BR112017022996B1 - Sistema para processamento de sinais de um emissor para fins de datação dos sinais e localização do emissor e estação de recepção associada - Google Patents
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Abstract
SISTEMA PARA PROCESSAMENTO DE SINAIS DE UM EMISSOR PARA FINS DE DATAÇÃO DOS SINAIS E LOCALIZAÇÃO DO EMISSOR E ESTAÇÃO DE RECEPÇÃO ASSOCIADA. A presente invenção refere-se a uma estação de recepção (1x) de um sistema para processamento de sinais que se originam de um emissor, compreendendo: um primeiro receptor (3) configurado para adquirir sinais do emissor; e um segundo receptor (4) configurado para adquirir sinais de um sistema de navegação por satélite. A estação é caracterizada pelo fato de o primeiro receptor (3) e o segundo receptor (4) serem sincronizados pelo mesmo relógio local (6), gerando uma base de tempo local, os sinais adquiridos sendo datados pela referida base de tempo.
Description
[001] A invenção refere-se à sincronização de tempo de sintonia fina de sistemas que recebem sinais geograficamente remotos. Em particular, a invenção aplica-se ao campo da localização de transmissor e, mais especificamente, refere-se a um sistema para processamento de sinais de um transmissor com a finalidade de sincronização de sintonia fina desses sinais para localizar o referido transmissor. A invenção pode ser aplicada sem limitação a aplicações como medição de ângulo, determinação de direção ou sistemas MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) ou sistemas SIMO (Single-Input Multiple-Output), que buscam operar uma pluralidade de sensores para aumentar a qualidade de recepção do sinal.
[002] Mais em geral, a invenção refere-se a sistemas dotados de uma pluralidade de sensores e dedicados à recepção, análise e utilização de sinais, usando para esta finalidade as diversas propriedades de um mesmo sinal, tal como percebido em locais geograficamente diferentes. Em particular, os referidos sistemas contêm um sub-sistema de processamento de sinal que permite a sincronização de sintonia fina desses sinais de modo que seja possível aproveitar as vantagens adequadas da diversidade de propriedades acima mencionada.
[003] Para uma localização remota precisa de um objeto que transmite ou envia um sinal, um dos principais métodos utilizados requer a medição de sintonia fina da diferença entre o tempo de recepção de uma parte desse sinal recebido em diversas localizações.
[004] Para medir as Time Differences of Arrival (TDOA) e as Frequency Differences of Arrival (FDOA), essas porções de sinais temporizado são transmitidas, em seguida comparadas por correlação de tempo e frequência em uma unidade de processamento comum. Em uma técnica de sincronização de sintonia fina conhecida, os sinais que chegam do objeto a ser localizado são recebidos com um sistema de receptor sincronizado por um receptor de sinais de um sistema GNSS (Global Navigation Satellite System), como GPS, Glonass, Galileo ou Beidu, por exemplo. Esses receptores de sinais de um sistema de navegação por satélite transmitem sua base de tempo. Esta base de tempo, sincronizada com os sinais de um sistema de navegação por satélite, é transmitida para os outros receptores de sinais que, por sua vez, usam esta base para cronometrar as gravações de sinais de interesse.
[005] Esta técnica integra vários erros na transmissão da base de tempo, o que causa um erro absoluto de temporização.
[006] Com a invenção, é possível melhorar a precisão de tempos dos sinais recebidos em diversas localizações.
[007] A invenção permite vantajosamente a localização de um transmissor por meio de gravações, em múltiplos locais, de sinais desse transmissor.
[008] Os erros de tempo são geralmente independentes uns dos outros e, em particular, não podem compensar uns aos outros em caso de sincronização diferencial (isto é, no caso em que é a diferença de tempos que é de importância essencial, em particular para aplicações de localização de transmissores).
[009] Em um primeiro aspecto, a invenção refere-se a uma estação de recepção de um sistema para processamento de sinais de um transmissor, que compreende um primeiro receptor configurado para adquirir sinais de um transmissor; um segundo receptor configurado para adquirir sinais recebidos de um sistema de navegação por satélite; a estação sendo caracterizada pelo fato de o primeiro receptor e o segundo receptor serem ritmados por um mesmo relógio local gerando uma base de tempo local, os sinais adquiridos sendo temporizados pela referida base de tempo.
[0010] A estação receptora, no primeiro aspecto da invenção, é vantajosamente completada pelas seguintes características tomadas sozinhas ou em qualquer combinação tecnicamente possível das mesmas:
[0011] O segundo receptor é ainda configurado para demodular os sinais recebidos do sistema de navegação por satélite, extrair a base de tempo absoluto e depois determinar a diferença entre esta base de tempo e cada base de tempo local de modo a ressincronizar os sinais do transmissor em relação a dita base de tempo absoluto.
[0012] O primeiro receptor está configurado de modo que, a partir da diferença entre a base de tempo absoluto e a base de tempo local, ele cronometra os sinais do transmissor em relação à base de tempo absoluto.
[0013] O primeiro receptor é configurado para adquirir porções de sinais do transmissor durante um período predefinido na base de tempo absoluto e para transmiti-los para uma estação de processamento juntamente com os tempos ou diferenças de temporização das referidas porções nas bases de tempo locais e absolutos.
[0014] O sistema de navegação por satélite compreende pelo menos uma constelação de satélites, cada constelação compreendendo uma pluralidade de satélites, o segundo receptor está configurado para selecionar em modo autônomo ou supervisionado pelo menos um satélite entre a pluralidade de satélites de uma das constelações constituintes do sistema de navegação por satélite, os sinais adquiridos pelo segundo receptor sendo recebidos do (s) satélite (s) selecionado (s).
[0015] A seleção, em modo autônomo, consiste em selecionar pelo menos um satélite tendo uma elevação superior a um valor limite, em uma constelação visível.
[0016] O segundo receptor é configurado para gerar um indicador de qualidade de recepção de sinais recebidos de um satélite em uma constelação visível, a seleção em modo autônomo consistindo em selecionar pelo menos um satélite para o qual o indicador de qualidade é maior do que um valor limite.
[0017] O segundo receptor está configurado para receber informações, no modo supervisionado, sobre a seleção de um satélite enviada por uma estação de processamento.
[0018] O segundo receptor está configurado para gerar um indicador de qualidade de recepção de sinais recebidos de um ou mais satélites em uma constelação visível, sendo o indicador de qualidade transmitido para a estação de processamento, a informação sobre a seleção de um ou mais satélites sendo determinada a partir deste indicador de qualidade.
[0019] Em um segundo aspecto, a invenção refere-se a um sistema para processar sinais de um transmissor, que compreende: pelo menos duas estações receptoras de acordo com o primeiro aspecto da invenção e uma estação de processamento configurada para processar sinais transmitidos e temporizados pelas estações receptoras.
[0020] O sistema de processamento de acordo com o segundo aspecto da invenção é vantajosamente completado pelas seguintes características tomadas sozinhas ou em qualquer combinação tecnicamente possível:
[0021] A estação de processamento compreende uma unidade de processamento configurada para calcular diferenças de chegada em tempo e / ou frequência entre porções de sinais idênticos do transmissor.
[0022] A unidade de processamento é ainda configurada de modo que, a partir das diferenças de chegada calculadas, pode determinar uma localização do transmissor a partir do qual os sinais adquiridos foram recebidos.
[0023] O segundo receptor de cada uma das estações receptoras está configurado para selecionar, em modo autônomo, pelo menos um satélite dentro da visibilidade de cada uma das estações em uma elevação superior a um valor limite.
[0024] A estação de processamento é uma das estações receptoras.
[0025] Outras características, objetivos e vantagens da invenção tornar-se-ão evidentes a partir da descrição que se segue, que é unicamente ilustrativa e não limitativa, e deve ser lida em conexão com os desenhos anexos em que:
[0026] A Figura 1 ilustra um sistema para processar sinais remotos de um mesmo transmissor;
[0027] A Figura 2 ilustra uma estação receptora de um sistema para processar sinais remotos de um transmissor de acordo com a invenção;
[0028] A Figura 3 ilustra uma estação receptora de um sistema para processar sinais remotos de um transmissor de acordo com uma solução convencional;
[0029] Em todas as figuras, partes semelhantes possuem as mesmas referências.
[0030] Com relação à Figura 1, um sistema para processamento de sinais de um transmissor 2 compreende pelo menos duas estações receptoras configuradas para adquirir sinais primeiro do transmissor 2 e, em segundo lugar, sinais recebidos de um ou mais sistemas de navegação por satélite 5 conhecidos como sistemas GNSS (por exemplo, GPS, Glonass ou Galileo). Na Figura 1, três estações remotas são ilustradas 1a, 1b, 1c. O transmissor 2 é normalmente um satélite que se deseja localizar, mas pode ser um transmissor de aeronave ou terra, como um terminal móvel.
[0031] O sistema de processamento compreende ainda uma estação de processamento 7 configurada para receber os sinais S1a, S1b, S1c e as respectivas temporizações T1a, T1b, T1c enviadas pelas estações receptoras 1a, 1b, 1c. A estação de processamento 7 particularmente permite a localização do transmissor 2. São possíveis outras aplicações que requerem sincronização.
[0032] Vantajosamente, a estação de processamento 7 pode ser incluída em uma das estações receptoras 1a, 1b, 1c.
[0033] Com referência à Figura 2, cada estação receptora 1x (x = a ou b ou c) compreende um primeiro receptor 3 configurado para adquirir sinais do transmissor 2 e um segundo receptor 4 configurado para adquirir sinais do sistema de navegação por satélite 5 (daqui em diante, os sinais GNSS).
[0034] O primeiro receptor 3 está ligado à primeira antena 31 e o segundo receptor 4 está ligado a uma segunda antena 42. Os primeiro e segundo receptores 3, 4 podem ser vantajosamente posicionados em uma mesma embalagem garantindo as funções dos receptores 3, 4, respectivamente.
[0035] O primeiro receptor 3 e o segundo receptor 4 de cada uma das estações receptoras 1x são ritmados e temporizados por um mesmo relógio local 6x gerado localmente em cada uma das estações receptoras 1x. Observa-se ainda que os relógios locais 6x de cada estação receptora 1x não estão sincronizados um com o outro.
[0036] É especificado aqui que, por "relógio local", pretende-se designar uma unidade que permita o desencadeamento e sincronização da amostragem de aquisições pelo primeiro e segundo receptores 3, 4 e que forneça temporização comum (referência temporal) das amostras constituintes de suas respectivas aquisições. A aquisição simultânea de sinais GNSS e de sinais do transmissor 2 possibilita, em cada estação receptora 1a, 1b, 1c, cronometrar precisamente, cada sinal do transmissor 2.
[0037] Todos os satélites de um sistema GNSS são sincronizados um com o outro por uma base de tempo GNSS comum, o tGNSS (chamado base de tempo absoluto).
[0038] O primeiro receptor 3 de cada uma das estações receptoras 1x é configurado para obter a aquisição dos sinais S1x (x = a ou b ou c) do transmissor 2 de forma ritmada e cronometrada pela base de tempo t61x (x = a ou b ou c ) fornecida pelo relógio local 6.
[0039] O segundo receptor 4 de cada uma das estações receptoras 1x está configurado para processar os sinais GNSS de modo a realizar a reconstituição local, por meio do processamento e demodulação dos sinais GNSS, da base de tempo absoluto reconstituída tGNSS-x (x = a ou b ou c). Além disso, sendo ritmado pelo relógio local 6x, o segundo receptor é configurado permanentemente para determinar um valor Δ 1x (x = a ou b ou c) da diferença de tempo entre a base de tempo local t61x gerada pelo relógio local 6 e a base de tempo GNSS reconstituída tGNSS-x.
[0040] Ao adicionar o sinal de diferença de relógio Δ1a, Δ1b, Δ1c, a estação receptora 1a, 1b, 1c é capaz de converter qualquer sinal S1a, S1b, S1c temporizado na base de tempo local t61a t61b t61c em um sinal S1a, S1b, S1c temporizado na base de tempo GNSS reconstituída tGNSS-a, tGNSS-b, tGNSS-c do sistema GNSS com um tempo T1a, T1b, T1c. Os sinais são, portanto, cronometrados de acordo com a base de tempo tGNSS com precisão reduzida ao erro de reconstrução ao gerar as bases de tempo tGNSS-a, tGNSS-b, tGNSS-c que é mínima e permite a afirmação de que as estações receptoras 1a, 1b, 1c do sistema de processamento são sincronizadas em tempo e frequência.
[0041] Cada estação receptora 1a, 1b, 1c transmite para a estação de processamento 7 os sinais S1a, S1b, S1c, do transmissor 2 juntamente com o seu tempo reconstituído na base de tempo tGNSS T1a, T1b, T1c.
[0042] Portanto, ao contrário de um sistema convencional, o segundo receptor 4 não reconstrói um relógio de referência local sincronizado com a base de tempo GNSS, mas computa uma diferença de tempo que permite a conversão do relógio local t61a, t61b, t61c, comum nos receptores 3 e 4, para uma base de tempo absoluto GNSS tGNSS-a, tGNSS-b, tGNSS-c.
[0043] Dentro de uma arquitetura convencional, este relógio reconstituído seria usado para sincronizar o primeiro receptor 3. Portanto, neste tipo de arquitetura convencional, a síntese do relógio e sua transferência são fontes principais de erro de sincronização, além da precisão da reconstituição da base de tempo absoluto tGNSS-a, tGNSS- b, tGNSS-b pelo receptor 4. A Figura 3 ilustra uma arquitetura convencional na qual cada receptor 3, 4 possui seu próprio relógio h3, h4.
[0044] Por outro lado, o uso de dois receptores idênticos 3 e 4 ritmados pelo mesmo relógio local permite que o erro de sincronização entre o primeiro e o segundo receptores 3, 4 seja reduzido ao jitter (instabilidade de um sinal em um pequeno espaço de tempo) intrínseco dos conversores analógico-digitais, esse jitter sendo muito inferior ao imposto por uma mudança no domínio do relógio que requer a regeneração de um sinal de relógio com base no processamento de sinal GNSS e sua transferência de um receptor para outro. A precisão da sincronização do receptor 3 em relação à base de tempo absoluto é, portanto, essencialmente reduzida à precisão da reconstituição da base de tempo absoluto tGNSS-a, tGNSS-b, tGNSS-b pelo receptor 4.
[0045] Voltando à Figura 1, a estação de processamento 7 compreende uma unidade de processamento 8 configurada para comparar todos os sinais S1a, S1b, S1c do transmissor 2 e T1a, T1b, T1c cronometrados e depois para determinar uma diferença de tempo Δtl, Δt2 entre duas porções idênticas do sinal Sia, Sib, Sic entre duas aquisições diferentes.
[0046] Essas diferenças de tempo são, portanto, TDOAs, diferenças no tempo de chegada de um mesmo sinal do transmissor 2 e recebido por duas estações geograficamente separadas.
[0047] Os TDOAs, tal como medidos entre as estações ia e ib, são exatamente a diferença nos tempos de propagação retirados pelo sinal do transmissor 2 para alcançar a estação ia e para alcançar a estação ib, tempos de propagação que são exatamente determinados por modelos físicos conhecidos de movimento do transmissor 2, de propagação de sinal do transmissor para as estações receptoras ia e ib, e de posições geográficas muito bem conhecidas das estações receptoras e posição do transmissor 2 no momento da transmissão do sinal que é o desconhecido restante a ser determinado.
[0048] Usando coordenadas geográficas precisas das estações, os TDOAs obtidos de pelo menos dois pares de estações durante um determinado período de medição, um modelo de movimento do transmissor 2 e um modelo de propagação dos sinais no meio que separa o transmissor 2 das estações receptoras, então é possível localizar o transmissor precisamente e determinar seu caminho.
[0049] Como indicado anteriormente, as bases de tempo absoluto reconstituídas tGNSS-a, tGNSS-b, tGNSS-c são consideradas idênticas. No entanto, pode ocorrer um erro de sincronização absoluta. Este erro de sincronização é reduzido a um erro de jitter JitterErrx (x = a ou b ou c) (que é um erro de diferença no tempo de transferência T6ia para o primeiro e segundo receptores 3, 4) e para o erro de reconstrução (tGNSS x - tGNSS).
[0050] Portanto, se olharmos a precisão da sincronização diferencial Delta T entre duas estações receptoras 1a, 1b, por exemplo, obtemos: Delta T = (tGNSS a + JitterErra) - (tGNSS b + JitterErrb) = ((tGNSS a - tGNSS) - (tGNSS b - tGNSS) + (JitterErra - JitterErrb) = (ErrRecGNSSa - ErrRecGNSSb) + (JitterErra - JitterErrb)
[0051] onde ErrRecGNSSa é o sinal de erro de reconstrução do tempo GNSS no receptor 3 da estação 1a.
[0052] Uma vez que os erros relacionados ao jitter podem ser reduzidos a níveis muito baixos em comparação com os erros de reconstrução, o termo predominante do erro de sincronização é a diferença no erro de reconstrução tGNSS a - tGNSS.
[0053] Em uma modalidade da invenção, a diferença no erro de reconstrução do tempo GNSS é reduzida atraindo o segundo receptor 4 de cada estação receptora apenas para levar em consideração uma seleção específica de um ou mais satélites entre uma (ou mais) constelações GNSS. Esta seleção pode mudar ao longo do tempo. O critério de seleção pode ser aplicado automaticamente de forma autônoma por cada uma das estações.
[0054] Este critério de seleção pode ser apenas levar em consideração os satélites N da constelação recebidos com a elevação mais alta, superior a um valor mínimo, de todas as estações receptoras.
[0055] Em outra modalidade, o segundo receptor 4 de sinais GNSS pode gerar um indicador de qualidade de recepção de sinais de diferentes satélites das constelações GNSS. Nestas condições, o critério de seleção dos satélites utilizados para a sincronização é aplicado somente aos satélites para os quais os indicadores de qualidade de recepção são superiores a um valor limite para todas as estações receptoras. Em particular, se o critério de seleção é calculado de forma autônoma por cada estação receptora, ele pode ser determinado usando informações específicas para o sistema global (coordenadas geográficas de cada estação, por exemplo), previamente disponibilizadas para cada uma das estações.
[0056] Em outra modalidade, a seleção de satélites a utilizar para reconstruir o tempo tGNSS-a, tGNSS-b, tGNSS-c é realizada pela estação principal 7 que informa cada uma das suas estações. Esta seleção pode ser determinada a priori com base nas informações disponíveis para a estação 7 (posições das estações receptoras e efemérides por satélite da (s) constelação (ões) GNSS usadas), ou com base em informações medidas pelas diferentes estações receptoras. Finalmente, em uma última modalidade, o modo de seleção dos satélites pode mudar do modo supervisionado pela estação 7 para o modo autônomo em particular quando existe uma interrupção na ligação entre a estação 7 e uma ou mais estações receptoras.
[0057] Finalmente, no caso de várias estações receptoras estarem envolvidas no recebimento de sinais do transmissor, é tomado cuidado para garantir que os satélites selecionados sejam os mesmos para todas as estações, o critério de seleção dos satélites, neste caso, sendo o mesmo para todas as estações.
Claims (14)
1. Estação receptora (1x) de um sistema para processamento de sinais que chegam de um transmissor (2) a ser localizado, a estação receptora (1x) sendo configurada para aquisição de sinais que chegam de pelo menos um sistema de navegação por satélite (5), a referida estação receptora (1x) que compreende: um primeiro receptor (3) configurado para adquirir sinais que chegam do transmissor (2) a ser localizado; um segundo receptor (4) configurado para adquirir sinais que chegam de um sistema de navegação por satélite (5); um relógio local (6) configurado para gerar uma base de tempo local; a estação sendo caracterizada pelo fato de o primeiro receptor (3) e o segundo receptor (4) serem ritmados pelo mesmo relógio local (6) gerando uma base de tempo local (t6-1a, t6-1b, t6-1c), os sinais adquiridos sendo marcados com o tempo pela referida base de tempo.
2. Estação receptora (1a, 1b, 1c), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o segundo receptor (4) ser ainda configurado para demodular os sinais recebidos do sistema de navegação por satélite (5) para extrair a base de tempo absoluto (tGNSSa, tGNSS-b, tGNSS-c) e depois determinar a diferença (∆1a, ∆1b, ∆1c) entre esta base de tempo e cada base de tempo local (t6-1a, t6-1b, t6-1c) de modo a ressincronizar os sinais (S1a, S1b, S1c) do transmissor (2) em relação à referida base de tempo absoluto.
3. Estação receptora (1a, 1b, 1c), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de o primeiro receptor (3) estar configurado de modo que, a partir da diferença (∆1a, ∆1b, ∆1c) entre a base de tempo absoluto (tGNSS- a, tGNSS-b, tGNSS-c) e a base de tempo local, cronometra os sinais do transmissor em relação à base de tempo absoluto.
4. Estação receptora (1a, 1b, 1c), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o primeiro receptor (3) estar configurado para adquirir porções de sinais do transmissor durante um período predefinido na base de tempo absoluto e para transmiti-lo a uma estação de processamento (7), juntamente com as temporizações na base de tempo absoluto.
5. Estação receptora, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de o sistema de navegação por satélite (5) compreender pelo menos uma constelação de satélites, cada constelação compreendendo uma pluralidade de satélites, e pelo fato de o segundo receptor (4) estar configurado para selecionar de modo autônomo ou supervisionado pelo menos um satélite entre pelo menos uma das constelações incluídas no sistema de navegação por satélite (5), recebendo os sinais adquiridos pelo segundo receptor (4) dos satélites selecionados.
6. Estação receptora, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de a seleção, em modo autônomo, consistir em selecionar pelo menos um satélite que tenha uma elevação superior a um valor limite, em uma constelação visível.
7. Estação receptora, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de o segundo receptor (4) estar configurado para gerar um indicador de qualidade de recepção de sinais recebidos de um ou mais satélites de uma constelação visível, a seleção em modo autônomo consistindo em selecionar pelo menos um satélite para o qual o indicador de qualidade é maior do que um valor limite
8. Estação receptora, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de o segundo receptor (4) estar configurado para receber informação, em modo supervisionado, sobre a seleção de um ou mais satélites enviados por uma estação de processamento (7).
9. Estação receptora, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de o segundo receptor (4) estar configurado para gerar um indicador de qualidade de sinais recebidos de um ou mais satélites em uma constelação visível, sendo o indicador de qualidade transmitido para a estação de processamento (7), a informação sobre a seleção de um ou mais satélite (s) sendo determinada a partir desse indicador de qualidade.
10. Sistema para processamento de sinais de um transmissor (2), a ser localizado, o referido sistema para processamento caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos duas estações receptoras (1a, 1b, 1c) como definidas em qualquer uma das reivindicações anteriores; uma estação de processamento (7) configurada para processar sinais transmitidos e marcados com o tempo pelas estações receptoras (1a, 1b, 1c).
11. Sistema de processamento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o segundo receptor de cada uma das estações receptoras estar configurado para selecionar, em modo autônomo, pelo menos um satélite dentro da visibilidade de cada uma das estações em uma elevação superior a um valor limite.
12. Sistema de processamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 11, caracterizado pelo fato de a estação de processamento (7) compreender uma unidade de processamento (8) configurada para calcular as diferenças de chegada (∆t1) e / ou (∆f1) no tempo e / ou frequência entre porções de sinais idênticos do transmissor, entre pelo menos duas estações receptoras.
13. Sistema de processamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de a unidade de processamento (7) ser ainda configurada de modo que, a partir das diferenças de chegada calculadas, pode determinar uma localização do transmissor (2) do qual os sinais adquiridos foram recebidos.
14. Sistema de processamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de a estação de processamento (7) ser uma das estações receptoras (1a, 1b, 1c).
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