados em detalhes para não comprometer o entendimento da descrição.

[090] Assim, embora a invenção descreva as modalidades consideradas preferidas, os técnicos conhecedores reconhecem que nela podem ser feitas modificações posteriores sem fugir ao âmbito da invenção, levando em conta que todas as alterações e modificações fazem parte dela. Por exemplo, as fórmulas apresentadas acima representam apenas os procedimentos que podem ser executados. Pode-se acrescentar ou eximir a funcionalidade dos diagramas de bloco, e as operações podem ser intercaladas entre os blocos funcionais. Além disso, pode-se adicionar etapas de acréscimo ou eliminação nos métodos descritos no âmbito da invenção

Claims

1. Sistema de medição caracterizado por gerar medições de cintilação de fase ionosférica baseadas em pelo menos um sinal do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) de um transmissor de satélite de GNSS, o sistema de medição compreendendo, em um receptor térreo: um módulo de aquisição de dados (31), um módulo desmodulador (32) e um módulo de algoritmos de monitoramento atmosférico (33) dispostos em uma configuração de circuito aberto; em que o módulo de aquisição de dados (31) é adaptado para receber o referido sinal GNSS, que inclui um relógio de referência (418) e um conversor análogo-digital (ADC) (416) acoplado ao relógio de referência (418), o ADC sendo adaptado para gerar uma pluralidade de amostras de frequência intermediária (IF) (r) no período do relógio de referência (418), cada amostra de IF tendo uma etiqueta de tempo associada (TOW) e oriunda do referido relógio de referência (418); em que o módulo desmodulador (32) é adaptado para receber as referidas amostras de IF (r) e as etiquetas de tempo associadas (TOW) e os dados auxiliares (35) relacionados ao referido sistema de satélite, os dados auxiliares (35) incluindo informações de efemérides (ATM), além de serem adaptados e dos quais são gerados valores correlatos (Yi); e em que o módulo de algoritmo de monitoramento atmosférico é adaptado para receber os referidos valores correlatos (Yi) dos quais são geradas as referidas medições de cintilação de fase (oΦ); e em que o módulo dos algoritmos de monitoramento atmosférico (33) inclui um algoritmo de reconstrução de processo de fase, o algoritmo de reconstrução de processo de fase compreendendo: derrotação dos valores correlatos atuais (Yi) pela estimativa da fase anterior; estimativa da fase residual (Φ) utilizando um discriminador; e cálculo da fase atual (θ) durante a soma da fase anterior e da fase residual atual (Φ).

2. Sistema de medição caracterizado por gerar medições de cintilação de fase ionosférica com base em pelo menos um sinal do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) de um transmissor de satélite de GNSS, o sistema de medição compreendendo, em um receptor térreo: um módulo de aquisição de dados (31), um módulo desmodulador (32) e um módulo de algoritmos de monitoramento atmosférico (33) dispostos em uma configuração de circuito aberto; em que o módulo de aquisição de dados (31) é adaptado para receber o referido sinal GNSS e inclui um relógio de referência (418) e um conversor análogo-digital (ADC) (416) acoplado ao relógio de referência (418), o ADC sendo adaptado para gerar uma pluralidade de amostras de frequência intermediária (IF) (r) no período do relógio de referência (418), cada amostra de IF tendo uma etiqueta de tempo associada (TOW) e oriunda do referido relógio de referência (418); em que o módulo desmodulador (32) é adaptado para receber as referidas amostras de IF (r) e as etiquetas de tempo associadas (TOW) e os dados auxiliares (35) relacionados ao referido sistema de satélite, os dados auxiliares (35) incluindo informações de efemérides (ATM), sendo adaptados e dos quais são gerados valores correlatos (Yi); e em que o módulo de algoritmo de monitoramento atmosférico é adaptado para receber os referidos valores correlatos (Yi), dos quais são geradas as referidas medições de cintilação de fase (oΦ); em que o módulo de algoritmo de monitoramento atmosférico (33) inclui um algoritmo de processo de diferença de fase, o algoritmo de processo de diferença de fase sendo operado na reconstrução dos valores do processo de diferença de fase Δ[n] utilizando

em que cada valor do processo de diferença de fase Δ[n] é uma diferença de fase em dois valores de correlação adjacentes; e em que oΦ é calculado a partir dos valores do processo de diferença de fase Δ[n] utilizando um filtro nele aplicado dado por:

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o módulo de aquisição de dados (31) ser adaptado na saída de cada amostra de IF (r) etiquetada como amostra de IF (r), cada amostra de IF etiquetada (r) compreendendo uma amostra de IF (r) etiquetada com uma respectiva etiqueta de tempo (TOW).

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado por o módulo desmodulador (32) ser adaptado para receber as referidas amostras de IF (r) etiquetadas, em que cada valor correlato (Yi) gerado pelo módulo desmodulador (32) é associado a uma respectiva etiqueta de tempo (TOW).

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo de aquisição de dados (31) compreender um módulo de etiquetagem de tempo (420) adaptado na saída das referidas etiquetas de tempo (TOW) de forma sincrônica às respectivas amostras de IF (r).

6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo de aquisição de dados (31) compreender um módulo de etiquetagem de tempo (420) acoplado ao relógio de referência (418), o módulo de etiquetagem de tempo (420) sendo adaptado para operar como um contador local que representa o tempo local, o cálculo do contador local sendo incrementado ao ser gerada cada amostra de IF (r).

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo de aquisição de dados (31) compreender um conversor de baixa frequência (410) adaptado para gerar sinais análogos de IF a partir dos sinais de radionavegação, o conversor de baixa frequência (410) que opera baseado em um sinal de conversão oriundo da saída do relógio de referência (418).

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o módulo de aquisição de dados (31) compreender um PLL (424) acoplado para receber a saída do relógio de referência (418), em que o PLL (424) aciona o VCO (426) que encaminha o sinal de conversão para o conversor de baixa frequência (410).

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o relógio de referência (418) apresentar um grau de alinhamento com o período de tempo do sinal de radionavegação de menos de um décimo do período do chip do código de alcance do sinal de radionavegação.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o relógio de referência (418) apresentar um grau de alinhamento com o período de tempo do sinal de radionavegação ao ser utilizado para propagar uma estimativa de tempo, relacionada à geração das etiquetas de tempo, com uma precisão em torno de 1 nanosegundo.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o relógio de referência (418) ser adaptado para a propagação de um ponto de sincronização inicial, correspondente à etiqueta de tempo inicial, em tempo hábil.

12. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o relógio de referência (418) compreender um relógio perfeitamente modelado, em que as referidas etiquetas de tempo são oriundas dos sinais de tempo pré-propagados pelo ponto de sincronização do sinal utilizando um período de amostra predeterminado.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por o relógio de referência (418) compreender um oscilador disciplinado, o oscilador disciplinado incluindo um oscilador interno e sendo adaptado para receber um sinal de relógio disciplinador a partir de um padrão de frequência externa.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por ser operável em uma fase de iniciação e uma fase de aquisição de dados, em que o relógio de referência (418) é operável, de modo que o disciplinamento do oscilador disciplinado se torna ativo durante a fase de iniciação e desativado durante a fase da aquisição de dados.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o padrão de frequência externa ser oriundo de um sinal GNSS e um sinal oscilador disciplinado GPS (GPSDO).

16. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por o relógio de referência (418) compreender um relógio de velocidade livre no qual o modelo corrente dos seus parâmetros desconhecidos é executado utilizando um algoritmo de estimativa do relógio.

17. Sistema de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o relógio de referência (418) ser operável para medir os parâmetros estimados no relógio, e propagar com precisão as etiquetas de tempo a partir de um ponto de sincronização inicial baseado nos parâmetros estimados no relógio.

18. Sistema de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por os parâmetros estimados no relógio serem medidos a partir dos sinais de radionavegação na primeira série de transmissores de satélite e por o(s) sinal(is) de navegação recebido(s) pelo referido módulo de aquisição de dados (31) ser(em) oriundo(s) de um ou mais transmissores de satélite de uma segunda série de transmissores de satélite, não tendo a primeira série e a segunda série um transmissor de satélite em comum.

19. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os dados auxiliares (35) incluírem um parâmetro relacionado ao receptor (Rec.), o parâmetro relacionado ao receptor representando uma trajetória contínua em trechos na antena do receptor (402) em uma armação centralizada e fixada no solo.

20. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os dados auxiliares (35) incluírem parâmetros orbitais (S.V.) de um satélite no qual o transmissor é montado.

21. Sistema de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por os parâmetros orbitais (S.V.) compreenderem efemérides de difusão.

22. Sistema de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por as efemérides de difusão compreenderem efemérides de GNSS ou efemérides precisas.

23. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo desmodulador (32) incluir um modelo de receptor de usuário (504) para receber uma etiqueta de tempo (TOW) e o parâmetro relacionado ao receptor (Rec.), e para a saída do atraso de tempo relacionado ao receptor (δtRX).

24. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo desmodulador incluir um modelo de veículo espacial (506), o modelo de veículo espacial sendo adaptado para receber uma etiqueta de tempo (TOW) e os parâmetros orbitais (S.V.), e para gerar um atraso de tempo relacionado ao veículo espacial (δtSV).

25. Sistema de acordo com a reivindicação 24, quando dependente da reivindicação 23, caracterizado por o módulo desmodulador (32) incluir um modelo atmosférico (508), o modelo atmosférico sendo adaptado para receber a etiqueta de tempo (TOW), o atraso de tempo relacionado ao receptor (δtRX), o atraso de tempo relacionado ao veículo espacial (δtSV) e as informações de efeméride (Atm.), para produzir um diferencial de tempo relacionado à atmosfera (δtA).

26. Sistema de acordo com a reivindicação 24, quando dependente da reivindicação 23, caracterizado por o módulo desmodulador (32) ser adaptado para gerar uma primeira soma (512) que compreende a soma do diferencial de tempo relacionado ao receptor (δtRX) e o diferencial de tempo relacionado ao veículo espacial (δtSV), e para gerar uma segunda soma compreendendo a soma da primeira soma (512) e o diferencial de tempo relacionado à atmosfera (δtA) para gerar um atraso de tempo relacionado ao sinal (tSIG).

27. Sistema de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por o módulo desmodulador incluir adicionalmente um código e um veículo MCO adaptado para receber o atraso do sinal (tSIG) e gerar uma estimativa (

para entrada de um DMF (102).

28. Sistema de acordo a reivindicação 2, caracterizado por oΦ ser obtido de oΦ2 utilizando a função

29. Método de medição caracterizado por gerar medições de cintilação de fase ionosférica baseadas em pelo menos um sinal do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) de um transmissor de satélite de GNSS, o método compreendendo: fornecer um módulo de aquisição de dados (31), um módulo desmodulador (32) e um módulo de algoritmos de monitoramento atmosférico (33) dispostos em uma configuração de circuito aberto em um receptor térreo, em que o módulo de aquisição de dados (31) inclui um relógio de referência (418) e um conversor análogo-digital (ADC) (416) acoplado ao relógio de referência (418); receber, utilizando o módulo de aquisição de dados (31), o referido sinal GNSS, o ADC sendo adaptado para gerar uma pluralidade de amostras (r) de frequência intermediária (IF) no período do relógio de referência (418), cada amostra de IF tendo uma etiqueta de tempo associada (TOW) oriunda do referido relógio de referência (418); receber, utilizando o módulo desmodulador (32), as referidas amostras de IF (r) e as etiquetas de tempo associadas (TOW) e os dados auxiliares (35) relacionados ao referido sistema de satélite, os dados auxiliares (35) incluindo informações de efemérides (ATM), dos quais são gerados valores correlatos (Yi); e receber, utilizando o módulo de algoritmo de monitoramento atmosférico (33), os referidos valores correlatos (Yi) e os quais são geradas as referidas medições de cintilação de fase ^); e em que o módulo dos algoritmos de monitoramento atmosférico (33) inclui um algoritmo de reconstrução de processo de fase, o algoritmo de reconstrução de processo de fase sendo adaptado para: derrotação dos valores correlatos atuais (Yi) pela estimativa da fase anterior; estimativa da fase residual (Φ) utilizando um discriminador; e cálculo da fase atual (θ) durante a soma da fase anterior e da fase residual atual (Φ).

30. Método de medição caracterizado por gerar medições de cintilação de fase ionosférica baseadas em pelo menos um sinal do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) de um transmissor de satélite de GNSS, o método compreendendo: fornecer um módulo de aquisição de dados (31), um módulo desmodulador (32) e um módulo de algoritmos de monitoramento atmosférico (33) dispostos em uma configuração de circuito aberto em um receptor térreo, em que o módulo de aquisição de dados (31) inclui um relógio de referência (418) e um conversor análogo-digital (ADC) (416) acoplados ao relógio de referência (418); receber, utilizando o módulo de aquisição de dados (31), do referido sinal GNSS, o ADC sendo adaptado para gerar uma pluralidade de amostras (r) de frequência intermediária (IF) no período do relógio de referência (418), cada amostra de IF tendo uma etiqueta de tempo associada (TOW) oriunda do referido relógio de referência (418); receber, utilizando o módulo desmodulador (32), das referidas amostras de IF (r) e das etiquetas de tempo associadas (TOW) e dos dados auxiliares (35) relacionados ao referido sistema de satélite, os dados auxiliares (35) incluindo informações de efemérides (ATM), dos quais são gerados valores correlatos (Yi); e receber, utilizando o módulo de algoritmo de monitoramento atmosférico (33), os referidos valores correlatos (Yi) e dos quais são geradas as referidas medições de cintilação de fase (oΦ); e em que o módulo dos algoritmos de monitoramento atmosférico (33) inclui um algoritmo de processo de diferença de fase, o algoritmo de processo de diferença de fase sendo operável para reconstruir os valores do processo de diferença de fase Δ[n] utilizando

em que é calculado a partir dos valores do processo de diferença de fase Δ[n] utilizando um filtro a ele aplicado dado por

31. Meio de armazenamento gravável, regravável ou armazenável com dados registrados ou nele armazenados, caracterizado por definir ou ser transformável em instruções para a execução pelo circuito de processamento e que correspondem pelo menos às etapas das reivindicações 29 e 30.

32. Computador servidor caracterizado por incorporar um dispositivo de comunicação e um dispositivo de memória e ser adaptado à transmissão solicitada ou outra relacionada a dados que definem ou são transformáveis em instruções para a execução pelo circuito de processamento, e que correspondem pelo menos às etapas das reivindicações 29 e 30.