BR9917732B1

BR9917732B1 - método e equipamento para determinar um tempo de referência.

Info

Publication number: BR9917732B1
Application number: BRPI9917732-3A
Authority: BR
Inventors: Leonid Sheynblat; Norman F Krasner
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2012-01-10
Also published as: BR9909673A; JP2009053193A; FI20030982A; DE69929915D1; US20030197639A1; IL139041A0; KR20060056389A; KR100622327B1; ID28215A; FI112284B; HK1083244A1; IL161530A0; HK1078136A1; ES2262744T3; CN1306619A; EP1566655B1; CN100420959C; KR100749712B1; KR20010071155A; WO1999053338A2

Description

"MÉTODO IMPLEMENTADO POR EQUIPAMENTO PARA DETERMINAR UM TEMPO DE REFERÊNCIA ASSOCIADO A UM SISTEMA DE POSICIONAMENTO POR SATÉLITE" DIVIDIDO DO PI 9909673-0 DEPOSITADO EM 12/04/1999 HISTÓRICO DA INVENÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção está relacionada a um sistema de posicionamento por satélite (SPS) e, em particular, à determinação do tempo associado com a transmissão e/ou recepção de sinal SPS.

INFORMAÇÕES DE ANTECEDENTES

Os receptores SPS tais como receptores GPS (Sistema de Posicionamento Global) normalmente determinam sua posição pela computação dos tempos de chegada relativos de sinais transmitidos simultaneamente a partir de uma multiplicidade de satélites tais como satélites GPS (ou NAVSTAR). Em um típico sistema de posicionamento por satélite, tal como GPS, a multiplicidade de satélites está sincronizada de acordo com um relógio (clock) de sistema altamente acurado, o qual pode propiciar uma acuracidade de relógio atômico. De um modo geral, cada satélite transmite dados de navegação (por exemplo, a localização do satélite) que incluem também uma marca de tempo (time stamp) para indicar quando os dados foram transmitidos, de acordo com o tempo tal como indicado pelo relógio do sistema (designado adiante como o tempo do sistema), o qual, no caso do GPS, é designado como o tempo do sistema (GPS).

No entanto, os receptores SPS tipicamente não possuem tal relógio acurado. Dessa forma, um receptor SPS tipicamente determina informações de temporização por leitura e temporização de informações contidas na mensagem do satélite. Muitos receptores determinam posição e tempo pelo uso de medições provenientes de quatro (ou mais) satélites. A distância até cada um de quatro satélites (i = 1, 2, 3, 4) pode ser expressa da seguinte forma: <formula>formula see original document page 3</formula>

em que:

χ, y e Z são as coordenadas/posição do receptor (incógnitas);

xi, yi e zi são as coordenadas/posição do i-ésimo satélite (conhecidas); e

cb representa o bias (tendência) do relógio, o qual é um resultado do erro de tempo entre o relógio do receptor e o tempo de referência (incógnita).

Dessa forma, existe tipicamente um total de quatro incógnitas na equação (1) acima.

Amiúde, PRi é designado como uma pseudo- distância, uma vez que ele representa a distância real até o i-ésimo satélite, mais ou menos um deslocamento (offset) que pode resultar devido ao erro de relógio do receptor, tal como indicado pelo termo cb na equação (1) . A equação acima, utilizando medições a partir de quatro satélites, pode ser linearizada e expressa na forma de uma matriz, como se segue:

<formula>formula see original document page 3</formula>

em que:

ΔPRi é o residual de pseudo-distância para o i- ésimo satélite (i = 1, 2, 3, 4) e representa uma diferença entre a pseudo-distância medida e uma distância inicial estimada até o i-ésimo satélite (conhecido);

nxi, uyi e uzi são os cosenos de direção do vetor de linha de visada (LOS) do receptor até o i- ésimo satélite, tal como projetados ao longo dos eixos de coordenadas χ, y e z (conhecidos); Δχ , Ay, Az e Acb são as correções nas estimativas iniciais das coordenadas/posição e relógio do receptor, que podem sofrer deslocamento em relação a um relógio de referência (incógnitas).

No que se segue, o vetor residual de pseudo- distância é também designado como Zr a matriz de «x 4 elementos H é também designada como uma matriz de observação e χ representa a posição do receptor SPS e o vetor de correção de tempo, que contém as incógnitas de interesse. Dessa forma, caso exista um inverso da matriz de observação H, uma solução única para a incógnita χ no conjunto de equações lineares representado pela matriz acima da equação (2) pode ser determinada de tal forma que:

<formula>formula see original document page 4</formula>

ou

<formula>formula see original document page 4</formula>

em que:

H 1 é o inverso da matriz de observação; (HT.H)-1 é o pseudo-inverso da matriz de observação; e

χ é a estimativa dos mínimos quadrados do vetor de parâmetros de incógnitas, x.

Para determinar as pseudo-distãncias (PRi), um receptor SPS convencional utiliza tipicamente uma estimativa inicial de sua posição e bias de relógio que é conhecido com precisão de um milissegundo. No entanto, uma vez que os sinais provenientes de satélites se movem na, ou aproximadamente na, velocidade da luz, mesmo uma ambigüidade de 1 milissegundo em tempo pode resultar em um erro de até 300 quilômetros na medição da pseudo-distância. Ao solucionar a equação de matriz (2) acima, o receptor GPS convencional pode computar uma correção para a sua estimativa inicial de bias de relógio, em que a estimativa inicial de bias de relógio é derivada pela leitura da mensagem de navegação que propicia informações de "alinhamento de tempo".

Infelizmente, em muitas situações, a determinação do tempo do sistema pela leitura da mensagem de navegação de um ou mais satélites pode ser difícil devido à degradação de qualidade do sinal. Como exemplo, quando ocorre bloqueio dos sinais de satélite, o nível do sinal recebido ou a relação sinal/ruído (SNR) dos satélites GPS pode ser muito baixo para demodular e ler os sinais de dados do satélite sem erro. Tais situações podem surgir em aplicações de rastreamento pessoal e outras aplicações de alta mobilidade. Sob tais condições de sinal é possível a um . receptor ainda captar e rastrear os sinais GPS. No entanto, realizar a localização e medição de tempo sem ambigüidade sem dados de temporização pode ser melhor realizado utilizando métodos alternativos.

A presente invenção propicia um método e um equipamento para determinar o tempo em um SPS, tal como o tempo de transmissão de satélite e/ou tempo de medição por um receptor SPS, em relação a um tempo de referência (por exemplo, o tempo do sistema ou outro tempo de referência relativamente acurado) sem a necessidade de determinar o tempo de referência a partir do processamento de informações de temporização providas dentro da mensagem de dados de navegação de satélite.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De acordo com um primeiro aspecto a presente invenção provê um método para determinar um tempo de referência conforme definido na reivindicação 1 em anexo. Além disso, de acordo com outro aspecto, a presente invenção provê um equipamento para determinar um tempo de referência conforme definido na reivindicação 7 em anexo.

São descritos um método e um equipamento para determinar um tempo de referência associado com um sistema de posicionamento por satélite. Uma vez determinado, o tempo de referência, em uma modalidade, pode ser usado para determinar outras informações de navegação. Tais informações de navegação podem incluir, por exemplo, a localização/posição de um receptor do sistema de posicionamento por satélite (SPS) . Em uma modalidade, é usada uma velocidade relativa entre um receptor SPS e um conjunto de um ou mais satélites para determinar um deslocamento entre o tempo tal como indicado pelo receptor SPS e o tempo de referência. De acordo com outra modalidade da invenção, uma estatística de erros é utilizada para determinar o tempo de referência. De acordo com mais outra modalidade da invenção, dois registros, cada um representando pelo menos uma parte de uma mensagem de satélite, são comparados para determinar tempo. Em uma implementação, o receptor SPS é móvel e opera em conjunto com uma estação base para determinar o tempo e/ou outras informações de navegação de acordo com um ou com uma combinação dos métodos descritos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura IA mostra um exemplo de um sistema de comunicação e receptor GPS móvel combinados que pode ser utilizado de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A Figura IB ilustra em maiores detalhes o conversor RF/FI 7 e o sintetizador de freqüência 16 da Figura IA;

A Figura 2 é um fluxograma ilustrando um método para utilizar velocidade relativa de satélite para determinação de tempo em um sistema de posicionamento por satélite, de acordo com uma modalidade da invenção, tal como pode ser utilizado com um receptor SPS móvel que está combinado com um receptor e transmissor de comunicação móvel,tal como aquele apresentado na Figura IA;

A Figura 3A é um fluxograma ilustrando um método para utilizar uma estatística de erro para determinar tempo em um sistema de posicionamento por satélite, de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 3B é um fluxograma ilustrando um método para utilizar uma estatística de erro de variância unitária no método 300 da Figura 3A para determinar o tempo em um sistema de posicionamento por satélite de acordo com uma modalidade da invenção;

As Figuras 4A e 4B apresentam um exemplo de ajustes de variância unitária para um conjunto de estimativas de distância, de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 5 mostra um método generalizado para determinar o tempo associado com um sistema de posicionamento por satélite com base na comparação de um primeiro e um segundo registros de uma mensagem de dados de satélite e que pode ser utilizado com um receptor SPS móvel que está combinado com um receptor e transmissor de comunicação móvel, tal como aquele apresentado na Figura IA, de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 6 ilustra em maiores detalhes um método 620 para medição de tempo relacionado a mensagens de dados de satélites para uso com um sistema de posicionamento por satélite;

A Figura 7A ilustra uma estação base de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 7B ilustra uma estação base de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 8 ilustra um sistema de acordo com uma modalidade da invenção, que inclui um receptor SPS, uma central (site) de telefonia celular, uma estação base, a Internet e um sistema de computador do cliente.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Vários métodos e equipamentos para medição de tempo relacionado a mensagens de dados de satélites para uso com sistemas de posicionamento por satélite são descritos a seguir. Parte da descrição da invenção está voltada para o sistema de posicionamento global por satélite (GPS) dos EUA. No entanto, deverá ficar evidente que tais métodos são igualmente aplicáveis a sistemas de posicionamento por satélite similares, tais como o sistema russo Glonass. Além disso, será notado que os ensinamentos da presente invenção são igualmente aplicáveis a sistemas de posicionamento que utilizam pseudo-satélites (pseudolites) ou uma combinação de pseudo-satélites e satélites. Ademais, as diversas estruturas para estações base e receptores SPS móveis são providas com propósitos de ilustração, não devendo ser considerados como limitações da presente invenção.

VISÃO GERAL DE UMA MODALIDADE UTILIZANDO A VELOCIDADE DE SATÉLITES PARA DETERMINAÇÃO DO

TEMPO

A Figura 2 constitui um fluxograma que ilustra um método para utilizar a velocidade relativa de satélites para determinação do tempo em um sistema de posicionamento por satélite, de acordo com uma modalidade da invenção, tal como pode ser utilizado com um receptor SPS móvel que é combinado com um receptor e transmissor de comunicação móvel, tal como aquele apresentado na Figura IA. No método 200 apresentado na Figura 2, uma entidade, tal como um receptor SPS móvel 100 mostrado na Figura IA, estima sua posição para um conjunto de um ou mais satélites na etapa 202. Em uma modalidade, o receptor SPS pode determinar um conjunto de pseudo-distâncias até o conjunto de satélites com base em sinais transmitidos a partir dos satélites. Dessa forma, qualquer estimativa de distância ou posição pelo receptor SPS sofrerá tipicamente deslocamento em relação a uma posição ou distância reais, devido a um deslocamento entre tempo da medição, tal como provido pelo relógio do receptor SPS e um tempo de referência. Na etapa 204, uma estação base, tal como a estação base apresentada na Figura 7A, recebe informações de estimativa provenientes do receptor SPS. Como exemplo, as informações de estimativa podem incluir uma representação de medições de pseudo-distância, tal como associada com uma estimativa do tempo de medição pelo receptor SPS. Como exemplo, a pseudo-distância pode ser determinada usando-se o tempo tal como indicado pelo relógio do receptor SPS. Como foi acima mencionado, sem o conhecimento da posição do satélite em um momento exato do tempo, em relação a um tempo de referência acurado, o receptor SPS pode ficar limitado somente a uma estimativa/aproximação de sua posição que pode sofrer deslocamento da distância real devido a qualquer deslocamento/erro no tempo.

Na etapa 206, a estação base determina o deslocamento de tempo associado com a estimativa de distância ou posição do receptor SPS, tal como representado pelas informações de estimativa providas à estação base pelo receptor SPS, com base em uma estimativa da velocidade relativa do conjunto de satélites. Em uma modalidade, a velocidade relativa de cada um dentre o conjunto de satélites representa uma velocidade relativa aproximada entre o satélite e o receptor SPS móvel. Um método, de acordo com uma modalidade da invenção, para utilizar a velocidade relativa do satélite para determinar deslocamento de tempo entre um tempo de medição por um receptor SPS e um tempo de referência (por exemplo, o tempo do sistema GPS) será descrito a seguir com referência à equação de matriz (4).

Finalmente, na etapa 208, a estação base provê informações de navegação aperfeiçoadas, tais como tempo, posição, velocidade, etc., ao receptor SPS. As informações de navegação aperfeiçoadas são baseadas em uma determinação do deslocamento (ou uma aproximação do mesmo) para determinar em que tempo, relativo ao tempo de referência, posição, distância ou outras informações foram estimadas pelo receptor SPS móvel. Em uma modalidade alternativa, a estação base pode não prover as informações de navegação aperfeiçoadas ao receptor SPS. Como exemplo, tais informações podem ser armazenadas, providas a outra entidade através de um link de comunicação de dados, o qual pode ser por fio ou sem fio, etc.

A Tabela 1 mostra como e através de qual(is) dispositivo(s) algumas das quantidades aqui mencionadas são determinadas de acordo com uma modalidade da invenção.

TABELA 1

<table>table see original document page 10</column></row><table> Em uma modalidade da invenção, uma equação de matriz de pseudo-distância (4) tal como apresentado a seguir é solucionada para o erro/deslocamento de tempo entre o tempo estimado associado com um tempo de medição no receptor SPS móvel e o tempo de referência. Tal solução, em uma modalidade, é baseada na velocidade relativa entre o conjunto de satélites usado para estimar a posição do receptor SPS móvel e o próprio receptor SPS móvel. Para cinco medições, a equação de matriz (4) modificada pode ser expressa da seguinte forma:

<formula>formula see original document page 11</formula>

em que:

APRi é o residual de pseudo-distância para o i- ésimo satélite (i = 1, 2, 3, 4, 5) e representa uma diferença entre a pseudo-distância medida e uma distância estimada inicial até o i-ésimo satélite (conhecido);

uxi, uyi e uzi são os cosenos de direção do vetor de linha de visada (LOS) do receptor até o i-ésimo satélite (i = 1, 2, 3, 4, 5), tal como projetados ao longo dos eixos de coordenadas x,y e z (conhecidos);

sv_range ratei é a velocidade relativa entre o i- ésimo satélite (i = 1, 2, 3, 4, 5) e uma entidade (por exemplo, um receptor SPS móvel) (conhecida);

Δχ , Ay , Az e Acb são as correções nas estimativas iniciais das coordenadas/posição e o relógio do receptor (incógnitas);

At é o deslocamento na medição de tempo que, em uma modalidade, representa a diferença (ou deslocamento) entre o tempo estimado em que as medições de pseudo- distância são tomadas e um tempo de referência (por exemplo, o tempo do sistema GPS, um tempo baseado no tempo do sistema GPS, etc.)(incógnita).

A equação de matriz (4) acima pode ser solucionada para a obtenção de uma solução única para "se ajustar" às medições de pseudo-distância tomadas em um tempo especifico. A partir da solução da equação de matriz (4), At propicia a correção grosseira e Aeb propicia a correção fina para a estimativa inicial do tempo em que as pseudo-distâncias são determinadas. Dessa forma, um deslocamento, que pode ser da ordem de um sub-milissegundo ou mais, entre um tempo de referência (por exemplo, o tempo do sistema GPS) e o tempo estimado em que uma entidade estima sua localização e/ou aquela de um conjunto de satélites, pode ser determinado com base na velocidade relativa do conjunto de satélites.

Apesar de não ser necessariamente sempre o caso, a equação de matriz (4) inclui tipicamente cinco valores de incógnitas: Ax, Ay, Az, Acb e At. Dessa forma, a menos que qualquer desses valores de incógnitas seja conhecido no tempo de medição, cinco (ou mais) medições de pseudo- distância independentes devem ser tipicamente levadas em consideração para se chegar a uma única solução para os valores de incógnitas (desconhecidos).

De um modo geral, a precisão da equação de matriz (4) depende pelo menos em parte da precisão da velocidade relativa de cada um dos satélites (sv range_ratei) . Além disso, erros nas estimativas iniciais de posição e tempo que são usadas para computar os vetores de linha de visada (LOS) a partir de cada satélite até uma entidade, tal como um receptor SPS móvel, podem causar erros nas estimativas de velocidade de cada satélite. Dessa forma, em uma modalidade, informações de localização da central celular são utilizadas para determinar uma estimativa inicial da localização do receptor SPS. Além disso, em uma modalidade, a equação de matriz (4) é solucionada iterativamente por recomputação das velocidades de um ou mais dentre o conjunto de satélites com estimativas de posição aperfeiçoadas para a entidade. Assim, cada iteração pode prover cinco melhorias: três no domínio espacial ou posição/distância (Δχ , Ay, Az) e duas melhorias no domínio do tempo (Acb e At) .

Em uma modalidade da invenção, em que a velocidade do receptor SPS móvel é conhecida, medições de Doppler podem ser utilizadas para determinar o tempo. Em tal modalidade, o erro de velocidade a posteriori é minimizado usando-se informações Doppler para determinar o tempo. 0 erro de velocidade representa, em tal modalidade, a diferença entre uma velocidade computada para o receptor SPS móvel (que pode ser calculada usando-se vários métodos, incluindo a equação de matriz (4) acima, ou o método de estatística de erros descrito a seguir) e a velocidade conhecida do receptor SPS móvel. Pela minimização de tal erro, o tempo de interesse pode ser determinado. Como exemplo, caso o receptor SPS móvel esteja estacionário (isto é, a velocidade seja zero), um conjunto de soluções pode ser computado usando-se várias aproximações para o tempo de medição, em relação a um tempo de referência. As soluções correspondendo a uma velocidade de zero iriam se aproximar melhor do tempo de referência, o qual poderia ser a seguir usado para determinar a posição do receptor SPS móvel e/ou outras informações de navegação. Em modalidades alternativas da invenção, auxílio de altitude, cálculo de estimativa da posição (dead reckoning) (isto é, restringindo a velocidade para uma direção conhecida), ou outras técnicas podem também ser empregadas para melhorar ou simplificar o uso da velocidade relativa do receptor SPS e o conjunto de um ou mais satélites para determinar o tempo e/ou outras informações de navegação.

VISÃO GERAL DE OUTRA MODALIDADE UTILIZANDO UMA ESTATÍSTICA DE ERROS PARA DETERMINAÇÃO DO TEMPO

Em uma modalidade da invenção, uma estatística de erro é utilizada para determinar um tempo de referência associado com um sistema de posicionamento por satélite. Uma situação em que tal aspecto da invenção - qual seja, a determinação do tempo com base em uma estatística de erro - é útil é quando o número de medições (por exemplo, medições de pseudo-distância) excede o número de valores de incógnitas (por exemplo, Δχ, Ay, Δz, Acb, etc.)· Além disso, a estatística de erros pode ser utilizada em conjunto com outras técnicas para melhorar a determinação do tempo e/ou outras informações de navegação.

A Figura 3A é um fluxograma que ilustra um método para utilizar uma estatística de erros para determinar o tempo em um sistema de posicionamento por satélite, de acordo com uma modalidade da invenção. Na etapa 302 do método 300 apresentado na Figura 3A, uma entidade, tal como um receptor SPS móvel, estima sua distância ou posição em relação a um conjunto de satélites em um conjunto de instâncias de tempo, em que um ou mais dentre o conjunto de instâncias de tempo estão associados com um tempo estimado de medição que sofre deslocamento em relação a um tempo de referência. Tal deslocamento, como foi acima mencionado, pode ser devido ao deslocamento entre o relógio do receptor SPS e o tempo tal como indicado por um relógio de referência, variação (drift) e/ou outras imprecisões no relógio do receptor SPS, etc. O tempo de referência pode corresponder a um tempo associado com o sistema de posicionamento por satélite, tal como o tempo do sistema GPS.

Na etapa 304, cada um dentre o conjunto de instâncias de tempo é alterado pela adição ou subtração adicionais de um deslocamento. Como exemplo, em uma modalidade, cada tempo estimado de medição associado com cada estimativa de distância ou posição pode ser alterado por um deslocamento entre -5 e +5 segundos. Em modalidades alternativas, outras faixas de valores de deslocamento podem ser adicionadas ou subtraídas para a obtenção de várias amostras para a estatística de erros.

Na etapa 306, uma estatística de erros é determinada para o conjunto instâncias de tempo alterado (isto é, aquelas possuindo um deslocamento adicionado a si ou subtraído de si). Finalmente, na etapa 308, o tempo de referência (ou aproximação do mesmo) é determinado com base no comportamento da estatística de erros. Em uma modalidade, tal como será adicionalmente descrito a seguir com referência à Figura 3B, a estatística de erros inclui a determinação de uma distribuição de variância unitária de valores residuais de pseudo-distâncias. Em tal modalidade, um desvio linear da variância unitária corresponde tipicamente a um desvio linear nos domínios espacial (χ, y, z) e temporal (At). Pela otimização da estatística de erros usada - a qual, no caso da variância unitária iria corresponder a um valor mínimo da variância unitária - poderia ser determinado um tempo que se aproxime do tempo de referência procurado. O uso da variância unitária com relação a erros/deslocamentos de estimativa de distância ou posição, de acordo com uma modalidade, é adicionalmente descrito a seguir com referência à Figura 3B.

A Figura 3B é um fluxograma que ilustra um método para utilizar uma estatística de erro de variância unitária no método 300 da Figura 3A para determinar um tempo de referência em um sistema de posicionamento por satélite, de acordo com uma modalidade da invenção. Em particular, a Figura 3B apresenta uma modalidade da etapa 306 da Figura 3A. Na etapa 310, é determinada uma variância unitária para o conjunto de instâncias de tempo alterado. Em uma modalidade a variância unitária é definida por: <formula>formula see original document page 16</formula>

em que:

vT é o vetor de transposição de residuais de

pseudo-distâncias posteriores;

W é um fator de ponderação, que representa uma matriz de observação ponderada. Em uma modalidade, não é usado qualquer fator de ponderação, o que é geralmente equivalente a ajustar uma matriz ponderada à matriz identidade; e

η é o número de medições; e m é um número de incógnitas.

Dessa forma, a variância unitária representa, na maior parte, a soma ponderada (ou não ponderada) de quadrados dos valores residuais de pseudo-distâncias. O denominador da equação de variância unitária (5) representa o número de graus de liberdade.

Na etapa 312, é determinado um ajuste polinomial para a variância unitária. Pode ser demonstrado que para os residuais de pseudo-distâncias normalmente distribuídos, o valor esperado da variância unitária é a unidade e a distribuição é a distribuição Chi-quadrada com (η-m) graus de liberdade. No entanto, em alguns casos, valores individuais de variância unitária podem também ser iguais a zero, o que corresponde a um ajuste perfeito de um fixo de posição ou tempo para o receptor SPS. Dessa forma, as medições (por exemplo, pseudo-distâncias, residuais de pseudo-distâncias, etc.) para um fixo de posição estatisticamente ideal devem de um modo geral minimizar a variância unitária, idealmente para um valor próximo a zero. Em outras palavras, quando a variância unitária para um conjunto de estimativas de distância ou posição for minimizada, pode ser obtido um "ajuste melhor" (ou solução) no espaço e/ou tempo. As Figuras 4A e 4B apresentam um exemplo de ajustes de variância unitária para um conjunto de estimativas de distâncias de acordo com uma modalidade da invenção. Quando é obtida uma distribuição da estatística de erros da variância unitária (como função do deslocamento de tempo), tal como aquela apresentada na Figura 4A, dois ajustes lineares podem ser computados - um para deslocamentos positivos e um para negativos. O ponto de inclinação, onde as duas linhas se interceptam, propicia uma aproximação ao tempo de referência. Deve ser notado que vários tipos bem conhecidos de ajustes polinomiais podem ser utilizados para os dados de variância unitária e também para determinar o mínimo local da distribuição de variância unitária e, por sua vez, o tempo de referência de interesse.

A Figura 4B é uma representação ampliada do exemplo de distribuição de variância unitária apresentado na Figura 4A. Assim, a escala de deslocamento de tempo da Figura 4B é menor que aquela da Figura 4A. Deve ser notado no exemplo da Figura 4B que o ponto de interseção ou mínimo de inclinação do ajuste de variância unitária pode não necessariamente corresponder exatamente a um deslocamento de tempo de zero. Em qualquer caso, a variância unitária pode prover uma estimativa suficientemente acurada da posição de um receptor SPS e/ou de um tempo de referência de interesse, tal como o tempo do sistema GPS.

Deve ser notado que outras estatísticas de erros podem ser usadas para obter um "ajuste" que propicie uma aproximação a um tempo de referência. Além disso, o método descrito com referência às Figuras 3A e 3B pode ser realizado por uma combinação de um receptor SPS móvel e uma estação base, ou exclusivamente por qualquer das entidades.

Como exemplo, em uma modalidade, a estação base recebe um conjunto de estimativas de distância (por exemplo, valores de pseudo-distâncias) provenientes do receptor SPS móvel e determina o tempo, posição ou outras informações de navegação do receptor com base em uma estatística de erro, tal como a variância unitária. Opcionalmente, a estação base pode prover as informações de navegação, ou informações baseadas pelo menos em parte nas mesmas, ao receptor SPS móvel ou outra entidade. Neste caso, o receptor SPS pode, com base em tais informações e/ou outras informações, determinar seu tempo, posição e/ou outras informações de navegação.

UMA MODALIDADE ALTERNATIVA

Como foi acima mencionado, a velocidade relativa e uma estatística de erro (por exemplo, a variância unitária associada com residuais de pseudo-distância) podem ser usadas separadamente ou em conjunto, de acordo com várias modalidades da invenção, para determinar o tempo associado com um sistema de posicionamento por satélite. Além disso, uma seleção de qual método utilizar pode ser realizada de acordo com uma condição predeterminada, tal como os dados disponíveis, a qualidade de sinais, o número/espaçamento de satélites, a distância entre um ou mais satélites e o receptor, etc. Em uma modalidade, ambos os métodos podem ser realizados e o resultado ideal para a solução de tempo, posição, ou outras informações de navegação pode ser selecionado com base em uma minimização da imprecisão.

Em mais outra modalidade da invenção, um ou uma combinação dos métodos e equipamentos acima descritos para determinar tempo em um sistema de posicionamento por satélite são combinados com outros métodos e equipamentos para determinação de tempo, tal como descrito em detalhes na Patente U.S. N2 5.812.087, depositado em 3 de fevereiro de 1997, que é intitulado "Method and Apparatus for Satellite Positioning System Based Time Measurement". Como é descrito em detalhes na patente acima mencionada, o tempo pode ser determinado pela comparação de um registro de uma mensagem de dados de satélite recebida por uma entidade, tal como um receptor SPS móvel, com outro registro que se presume estar livre de erros. A partir de tal comparação, o tempo pode ser determinado tal como descrito de um modo geral a seguir com referência às Figuras 5 e 6 e descrito em maiores detalhes na Patente U.S. N- 5.812.087 acima mencionada.

A Figura 5 mostra um método generalizado para determinar tempo associado com um sistema de posicionamento por satélite com base na comparação de um primeiro e um segundo registros de uma mensagem de dados de satélite e que pode ser utilizado com um receptor SPS móvel que é combinado com um receptor e transmissor de comunicação móvel, tal como aquele mostrado na Figura IA, de acordo com uma modalidade da invenção. O método descrito a seguir com referência às Figuras 5 e 6 pode ser combinado com uma ou com uma combinação das técnicas acima descritas de determinação do tempo com base na velocidade relativa e/ou determinação de estatística de erros. O receptor GPS móvel 100 mostrado na Figura IA amostra a mensagem de dados de satélite, tal como efemérides, e cria um registro da mensagem na etapa 501. A seguir, neste método 500, o receptor GPS remoto ou móvel transmite tal registro para uma estação base, tal como a estação base mostrada nas Figuras 7A ou 7B na etapa 503. Tal registro é tipicamente alguma representação da mensagem de dados de satélite recebida pelo receptor SPS móvel. Na etapa 505, a estação base compara o registro transmitido a partir do receptor SPS móvel com outro registro que pode ser considerado um registro de referência da mensagem de navegação do satélite. Tal registro de referência possui valores de tempo associados em que vários segmentos da mensagem de dados de satélite possuem tempos de "referência" especificados associados com o mesmo. Na etapa 507, a estação base determina o tempo de amostragem pelo receptor GPS móvel da mensagem de dados de satélite. Tal determinação é baseada em um valor de tempo que está associado com o registro de referência e que irá geralmente indicar o tempo em que o registro foi recebido pelo receptor GPS móvel.

A Figura 6 ilustra em maiores detalhes um método 620 para medir o tempo relacionado a mensagens de dados de satélite para uso com um sistema de posicionamento por satélite. O receptor GPS móvel ou remoto capta na etapa 621 sinais GPS e determina pseudo-distâncias a partir de tais sinais GPS captados. Na etapa 623, o receptor GPS móvel remove os dados PN e cria um registro da mensagem de dados de satélite a partir dos sinais GPS captados usados para criar ou determinar as pseudo-distâncias. Tal registro é tipicamente alguma representação da mensagem de navegação do satélite nos sinais GPS captados e representa tipicamente uma estimativa dos dados. Na etapa 625, o receptor GPS móvel transmite o registro e as pseudo- distâncias determinadas para uma estação base, tal como a estação base apresentada nas Figuras 7A ou 7B.

Na etapa 627, a estação base realiza uma correlação cruzada do registro transmitido a partir do receptor GPS móvel para um registro de referência da mensagem de navegação do conjunto de satélites. Tal registro de referência inclui tipicamente uma marca de tempo acurada associada com os dados no registro de referência (por exemplo, cada bit de dados no registro de referência possui um valor ou marca de tempo associado) e é tal marca de tempo que será usada para determinar o tempo de recepção pelo receptor GPS móvel dos sinais GPS originalmente captados. De um modo geral, o registro transmitido a partir do receptor GPS móvel e o registro de referência se superpõem parcialmente com relação ao tempo.

Na etapa 629, a estação base determina a partir da operação de correlação cruzada, o tempo da captação pelo receptor GPS remoto dos sinais GPS recebidos. A estação base a seguir utiliza na etapa 631 o tempo da captação pelo receptor GPS remoto dos sinais GPS e usa as pseudo- distâncias determinadas para determinar uma informação de posição, que pode ser uma latitude e longitude do receptor GPS remoto/móvel. A estação base, na etapa 633, pode comunicar tal informação de posição do receptor GPS remoto para outra entidade, tal como um sistema de computador acoplado através de uma rede, tal como a Internet, ou uma intranet, à estação base.

VISÃO GERAL DO HARDWARE

A Figura IA mostra um exemplo de um sistema de comunicação e receptor GPS móvel combinados que pode ser usado com a presente invenção. Tal sistema de comunicação e receptor GPS móvel combinados 100 foi descrito em detalhes na Patente U.S. N- 6.002.2 63, que foi depositado em 23 de maio de 1996, intitulado "Combined GPS Positioning System and Communication System Utilizing Shared Circuitry", aqui incorporado por referência. A Figura IB ilustra em maiores detalhes o conversor RF/FI Ieo sintetizador de freqüência 16 da Figura IA. Tais componentes apresentados na Figura IB estão também descritos na Patente U.S. N2 6.002.263.

O sistema de comunicação e receptor GPS móvel 100 mostrado na Figura IA pode ser configurado para realizar uma forma particular de processamento de sinal digital sobre sinais GPS armazenados de tal maneira que o receptor possua sensibilidade muito elevada. Isto está adicionalmente descrito na Patente U.S. Ns 5.663.734, que foi emitida em 2 de setembro de 1997, intitulada "GPS Receiver and Method for Processing GPS Signals", sendo tal patente aqui incorporada por referência. Tal operação de processamento descrita na Patente U.S. N- 5.663.734 tipicamente computa uma pluralidade de convoluções intermediárias tipicamente usando transformadas rápidas de Fourier (FFTs) e armazena tais convoluções intermediárias na memória digital e a seguir utiliza tais convoluções intermediárias para prover pelo menos uma pseudo-distância.

O sistema de comunicação e GPS combinados 100 apresentado na Figura IA pode também incorporar certas técnicas de estabilização ou calibragem de freqüência de modo a adicionalmente aperfeiçoar a sensibilidade e precisão do receptor GPS. Tais técnicas estão descritas na Patente U.S. N2 5.841.396, que foi depositado em 4 de dezembro de 1996 e intitulado "An Improved GPS Receiver Utilizing a Communication Link".

Ao invés de descrever em detalhes a operação do sistema de comunicação e receptor GPS móvel combinados 100 mostrado na Figura IA, será aqui apresentado um breve resumo. Em uma típica modalidade, o sistema de comunicação e receptor GPS móvel 100 irá receber um comando proveniente de uma estação base, tal como a estação base 17, que pode ser qualquer uma das estações base mostradas na Figura 7A ou Figura 7B. Tal comando é recebido através da antena de comunicação 2 e o comando é processado como uma mensagem digital e armazenado na memória 9 pelo processador 10. Em uma modalidade, a memória 9 poderia ser expandida de modo a ser uma memória de acesso aleatório (RAM) para armazenar comandos, dados e/ou informações "instantâneas". O processador 10 determina que a mensagem é um comando para prover uma informação de posição para a estação base e isto leva o processador 10 a ativar a parte GPS do sistema, pelo menos parte da qual pode ser compartilhada com o sistema de comunicação. Isto inclui, por exemplo, ajustar o comutador 6 de tal modo que o conversor RF/FI 7 receba sinais GPS provenientes da antena GPS 1 em lugar de sinais de comunicação provenientes da antena de comunicação 2. A seguir os sinais GPS são recebidos, digitalizados e armazenados na memória digital 9 e podem ser processados de acordo com as técnicas de processamento de sinais digitais descritas na Patente U.S. N2 5.663.734. O resultado de tal processamento pode tipicamente incluir uma pluralidade de pseudo-distâncias para um conjunto de satélites "à vista" e tais pseudo-distâncias ou dados nelas baseados podem a seguir ser transmitidos de volta à estação base pelo componente de processamento 10 ativando-se a parte de transmissor e transmitindo as pseudo-distâncias de volta à estação base através da antena de comunicação 2.

A estação base 17 mostrada na Figura IA pode estar acoplada diretamente ao remoto através de um link de comunicação sem fio ou pode estar, tal como mostrado na Figura 8, acoplada ao remoto através de uma central de telefonia celular que proporciona um link de comunicação por fio entre a central de telefonia e a estação base. As Figuras 7A e 7B ilustram exemplos dessas duas possíveis estações base.

A estação base 701 ilustrada na Figura 7A pode funcionar como uma unidade autônoma provendo um link sem fio de e para receptores GPS móveis e pelo processamento de pseudo-distâncias recebidas. De acordo com uma ou uma combinação das modalidades acima descritas, a estação base 701 pode processar as pseudo-distâncias para determinar o tempo pela utilização da velocidade relativa de satélite, uma estatística de erros e/ou uma comparação de registros de mensagens de dados de satélites. A estação base 701 pode ser útil quando a estação base está localizada em uma área metropolitana e todos os receptores GPS móveis a serem rastreados estão localizados de forma similar na mesma área metropolitana. Como exemplo, a estação base 701 pode ser empregada por forças policiais ou serviços de salvamento de modo a rastrear indivíduos que estejam usando os receptores GPS móveis. Tipicamente, os elementos transmissor e receptor 709 e 711, respectivamente, serão unificados em uma única unidade transceptora e possuem uma única antena. No entanto, tais componentes foram apresentados separadamente uma vez que eles podem também existir separadamente. O transmissor 709 funciona para prover comandos e/ou informações de navegação para os receptores GPS móveis através da antena de transmissão 710. Tipicamente o transmissor 709 fica sob o controle da unidade de processamento de dados 705 que pode receber uma solicitação proveniente de um usuário da unidade de processamento para determinar a localização de um receptor GPS móvel especifico. Conseqüentemente, a unidade de processamento de dados 705 levaria o comando a ser transmitido pelo transmissor 709 para o receptor GPS móvel. Em resposta, o receptor GPS móvel iria transmitir de volta ao receptor 711 pseudo-distâncias e estimativas de tempo associadas e/ou registros de mensagens de dados de satélites (ou partes de tais) em uma modalidade da presente invenção a serem recebidas pela antena de recepção 712. 0 receptor 711 recebe tais informações provenientes do receptor GPS móvel e as provê para a unidade de processamento de dados 705 que a seguir realiza uma ou mais das operações acima descritas para determinar tempo, posição e/ou outras informações de navegação associadas com as pseudo-distâncias recebidas do receptor GPS móvel. Como foi acima mencionado com referência ao pedido copendente 08/794.649, tais operações podem envolver as mensagens de dados de satélites recebidas do receptor GPS 703 ou outra fonte de mensagens de dados de satélites de qualidade de referência. Isto está adicionalmente descrito nos pedidos copendentes acima mencionados. O receptor GPS 703 pode prover os dados de efemérides de satélites que podem ser usados, em uma modalidade, com as pseudo-distâncias e o tempo determinado de modo a calcular uma informação de posição para o receptor GPS móvel. 0 armazenamento de massa 707 pode armazenar informações de velocidade de satélites, uma versão armazenada do registro de referência das mensagens de dados de satélites que é usado para comparação com os registros recebidos provenientes do receptor GPS móvel, rotinas de análise de estatísticas de erros de acordo com uma ou mais dentre as técnicas acima descritas e/ou outras informações para determinar o tempo com base nas pseudo-distâncias e quaisquer outras informações providas pelo receptor GPS móvel. A unidade de processamento de dados 705 pode estar acoplada a um display 715 opcional e pode também estar acoplada a um armazenamento de massa 713 com software GIS que é opcional.

Será notado que apesar de apresentado separadamente, o armazenamento de massa 713 pode ser o mesmo que o armazenamento de massa 7 07 pelo fato de que eles podem estar contidos no mesmo disco rígido ou outro dispositivo/meio de armazenamento de dados.

A Figura 7B ilustra uma estação base alternativa da presente invenção. Tal estação base 725 se destina a ser acoplada a centrais de transmissão e recepção remotas, tais como uma central de telefonia celular 855 mostrada na Figura 8. Tal estação base 725 pode também ser acoplada a sistemas de clientes através de uma rede, tal como a Internet ou uma intranet, ou outros tipos de sistemas de redes de computadores. O uso da estação base desta maneira está adicionalmente descrito no Pedido Co-pendente de Patente U.S. N- de Série 08/708.176, depositado em 6 de setembro de 1996, intitulado "Client-Server Based Remote Locator Device" e aqui incorporado por referência. A estação base 725 se comunica com uma unidade GPS móvel, tal como o sistema de comunicação e receptor GPS móvel combinados 853 mostrado na Figura 8 através da central de telefonia celular 855 e sua correspondente antena ou antenas 857 tal como mostrado na Figura 8. Será notado que o sistema de comunicação e receptor GPS combinados 853 pode ser similar ao sistema 100 mostrado na Figura IA.

A estação base 725, tal como mostrado na Figura 7B, inclui um processador 727 que pode ser um microprocessador convencional acoplado por um barramento 730 à memória principal 729 que pode ser uma memória de acesso aleatório (RAM). A estação base 725 inclui também outros dispositivo de entrada e saída, tais como teclados, mouses e displays 735 e controladores I/O associados acoplados via barramento 730 ao processador 727 e à memória 729. Um dispositivo de armazenamento de massa 733, tal como um disco rígido ou CD ROM ou outros dispositivos de armazenamento de massa, está acoplado a vários componentes do sistema, tal como o processador 727 através do barramento 730. Um dispositivo de entrada e saída (1/0) 731 que serve para prover funcionalidade I/O entre o receptor GPS ou outra fonte de mensagens de dados de satélites, está também acoplado ao barramento 730. Tal dispositivo I/O 731 pode receber mensagens de dados de satélites provenientes de um receptor GPS (por exemplo, o receptor GPS 703 mostrado na Figura 7A) e os provê através do barramento 730 para o processador que, de acordo com uma das modalidades acima descritas da invenção, pode levar uma marca de tempo a ser a eles aplicada. Os registros podem ser a seguir armazenados no dispositivo de armazenamento de massa 733, por exemplo, para uso posterior na comparação com registros recebidos provenientes de receptores GPS móveis. O dispositivo de armazenamento de massa 733 pode também armazenar informações de velocidade representando a velocidade relativa de um conjunto de um ou mais satélites.

Adicionalmente, o dispositivo de armazenamento de massa 733 pode armazenar rotinas correspondendo a um ou mais dos métodos acima descritos para processar informações de posicionamento/sinais de satélites.

Dois modems 739 e 737 são mostrados na Figura 7B como interfaces para outros sistemas remotamente localizados em relação à estação base 725. No caso do modem ou interface de rede 739, tal dispositivo é acoplado a um computador de cliente, por exemplo através da Internet ou outra rede de computadores. O modem ou outra interface 737 provê uma interface à central de telefone celular, tal como a central 855 mostrada na Figura 8 que ilustra um sistema 851.

A estação base 725 pode ser implementada com várias estruturas de computador como será notado pelos técnicos na área. Como exemplo, podem existir múltiplos barramentos ou um barramento principal e um barramento periférico, ou podem existir múltiplos sistemas de computador e/ou múltiplos processadores. Pode ser vantajosa, por exemplo, a existência de um processador exclusivo para receber a mensagem de dados de satélite proveniente do receptor GPS 703 e processar tal mensagem de modo a prover um registro de referência de forma exclusiva de forma que não ocorra interrupção no processo de preparação do registro de referência e seu armazenamento e gerenciamento da quantidade de dados armazenados de acordo com uma dentre as modalidades acima descritas da presente invenção.

A Figura 8 ilustra um sistema de acordo com uma modalidade da invenção, que inclui um receptor SPS, uma central de telefonia celular, uma estação base, a Internet e um sistema de computador do cliente. O sistema 851 mostrado na Figura 8 pode operar, em uma modalidade, da seguinte maneira. Um sistema de computador do cliente 8 63 irá transmitir uma mensagem através de uma rede, tal como a Internet 861, para a estação base 825. Deve ser notado que podem existir roteadores ou sistemas de computador intervenientes na rede ou Internet 8 61 que passam a solicitação de posição de um receptor GPS móvel especifico. A estação base 825 irá a seguir transmitir uma mensagem através de um link, o qual é tipicamente um link telefônico por fio 859, para a central de telefonia celular 855. Tal central de telefonia celular 855 a seguir transmite um comando utilizando sua antena ou antenas 857 para o sistema de comunicação e receptor SPS móvel combinados 853. Em resposta, o sistema 853 transmite de volta pseudo- distâncias, registros das mensagens de dados de satélites, informações de velocidade e/ou outras informações. Tais informações podem ser recebidas pela central de telefonia celular 855 e comunicadas de volta para a estação base através do link 859. A estação base a seguir realiza uma ou mais das operações acima descritas com várias modalidades da invenção, tais como a determinação de tempo usando uma ou uma combinação de velocidade relativa de satélites, medições Doppler, uma estatística de erros e/ou comparação de dois ou mais registros de dados de satélites. A estação base pode a seguir determinar informações de navegação, tais como tempo e/ou posição do receptor SPS e comunicar as informações de navegação através de uma rede, tal como a Internet 861, para o sistema de computador do cliente 853, o qual pode ele próprio possuir software de mapeamento no sistema de computador do cliente, permitindo que o usuário de tal sistema veja em um mapa, a posição exata do sistema SPS móvel 853. MODALIDADES ALTERNATIVAS

Apesar da invenção ter sido descrita em termos de várias modalidades e figuras ilustrativas, os técnicos na área notarão que a invenção não fica limitada às modalidades ou figuras descritas. Em particular, a invenção pode ser praticada em várias modalidades alternativas que propiciam um método e/ou equipamento para determinar tempo ou outras informações de navegação no sistema de posicionamento por satélite por uma ou uma combinação das seguintes: (1) utilização de velocidade relativa de uma entidade e/ou um conjunto de satélites; (2) computação de uma estatística de erros para tempo ou posição/distância; e (3) comparação de duas ou mais mensagens de dados de satélites.

Portanto, deve ficar claro que o método e o equipamento da invenção podem ser praticados com modificações e alterações dentro do escopo das reivindicações anexas. 0 relatório descritivo deve portanto ser considerado como ilustrativo em lugar de limitante da invenção.

Claims

1. Método para determinar um tempo de referência, o método caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: comparar um primeiro registro de pelo menos uma parte de uma mensagem de satélite que é recebida por uma primeira entidade com um segundo registro da mensagem de satélite tendo um valor de tempo associado para determinar um primeiro valor de tempo, em que o segundo registro da mensagem de satélite é recebido em uma segunda entidade; e determinar um segundo valor de tempo com base em um conjunto de valores de estatística de erro para um conjunto de valores de distância e o primeiro valor de tempo, em que o segundo valor de tempo indica o tempo de referência.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira entidade é um receptor de sistema de posicionamento por satélite móvel.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda entidade é uma estação base.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que determinar o segundo valor de tempo compreende: determinar o conjunto de valores de estatística de erro para cada um dentre um conjunto de valores de distância associado a uma distancia entre a primeira entidade e pelo menos um dentre o conjunto de satélites; e otimizar o conjunto de valores de estatística de erro para determinar o segundo valor de tempo.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que cada um dentre o conjunto de valores de distância corresponde a um residual de pseudo- distância.

6. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o conjunto de valores de estatística de erro corresponde a uma variação de um conjunto de valores de distância que sofrem deslocamento com relação uns aos outros no tempo.

7. Equipamento para determinar um tempo de referência, o equipamento caracterizado pelo fato de que compreende: mecanismos para comparar um primeiro registro de pelo menos uma parte de uma mensagem de satélite que é recebida por uma primeira entidade com um segundo registro da mensagem de satélite tendo um valor de tempo associado para determinar um primeiro valor de tempo, em que o segundo registro da mensagem de satélite é recebido em uma segunda entidade; e mecanismos para determinar um segundo valor de tempo com base em um conjunto de valores de estatística de erro para um conjunto de valores de distância e o primeiro valor de tempo, em que o segundo valor de tempo indica o tempo associado ao tempo de referência.

8. Equipamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a primeira entidade é um receptor de sistema de posicionamento por satélite móvel.

9. Equipamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a segunda entidade é uma estação base.

10. Equipamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os mecanismos para determinar o segundo valor de tempo compreendem: mecanismos para determinar o conjunto de valores de estatística de erro para cada um dentre um conjunto de valores de distância associado a uma distância entre a primeira entidade e pelo menos um dentre o conjunto de satélites; e mecanismos para otimizar o conjunto de valores de estatística de erro para determinar o segundo valor de tempo.

11. Equipamento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que cada um dentre o conjunto de valores de distância corresponde a um residual de pseudo-distância.

12. Equipamento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o conjunto de valores de estatística de erro corresponde a uma variação de um conjunto de valores de distância que sofrem deslocamento com relação uns aos outros no tempo.