BRPI0711083A2 - sistema e método para fornecer informação de estado fìsico - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MéTODO PARA FORNECER INFORMAçAO DE ESTADO FìSICO A presente invenção refere-se a um sistema e método para fornecer a determinação da localização em um ambiente configurado, no qual os Sinais do Sistema Global de Navegação não estão disponíveis. Com relação a isto, sistemas de radiofarol locais geram sinais CDMA de espalhamento espectral que são recebidos pelas unidades de compressão espectral que derivam observações fisicamente significativas sem uma exigência para correlação da energia interceptada por meios dos códigos de espalhamento conhecidos. A invenção pode co-existir com bens de comunicação já no local, e o projeto permite a própria calibração, o que simplifica a instalação e o uso. A invenção apresenta utilidade nas aplicações nas quais os sinais GNSS estão não disponíveis ou limitados, por exemplo, em gerenciamento de inventário de depósito, em operações de busca e resgate e no rastreamento de bens em ambientes internos

Description

"SISTEMA E MÉTODO PARA FORNECER INFORMAÇÃO DEESTADO FÍSICO"

Reivindicação de PrioridadeEste pedido reivindica a prioridade para o pedidoU.S. número 11/697.575, depositado em 6 de abril de 2007 e opedido provisório U.S. número 60/745.928, depositado em 28abril de 2006, cujo pedido está incorporado no presentedocumento a titulo de referência em sua totalidade, conformecompletamente estabelecido no presente documento.

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção geralmente refere-se a um sistema emétodo para posicionar bens remotos e, mais particularmente,a um sistema e método para operar em um ambiente local emque um sistema global de navegação por satélite (GNSS) não édisponível.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

O sistema de posicionamento global (GPS) mudoufundamentalmente os métodos de navegação, rastreamento delocalização e sincronização de tempo mundial. Com trinta edois' satélites em órbita, o GPS fornece o serviço deposicionamento contínuo de sinais que podem ser recebidos emquase qualquer lugar. Com o advento de sensores deposicionamento de baixo custo que usam GPS, precisos emalguns metros, ocorreu uma proliferação da tecnologia eminfra-estruturas de núcleo que inclui sistemas de energia,comunicações, transporte e militar. A importância destacapacidade de um patrimônio nacional não pode ser exageradae é acentuada pelo fato de muitas outras nações agoraoperarem ou desenvolverem seus próprios GNSS, incluindoRússia, Japão, China e União Européia.

Apesar de suas muitas vantagens, o GNSS tem umadesvantagem significativa: os sinais de sistemas denavegação baseados em satélite são tipicamente muito fracos,à medida gue eles atingem o receptor de posicionamento. Emalguns casos, como o GPS, existe uma parte principal de seuprojeto, mas é praticamente muito difícil operartransmissores de alta potência em órbita. Estes sinaisfracos tornam difícil operar os receptores de posicionamentoem ambientes obstruídos, tais como locais fechados, à medidaque as obstruções tendem a atenuar a potência de sinal etorná-lo inútil para o posicionamento ou, no mínimo,degradar substancialmente a capacidade de medição total.

Embora um esforço significativo tenha sido feitopara superar estas limitações, particularmente, GPSAssistido e GPS de Alta Sensibilidade, em termos práticos, oposicionamento de medidor de nível em ambientes obstruídosque usam GNSS não é possível para uso amplo. Paraproporcionar o posicionamento em ambiente obstruído, outraclasse de tecnologias de posicionamento foi desenvolvida,conhecida como sistemas de localização em tempo real (RTLS),que são derivados das tecnologias de identificação por rádiofreqüência (RFID).

A utilização de uma variedade de métodos dealcance, tais como, diferença de tempo de chegada (TDOA),Intensidade de Sinal Recebido (RSS), leitor fixo eetiquetagem de ponto de referência, o RTLS oferece umavariedade de capacidades e precisões de posicionamento. Ossistemas mais avançados e versáteis tendem a usar TDOA epodem oferecer precisão de posicionamento dentro de algunsmetros. Alguns dos sistemas ainda reivindicam a precisãosub-metro, embora esta tenda a se encontram em ambientesaltamente controlados.

Embora promissores, os sistemas RTLS são muitodispendiosos para se instalar e operar. Quando a altaprecisão é necessária, o custo e a complexidade doequipamento podem torná-los não práticos, exceto paraalgumas aplicações limitadas. 0 RTLS oferece uma variedadede soluções que pode ser ajustada para se adaptar a umavariedade de aplicações; entretanto, quando comparado com asimplicidade relativa e ampla disponibilidade deposicionamento baseado em GNSS, as mesmas são menos quedesej áveis.

Ademais, para aplicações combinadas que requeremposicionamento tanto nos ambientes de área local obstruídoscomo nos ambientes de área ampla desobstruídos, as opçõessão extremamente limitadas, à medida que nem o GNSS nem oRTLS podem satisfazer o requerimento sozinhos. Os sistemasRTLS e GNSS combinados não são práticos devido ao fato deque os mesmos são muito incompatíveis e difíceis de integrare, como um resultado, muito dispendiosos. Diversastentativas foram feitas para adaptar as tecnologias demercadoria de receptor GPS que usam pseudo-satélites parafornecer capacidades RTLS. Embora tenham um conceitoatrativo, estas soluções são, na melhor das hipóteses, muitodispendiosas e têm potência intensiva para atenderem asaplicações RTLS e, na pior das hipóteses, as mesmas sãoilegais para operarem na maior parte do mundo, à medida queelas tendem a bloquear as operações GPS normais.

Conseqüentemente, existe uma necessidade de umatecnologia de posicionamento altamente precisa de baixocusto que opere igualmente bem em ambientes obstruídos queusam pontos de referência de radiofarol localmentedistribuídos e possam utilizar pontos de referência GNSScomo um satélite GPS para ambientes de área ampladesobstruídos.

SUMÁRIO DOS TERMOS

As seguintes definições de certos termos são úteispara fornecer um fundamento para a discussão das modalidadespreferidas e alternativas da presente invenção.

As informações de meio de "almanaque" descrevem aconfiguração, estado físico atual ou estado físico futuroprevisto de um sensor de ponto de referência ou estadofísico. Esta informação pode ser gerada internamente atravésde um processador de rede de referência ou pode serfornecida por uma fonte externa (por exemplo, receptor GPSpara almanaque GPS e efeméride precisa) . Tipicamente, ainformação de almanaque tem um tempo de aplicabilidade e éarmazenada em um formato que torna a mesma relativamentefácil de usar para a avaliação de estado físico.O termo "correção de almanaque" significa correçõespara informação de almanaque. Estas correções são,tipicamente, ajustes em um ou mais elementos de um almanaquee são mais compactas no tamanho quando comparadas com umregistro de almanaque completo que reduz, deste mòdo, osrequerimentos de largura de banda e armazenamento.

0 termo "dado de configuração" significa ainformação que define a configuração e relação de sistemapara as referências externas. 0 dado de configuração incluiespecificações de pontos de referência, transformações desistema de coordenada e dado de transformação de tempoexterno. A informação de sistema também pode incluiratributos de segurança, registros e especificações de sensorde estado físico e especificações de critérios de desempenhode integridade.

0 termo "referência fiducial de sistema decoordenada" significa um local conhecido ou aceito no quadrode sistema de coordenada de referência que é determinado commelhor precisão que a precisão do requerimento de desempenhode usuário final de sistema.

0 termo "observáveis diferenciais" significa queas observáveis são formadas, não importa quando asobserváveis de dois ou mais interceptores são diferenciadasproduzindo uma medição diferencial que cancela efetivamenteos erros sistemáticos devido às incertezas no estado físicode um emissor. Note que existem Ia, 2a e observáveisdiferenciadas mais altas. A modalidade preferida usa,tipicamente, as primeiras diferenças.

O termo "emissor" significa qualquer objeto queproduz uma emissão de energia.

O termo "emissão de energia" significa energiaestruturada ou não estruturada propagada em algum meio detransmissão que pode ser interceptado e processado. Asemissões estruturadas incluem quaisquer emissões cujascaracterísticas são conhecidas e são, de alguma maneira,deterministas e previsíveis. As emissões não estruturadasconsistem em qualquer coisa que não seja consideradaestruturada e têm, tipicamente, características aleatórias.

O termo "interceptor" significa qualquer objetocapaz de interceptar pelo menos uma emissão de energia.

O termo "sensor de localização" significa umsensor de estado físico configurado para produzir observáveisúteis para a determinação de posição.

O termo "processador de navegação" significa umavaliador de estado físico configurado para processarobserváveis em pelo menos um sensor de estado físico queresulta em uma avaliação do estado físico do sensor deestado físico. A avaliação de estado físico pode serimplementada por inúmeros meios. A modalidade preferida usauma combinação de métodos de avaliação estocásticos queincluem métodos de mínimos quadrados, filtro de Kalman emétodos híbridos.O termo "observável" significa uma medição daenergia interceptada propagada em algum meio de transmissãoentre emissores e interceptores.

O termo "estado físico" significa as característicasfísicas relativas a um quadro de referência de umdispositivo compreendido de pelo menos uma ou mais dasseguintes características: derivados de posição, atitude,relógio e temporais. A posição e a atitude podem ser em uma,duas ou três dimensões. A posição é uma medição da distâncialinear ao longo de um ou mais eixos. A atitude é uma mediçãode uma rotação angular em torno de algum eixo geométrico.Relógio é a medição de tempo. Os derivados temporais são osderivados de tempo das características físicas primárias.

O termo "avaliação de estado físico" ou "PSE"significa uma avaliação computada do estado físico derivadoa partir das observáveis.

O termo "avaliador de estado físico" significa umelemento de sistema que processa as observáveis fornecidasde dado de configuração previamente definido que produz umaavaliação de estado físico.

O termo "sensor de estado físico" significa umelemento de sistema que é usado para captar o estado físico.

O sensor de estado físico pode ser um interceptor ou umemissor de energia que depende da configuração.

O termo "ponto de referência" significa umelemento de sistema que atua como um ponto de referênciapara medir a posição de um ou mais sensor (es) delocalização. Um elemento de ponto de referência pode ser umemissor ou um receptor de energia propagada em algum meio detransmissão. Eles podem ser colocados em pontos fiduciaisconhecidos dentro do quadro de referência sistema decoordenada. Os pontos de referência também podem ser moveisou de origem externa, tais como quasares, sinais de satélitede oportunidade e outro emissor de energia. A característicaprimária do ponto de referência consiste em uma ou maiscaracterísticas físicas que são conhecida antes da avaliaçãodo estado físico relativo entre o ponto de referência e umsensor de estado físico.

O termo "sinal de variação" significa uma emissãode energia estruturada intencionalmente projetada para tercaracterísticas apropriadas que sejam úteis na mediação dafaixa entre um emissor e um interceptor.

O termo "transmissor de sinal de variação" ou"RST" significa um emissor que transmite um sinal devariação. Este pode ser um satélite de navegação global, umradiofarol local ou qualquer transmissor que produz um sinalque pode ser explorado como um sinal de variação.

O termo "processador de rede de referência"significa um avaliador de estado físico configurado paraavaliar o estado físico de pelo menos um ponto de referênciacom relação a um segundo ponto de referência e que usasubseqüentemente a informação de estado físico resultantepara atualizar o almanaque, informação de correções e outrosdados de configuração relacionados com o sistema.O termo "SCT de referência" significa umcompressor e tradutor espectral que é projetado como umponto de referência no sistema.

O termo "compressor e tradutor espectral" ou "SCT"significa um sensor de estado físico configurado como uminterceptor que processa emissões de energia interceptadaque usam pelo menos um método de compressão espectral queproduz observáveis que podem ser usadas para a avaliação deestado físico.

O termo "compressão espectral" significa umprocesso de extração das características físicas dealteração sob a forma de derivados de amplitude, fase etemporal da energia interceptada à medida que esta sepropaga através de um meio de transmissão sem relação com apreservação de conteúdo de informação potencialmentemodulado dentro das emissões de energia. O processo deextração utiliza pelo menos uma ou mais característicasfísicas conhecidas da emissão de energia e do emissor paradestilar o conteúdo espectral de banda larga em um regime debanda estreita, que preserva as características físicas. Adestilação de conteúdo espectral de banda larga pode serrealizada sem relação com conteúdo de informação modulada,que permite o ganho de processo efetivo que produz sinalalto para a razão de ruído para a extração dascaracterísticas físicas.

O termo "controlador de sistema" significa umelemento de sistema (tipicamente software) que aresponsabilidade das operações de sistema de coordenada quegerenciam a configuração, calibração e coordenação do fluxode informação para outros elementos no sistema. Ocontrolador de sistema implementa as funções de sincronizaçãoe controle necessárias para coordenar outras funções desistema para fornecer um certo desempenho e qualidade deserviço. Note que estas funções podem ser fisicamenteimplementadas em um único controlador ou distribuídas/compartilhadas entre um grupo de controladores que dependemde requerimentos implementação específicos.

O termo "referência de tempo" significa um sinalexterno que fornece informação de tempo e freqüência externaque é útil para sincronizar a referência de tempo efreqüência do sistema. Uma das referências de tempo externasmais comuns é a coordenada de tempo universal (UTC) e tempoGPS, que permite que as referências de tempo e freqüência desistema sejam ligadas àqueles sistemas especificados.

O termo "meio de transmissão" significa qualquermeio capaz de propagar energia de alguma forma; os médiosincluem espaço livre, líquidos, sólidos e gases.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção fornece um sistema e métodopara determinar o estado físico a posição principal de umsensor de estado físico relativo aos pontos de referênciaconhecidos que podem incluir tanto satélites de navegaçãoglobal (por exemplo sistema de posicionamento global (GPS))como radiofaróis locais, de modo que a cobertura apropriadaseja proporcionada mesmo quando o sistema global denavegação por satélite (GNSS) não estiver disponível ou, deoutro modo, obstruído. Δ invenção apresenta um sistema emétodo para um sistema de localização de área baseado emradiofarol que utiliza RF (ou outros sinais) para fornecersinais de variação para um ou mais sensores de localização.

Uma modalidade exemplificativa do sistema dapresente invenção para fornecer informação de estado físicodentro de um ambiente configurado inclui pelo menos umemissor que emite energia dentro de um meio de transmissão;pelo menos um interceptor que recebe energia propagadaatravés de um meio de transmissão do emissor, em que ointerceptor é configurado para processar as emissõesrecebidas usando compressão espectral para produzir umconjunto de observáveis adequadas para a avaliação de estadofísico. 0 sistema comunica o conjunto de observáveis para umavaliador de estado físico, que é configurado paradeterminar um membro do estado físico relativo entre ointerceptor e o emissor baseado no conjunto de observáveisrecebidas a partir do interceptor. 0 sistema, então, relatao membro determinado do estado físico relativo com base noconjunto de observáveis recebidas a partir do interceptor.

Uma modalidade exemplificativa do método dapresente invenção para fornecer informação de estado físicodentro de um ambiente configurado inclui as etapas de emitirenergia a partir de pelo menos um emissor através de um meiode propagação; interceptar a emissão de energia nointerceptor; processar a emissão de energia recebida que usacompressão espectral para produzir um conjunto deobserváveis associadas com a emissão; comunicar o conjuntode observáveis para um avaliador de estado físico; receberdados de configuração que pertencem à disposição econfiguração do emissor e interceptor dentro do ambienteconfigurado; determinar um membro do estado físico relativoentre o interceptor e o emissor com base no conjunto deobserváveis e no dado de configuração; e relatar o membro doestado físico relativo.

As modalidades alternativas resultantes dapresente invenção superam as desvantagens associadas aossistemas e métodos atuais e proporcionam um sistema de baixocusto, simples e rapidamente implementável com um métodoindependente completo para avaliação de estado físico queusa radiofaróis de área local e/ou satélites GNSS de áreaampliada, tal como GPS.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As modalidades preferidas e alternativas dapresente invenção são descritas em detalhes abaixo, comreferência aos desenhos a seguir.

A Figura 1 é um diagrama de sistemas lógicos quemostra os componentes da invenção que incluem transmissoresde sinal de variação, compressores e tradutores espectrais eos componentes de processamento para determinar o estadofísico que usa energia interceptada de acordo com umamodalidade da presente invenção.A Figura 2Α mostra a integração da invenção combens de comunicação existentes, de acordo com uma modalidadeda presente invenção.

A Figura 2B ilustra os componentes do compressor etradutor espectral integrado com o processador dedeterminação de estado físico, de acordo com uma modalidadeda presente invenção.

As Figuras 2C e 2D ilustram os componentes denível de bloco do compressor e tradutor espectral integradocom os bens de comunicação, de acordo com uma modalidade dapresente invenção.

As Figuras 2E e 2F mostram os cenários deintegração de nível de bloco adicionais do compressor etradutor espectral de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

A Figura 3 mostra um diagrama lógico para umcenário no qual a invenção é combinada em um modo deoperação híbrido com sinais GNSS, de acordo com umamodalidade da presente invenção.

A Figura 4A ilustra o detalhe do transmissor desinal de variação, de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

A Figura 4B ilustra a geração do sinal de variaçãodentro do RST, de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.A Figura 5Α ilustra a funcionalidade de umcompressor e tradutor espectral, de acordo com umamodalidade da presente invenção.

A Figura 5B ilustra a funcionalidade do componentede processador de canal do SCT, de acordo com uma modalidadeda presente invenção.

A Figura 6 ilustra um avaliador de estado físico,que converte os dados observados em elementos de estadofísico, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

A Figura 7 mostra o processo de filtragem aliadapara gerar um conjunto de dados de correção de referência,de acordo com uma modalidade da presente invenção.

As Figuras 8A e 8B ilustram a diferença entre oposicionamento relativo e absoluto diferencial, de acordocom uma modalidade da presente invenção.

A Figura 9 ilustra um cenário de disposição deposicionamento 3D, de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

A Figura 10 ilustra um cenário de disposição noqual tanto os sinais RST como os sinais GNSS são disponíveispara o posicionamento híbrido, de acordo com uma modalidadeda presente invenção.

A Figura 11 ilustra uma aplicação da invenção parabuscar e resgatar operações, de acordo com uma modalidade dapresente invenção.

A Figura 12 é um diagrama de sistemas lógicos quemostram os componentes da invenção que incluem um emissor,interceptor e avaliador de estado físico usado paradeterminar os estados físicos que usam a energiainterceptada, de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

A Figura 13A ilustra um método para fornecerinformação de estado físico dentro de um ambienteconfigurado, de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

A Figura 13B ilustra a metodologia deinterceptação e processamento de emissão de energia parafornecer informação de estado físico dentro de um ambienteconfigurado de acordo com uma modalidade da presenteinvenção.

A Figura 13C ilustra um método para processamentode dados de banda estreita que usam um detector de pico, deacordo com uma modalidade da presente invenção.

A Figura 13D ilustra um método para processamentode dados de banda estreita que usam um circuito derastreamento de fase, de acordo com uma modalidade dapresente invenção.

A Figura 13E ilustra um método para processamentode dados de banda estreita que usam correlação cruzada deacordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

Existem situações em que uma implementação de GNSSpara determinar o estado físico de alguns sensores não éprática porque os sinais de satélite são muito fracos,obstruídos ou interferidos por acidente ou com intenção.Tais situações podem ocorrer em um espaço fechado, tal como,dentro de um depósito de metal, abaixo de terra /cascalho,ou possivelmente em ambientes de interferência de GNSS.

Por meio de visão geral, a presente invençãoutiliza um ambiente de constelação de radiofarol, que emborabaixo potência de transmissor (<1 microwatt), fornece umfluxo de sinal que é de 40 a 60 dB mais potente que ossinais GNSS e, deste modo, é capaz de determinar o estadofísico de um sensor em missões onde o GNSS é ausente ou nãoconfiável no contexto de um ambiente configurado ou, emoutras palavras, um ambiente em que existe a capacidade dedispor uma constelação de radiofarol de uma maneira quepermite o máximo de flexibilidade para o operador desistema. Δ constelação de radiofaróis usa técnicas deespalhamento espectral sem a necessidade de sincronização detempo e freqüência, embora obtenha controle de freqüênciasuficientemente estável para identificar um radiofarolindividualmente através do seu desvio de freqüência. Taisconstelações de radiofaróis podem ocorrer em ambientesterrestres, marinhos, aéreos ou espaciais.

Por exemplo, em uma situação terrestre onde ainterferência, acidental ou intencional, tornou o GPS (umtipo de GNSS) não disponível, veículos aéreos nãotripulados, UAVs, disposições de radiofarol de balão oufoguete/paraquedas podem ser usadas. Os modos de compressãoespectral são usados, de preferência, dentro dos sensoresGNSS com amostragem digital de faixa dinâmica para tolerarinterferência residual em altitude. Nesta modalidade, osdados de compressão espectral GNSS são ligados por enlacedescendente através de um canal de comunicações ou,alternativamente, incorporados no espectro de radiofarol.Desta maneira, o estado físico dinâmico destes radiofaróisde avião pode ser determinado.

Os radiofaróis são dispositivos que emitem umaestrutura de sinal livremente constrito que são configuradospara simplificar o projeto total a fim de minimizar o custode um dispositivo de interceptação, minimizar requerimentosde reticulação de dados e simplificar os avaliadores deestado físico. 0 conceito destes radiofaróis não é constritopara operarem em qualquer uma das modalidades de emissão.Nas modalidades alternativas, estes radiofaróis operam emdiversos domínios físicos, tais como eletromagnéticos (RF,regiões ópticas ou nucleares de raios-x e gama) e acústicos(através de água, ar ou materiais sólidos).

A modulação radiofarol na modalidade preferidautiliza supressão portadora completa de espalhamentoespectral para realizar a recepção simultânea de acessomúltiplo por divisão de código (CDMA) de muitos radiofaróis.A modulação de todos os radiofaróis pode ter ou não fasecoerente ou tempo sincronizado entre toda a constelação deradiofarol. O estado de sincronização e coerência de sinalde constelação é um problema da escolha a ser feita pelaconfiguração particular desejada e assunto relacionado aocusto e flexibilidade do equipamento receptor remoto.

A filosofia de projeto preferida consiste em umacombinação da arquitetura de navegação por satélite com trêssegmentos e das metodologias de recepção GNSS de compressãoespectral. A estrutura de sinal RF de banda larga minimiza adensidade espectral e o potencial de interferência com outroequipamento de RF que pode ocorrer na área, bem como limitao potencial de interferência no sistema desta invenção. Istoé realizado, de preferência, difundindo-se os sinais aolongo da banda máxima permitida, aproximadamente 20 MHz,utilizando-se faixas predefinidas de bandas ISM, porexemplo, centralizadas em 915 MHz, 2,4 GHz e 5,8 GHz, deacordo com os regulamentos U.S. atuais.

Visão Geral de Sistema e Método

A modalidade preferida fornece uma metodologia esistema de posicionamento de área local que produzposicionamento de alta precisão (centímetros se requerido) ,a simplicidade de operação e implementação de baixo custo, afim de obter uma ubiqüidade de utilização. Maisespecificamente, a presente invenção mistura as trêsmetodologias: geodésia espacial de radioastronomia,comunicações de espalhamento espectral e os métodos deprocessamento não-linear de sinais do GPS.

A radioastronomia, tal como a geodésia espacial deinterferometria de linha de base muito longa (VLBI), utilizao conceito de um conjunto de fontes de rádio incoerentes,tipicamente, quasares, para servir como um quadro dereferência para determinar as três separações de vetordimensional entre dois ou mais radiotelescópio.

As comunicações CDMA de espalhamento espectralexploram a metodologia de geração de ruído pseudo-aleatóriode seqüência direta (PRN) que usa um gerador digital deretroalimentação de registro de desvio explorada linear. Osgeradores PRN usam uma fonte de freqüência interna paraoperar o horário da operação de registro e desvio que servepara obter supressão de sinal portador e espalhar o sinalpara reduzir a densidade espectral. Isto fornece vantagenssimultâneas de reutilização de canal, imunidade relativa deinterferência em banda e baixa probabilidade de detecção einterceptação.

Os métodos de utilização de sinal GPS não-linearfornece a base para uma metodologia derivada conhecida comocompressão espectral que minimiza o gasto nos termos dedesenvolvimento de chip/firmware sob medida e consumo de energia DC. Um receptor GPS típico funciona ao ter umconhecimento a priori da seqüência de código PRN que cadasatélite usou para espalhar o sinal portador sobre o qual atelemetria é modulada. Isto, por sua vez, permite que oreceptor GPS extraia a mensagem de navegação que inclui oestado de sincronização de tempo e freqüência de cadasatélite, para o processador interno de receptor GPS derivarsua posição e velocidade de uma maneira autônoma. Porcomparação, os métodos GPS de compressão espectral derivamtipos de dados de variação de fase a partir de múltiplossatélites sincronizados sem qualquer conhecido da seqüênciade código PRN usada para espalhar os sinais portadores.

O projeto da constelação de radiofarol evita anecessidade de sincronização de tempo e freqüência enquantoainda funciona como o quadro de referência para adeterminação de estado físico. Na forma mais simples, osradiofaróis formam um conjunto incoerente de sinais RF debaixa potência com densidade espectral muito baixa, a fim deevitar a interferência com outros sistemas na mesma regiãoespectral, provavelmente, as bandas ISM. 0 conjunto deradiofarol incoerente é utilizável na abordagem deposicionamento relativo diferencial do VLBI. Os radiofaróise sensores de localização dependem de fontes de referênciade cristal não melhores que aquelas usadas em relógios depulsos digitais pouco dispendiosos, com uma precisão eestabilidade de freqüência de aproximadamente 10 partes pormilhão (PPM). Na metodologia de compressão espectral nãoexiste extração por telemetria. Como um resultado, osradiofaróis são distinguidos de outros através de seusdesvios de freqüência designados relativos à freqüêncianominal de taxa de chip de seqüência PRN.

Os sensores de localização não dependem doprocessamento de sinal de correlação cruzada de seqüênciasde código PRN conhecidas para derivar a pseudovariação. Osmétodos de compressão espectral permitem a aquisição deobserváveis de variação de fase ambíguas derivadas de umatraso e a multiplicação de processamento não-linear querecupera as freqüências de chip de cada radiofarol.

Cada um dos radiofaróis usa, de preferência, amesma seqüência PRN. Em uma modalidade preferida, o códigoPRN tem comprimento máximo, o que significa que o mesmo temuma função de autocorrelação que é zero para todos osvalores de desvio exceto quando desviado por zero ou umvalor igual ao comprimento de código fornecido por 2n - 1,onde n é o número de estágio de registro de desvio.

Com o processamento de calibração de todos ospares não repetidos de vetores de linha de base de inter-radiofarol, a presente invenção combina os N radiofaróis emum ajuste de rede geodética com dimensões de combinações n/2χ (n-1). Por exemplo, com seis radiofaróis configurados parareceber ou transmitir, de acordo com os métodos decalibração descritos na presente invenção, existirão quinzevetores de linha de base exclusivos na rede. Os cálculosbaseados em rede resultam em vantagens relacionadas aoprocessamento de dados, especialmente quando a contaminaçãode múltiplas trajetórias de RF estiver presente; porexemplo, a contaminação de múltiplas trajetórias seráparticular para cada um dos vetores de linha de base e nãosistemáticos ao longo da rede. Deste modo, o ajuste de redeproduzido como um resultado da presente invenção é eficaz naderivação de avaliações melhores do estado físico deradiofarol real e fornece uma figura de mérito tal para aprecisão das medições individuais quando aplicada nasmedições feitas pelos sensores de localização. Estasavaliações de rede podem ser aplicadas para monitorarcontinuamente a integridade de dados de configuração,tornando o sistema auto-calibrável e capaz de monitorar asalterações inesperadas nos estados físicos de radiofaróisrelativos ao quadro interno comum de referência. Na presenteinvenção, o estado físico de sensor de localização pode seravaliado como parte da rede ou após a aplicação de ajustesrede, como correções, de acordo com a informação deAlmanaque de radiofarol a priori.

Por meio de exemplo, diversas modalidadesalternativas da presente invenção são contempladas eilustram em parte o escopo e a aplicabilidade da tecnologia.

Uma unidade de processamento centralizada querecebe as observáveis de compressão espectral para um oumais sensores de localização e pontos de referência quepermitem a avaliação de estado físico de sensores delocalização e pontos de referência selecionados.

A colocação dos radiofaróis pode ser de algumamaneira arbitrária, à medida que os mesmos podem atuar comoum sensor de localização, posicionando os mesmos dentro darede em um modo de calibração pós-disposição. Nestamodalidade, a colocação vertical além da horizontal de pelomenos um dispositivo de radiofarol é usada para obter oposicionamento 3-D.

O sistema de determinação de localização pode sersustentado em bandas de comunicação existentes seminterferência. Esta modalidade utiliza qualquer sistemaexistente para aumentar suas capacidades sem requerer aexistência de uma rede de comunicação particular.

A observação simultânea de sinais de radiofarol deum sensor de localização de referência e de um segundosensor de localização em que um sinal diferencial que éformado remove os deslocamentos de tempo comuns. Nestamodalidade, os requerimentos de sincronização são reduzidossem sacrificar a precisão de medição total enquanto permitesimultaneamente uma. implementação de oscilador de baixocusto. Os sinais CDMA são separados em sua freqüência dechip PRN com separação suficiente para identificaçãoexclusiva. Não existe a necessidade de uma freqüência padrãocom precisão melhor que 1PPM, tal como um oscilador decrista de temperatura compensada (TCXO). Em uma modalidadealternativa, a determinação de localização de nivel de metroé alcançável com osciladores de baixo custo que são precisosem aproximadamente 50 PPM, embora uma separação proporcio-nalmente maior entre as freqüências de chip de radiofarolseja necessária.

Cada radiofarol transmite um segundo sinalmodulado de CDMA (acesso múltiplo por divisão de código) deespalhamento espectral sobre múltiplos canais, que sãoessencialmente sobrepostos, mas sendo que cada radiofaroltem uma freqüência de chip levemente diferente para seugerador de seqüência PRN (ruido pseudo-aleatório). Aabordagem de processamento não requer coordenação defreqüência de referência de radiofarol, coerência de fase ousincronização de tempo entre múltiplas unidades deradiofarol.

Os sinais de variação dentro de uma banda de RFespecificada são modulados com uma seqüência de registro dedesvio de retroalimentação explorada por um período muitolongo (na ordem de 100's de dias), que permitem que 100's deradiofaróis simultâneos operem a partir de uma dada geraçãode código. Cada radiofarol é deslocado em tempo dentro daseqüência longa, de modo que a mesma proporcione somente suaporção da seqüência com um intervalo de 1 dia. Em umamodalidade alternativa, uma seqüência de código PRN comrepetição de aproximadamente três segundos é usada em todosos radiofaróis, que tem uma freqüência de chip de 10,23 MHzcom em cada radiofarol começou em um tempo arbitrário. Estamodalidade explora o fato de que existe uma baixaprobabilidade de sempre ter dois eventos iniciais idênticosque coincidem e permanecem dentro de 50 nseg. A identidadedo radiofarol particular, dentro do ambiente configurado, éindicada pela freqüência de chip de seqüência PRN. Porexemplo, um deslocamento de 125 Hz acima da freqüência dechip de 10,23 MHz nominal deve corresponder ao radiofarolcolocado no local de teto de canto nordeste de um grandedepósito.

Um sensor de localização dentro do domínio dosistema de posicionamento local determinado pelosradiofaróis que irão desespalhar os sinais CDMA que utilizamtécnicas de compressão espectral, que recuperam a freqüênciade chip do radiofarol particular que é recebido. Cadaradiofarol irá usar dois ou três canais PRN com taxas dechip diferentes (por exemplo, 10,23 MHz, 1,023 MHz e 0,1023MHz, que correspondem aos comprimentos de onda deambigüidade de aproximadamente 29 m, 293 m e 2,93 km,respectivamente) a fim de permitir a resolução deambigüidades de fase da próxima freqüência de chip defreqüência mais alta. Os deslocamentos de freqüência, taxasde chip e canais são todos configuráveis com base naaplicação pretendida, ambiente de dispositivo erequerimentos de precisão e são complemente configuráveis.

Na modalidade preferida, o sensor de localização utiliza oprocessamento FFT para determinar a amplitude, freqüência efase para cada um dos três canais de cada sinal deradiofarol recebido. Uma modalidade alternativa também podeextrair amplitude, freqüência e fase usando uma série demalhas de captura de fase, uma para cada radiofarol em cadacanal.

Com uma relação de sinal-ruido suficientementealta, um único canal adicional de 102,3 kHz pode sersuficiente para resolver a ambigüidade de 29,3 m do canal de10,23 MHz. Por exemplo, com um receptor que opera em um modode atraso e multiplicação de compressão espectral, quealcança uma relação de sinal de amplitude para ruido de 100para um, o ruido de fase será de 0,01 radianos ou 0,6 grausou 1,6 miliciclos ou 5 metros. Uma precisão de cinco metrosobtida a partir do canal de taxa de chip de 102.3 kHz iráresolver com confiança a ambigüidade de 29,3 metros. Aambigüidade de canal de 102,3 kHz terá sua ambigüidade de2,.93 km, entretanto, para um espaço físico onde a separaçãoentre a unidade de usuário remota também é menor que 1,4 km,não existe ambigüidade. Em uma modalidade alternativa, umterceiro canal possivelmente de 1,023 kHz com umaambigüidade de 293 km e precisão de fase de 500 metros podeser usada para resolver as ambigüidades de 2,93 km a partirdo gerador de PRN de freqüência de chip de 102,3 kHz.

A tecnologia tem aplicação em aplicações RTLS emque os sensores de localização são colocados em um bem a serrastreado e em aplicações adicionais, tais como, scanners decódigo de barras cuja própria unidade de scanner atua como osensor de localização e correlaciona a posição àidentificação de código de barras de um dado bem.

Estas e outras modalidades da presente invençãofornecem algumas ou todas das seguintes vantagens:

A capacidade de colocar radiofaróis arbitrariamentee eles serem capazes de determinar suas própriaslocalizações reduzindo, deste modo, o custo e a complexidadede instalação e uso do sistema.

A capacidade de eliminar o requerimento desincronização de tempo e freqüência, tal como, entre asetiquetas e leitores em outros sistemas. Isto reduz muito acomplexidade e o custo envolvido nesta disposição dosistema. Esta flexibilidade abre drasticamente aspossibilidades de disposição em ambientes configurados nãopadrão, tais como, emergências, onde missões de busca eresgate requerem resposta a tempo.

O uso de uma arquitetura distribuída em que acomputação e o processamento de dados ocorre quandoapropriado. Em uma modalidade da- presente invenção, istoocorre em um local central com os dados transferidos apartir de unidades individuais. Em uma modalidadealternativa, isto ocorre dentro da própria unidade decaptação. A capacidade da presente invenção de localizardinamicamente os algoritmos de computação permite aimplementação simples . e relativamente pouco dispendiosa desensores, onde apropriado, ou de sensores mais complexos edispendiosos com capacidade de posicionamento completa seisto for apropriado para outras aplicações.

A capacidade de realizar uma determinação delocalização de área local e área ampla híbrida na mesmaplataforma. Ou seja, o posicionamento local realizado quandoos sinais GNSS não estiverem disponíveis ou, se os sinaisGNSS estiverem disponíveis, que processa os dadossimultaneamente.

O uso de uma arquitetura de rádio definida porsoftware que permite o processamento simultâneo de GNSS ououtros sinais de oportunidade sem alterações significativasna implementação de hardware ou software.

Arquitetura de Sistema PreferidaNa presente invenção, os componentes funcionaisque compreendem o sistema de determinação de estado físicopara ambientes configurados podem ser implementados em umavariedade de maneiras para otimizar o desempenho. A Figura 1mostra as funções lógicas da presente invenção sem aconsideração de um cenário de implementação ou disposiçãoespecífico. 0 diagrama mostra as relações de blocos e dadosfundamentais típicas em uma implementação preferida dapresente invenção.

Mais especificamente, com referência à Figura 1, amodalidade preferida da presente invenção é descrita aseguir. Começando com uma pluralidade de transmissores desinal de variação (RST) 101, o sistema transmite múltiplastransmissões de sinal de variação 108 que sãosimultaneamente recebidas por um ou mais compressores etradutores espectrais (SCT) 103. Os RSTs transmitem, depreferência, um ou mais sinais de variação dentro de um meiocircundante, tipicamente, o espaço livre através do sinal deRF, possivelmente nas bandas ISM, embora outro meio tambémseja possível, tal como sinal acústico através de água,sujeiras, pedra ou materiais estruturais. Estes sinaisalternativos têm, de preferência, características que podemser otimamente configuradas para um ambiente particular.Cada SCT 103 recebe sinais de múltiplos RSTs 101 e processaos sinais para produzir observáveis 110 que contêminformações úteis para avaliar estado físico atual do SCT(por exemplo, posição, velocidade e tempo). Um ou maisdestes SCTs são projetados como um SCT de referência 104,cujas observáveis 111 são usadas para propósitos decalibração e controle de sistema.

Continuando com referência à Figura 1, asobserváveis 110 de um SCT são passadas para um processadorde navegação 105 junto com as observáveis de referência 111e dados de almanaque e correções 112 através de um meio decomunicações. Na modalidade preferida da invenção, não énecessário co-localizar fisicamente as funções deprocessador de navegação e SCT à medida que as comunicaçõesde dados entre blocos são relativamente mínimas e podem sermanuseadas por uma ou mais formas de comunicações, porexemplo, Ethernet, WiFi (802.11), Zigbee (802.15.4) ouqualquer meio de comunicações capaz de transferir dados. Oprocessador de navegação 105 usa as observáveis que podemincluir observáveis .118 e 111 com os dados/correções dealmanaque 112 para determinar a avaliação de estado físico118, que inclui pelo menos um derivado de posição, atitude,relógio e temporal para a(s) época(s) especificada(s). Asépocas podem ser os tempos especificados nas observáveis ouépocas passadas ou futuras se o processador de navegação usaum modelo adequado para propagar variáveis de estado parafrente e para trás no tempo. A avaliação de estado físico118 pode ser relatada para qualquer parte interessadaconforme definido por uma implementação particular dosistema.O controlador de sistema 102 serve para coordenare monitorar as funções do sistema. O mesmo recebeobserváveis 111 de um ou mais SCTs de referência 111 atravésde um sinal de comunicação. Esta informação pode incluirreferência de tempo externa opcional 116 e dado dereferência de sistema de coordenada opcional 117, que é, depreferência coletado e passado ao longo das funções 106 e107 com o propósito de produzir informações de configuraçãoe calibração de sistema de estado físico e configuraçãopassada, atual e futura. O dado de configuração de sistema115 é usado pelo controlador de sistema para configurar eajustar a pluralidade de RSTs 101 através de sinal decomunicações 119. A comunicação 119 entre o controlador desistema 111 e o RST 101 é opcional em ambientes onde astransmissões de sinal de variação 108 de RST 101 sãointerceptadas por pelo menos um SCT de referência quepermite que o sistema determine o estado físico de RST 101por meio do processador de rede de referência 107. Oprocessador de rede de referência 107 usa as observáveiscoletadas e uma informação a priori sobre a configuração desistema para computar o estado físico de todos os RSTs 101 eSCTs de referência 104 no sistema com relação uns aosoutros. Estes estados físicos consistem, de preferência, emavaliações de posição, velocidade (tipicamente zero),relógio e termos de relógio (orientação, taxa, etc.) bemcomo as características de transmissão RST, que sãocombinadas para formar os dados de almanaque e correções114. Os dados de almanaque e correções 114 para uma ou maisépocas são armazenados em um banco de dados 106 que éconfigurado, de preferência, para fornecer estes dadosmediante demanda. Nas modalidades alternativas, o formato dodado de almanaque e correções 114 permite a computaçãoeficiente de estados futuros de um ou mais modelos depropagação. O dado de almanaque e correções é usado tantopelo controlador de sistema 102 como pelos processadores denavegação 105, conforme previamente descrito. Na modalidadepreferida da presente invenção, o dado de almanaque ecorreções 114 contém tanto os vetores de estado avaliadospara cada RST como SCT de referência, bem como. coeficientesadicionais para um modelo de propagação que permite que odado de almanaque e correções seja usado com sucesso nofuturo. A capacidade de propagar o dado de almanaque ecorreções no futuro depende da qualidade dos osciladores deSCT de RST/referência, precisão desejada e complexidade demodelo de propagação.

Configuração de Comunicações de Dados sem Fio Integrados

A modalidade preferida da presente invençãofacilita uma redução no custo de fabricação e complexidadede unidade que implementa a função SCT enquanto maximiza aflexibilidade e o desempenho. Uma vantagem adicional dapresente invenção é alcançada através da integração defuncionalidade de sistema com funções de comunicação dedados sem fio, que permite o compartilhamento deprocessamento de sinal digital e circuitos de extremidadeanterior de RF. Conforme descrito em mais detalhes abaixo, afunção SCT da presente invenção reduz significativamente acomplexidade e, deste modo, o custo quando comparada amaioria dos receptores de comunicação de dados sem fio.Implementando-se as funções SCT como uma extensão dasfunções de comunicações, as capacidades de determinação deestado físico são adicionadas com pouco custo adicional.Ademais, a integração com comunicações de dados sem fioocorre naturalmente combinando-se funções de dados deenvio/recepção no controlador de sistema.

A Figura 2A mostra a integração da presenteinvenção com uma rede de comunicações de dados sem fiointerconectada, tal como, Zigbee (802.15.4). Um SCT 103 e otransceptor de dados sem fio 204 são combinados para formaruma unidade de comunicações de SCT 201. Em sua forma maissimples, a unidade 201 representa um etiqueta capaz decaptar RFID e estado físico. Uma unidade de radiofarol 202 écompreendida, de preferência, por um RST 101, SCT 104 e umtransceptor de dados sem fio 204. Uma pluralidade deunidades de radiofarol é posicionada disposta ao longo deuma área física para fornecer tanto sinais de variação deposicionamento 108 como infra-estrutura de comunicações rede205 e 206. A integração de um SCT 104 com a unidade deradiofarol permite que cada unidade de radiofarol atue comoum SCT de referência que coleta observáveis de outrasunidades de radiofarol dispostas dentro da faixa. Atravésdesta transmissão e coleta de variação combinada deobserváveis o sistema facilita a coleta das informaçõesnecessárias para determine sua própria configuração usando oprocessador de rede de referência 107. Em uma modalidade, ocontrolador de sistema 102, o processador de navegação 105,o processador de rede de referência 107 e o banco de dados106 são combinados para formarem uma unidade de controle desistema 203 que centralizes as funções de processamento egerenciamento de dados complexas. A unidade de controle desistema 203 é conectada, de preferência, à rede de dados semfio 205 através de uma ou mais unidades de radiofarolatravés de um sinal de comunicação 207. Para redes de dadossem fio que suportam rede interconectada, as unidades deradiofarol 202 tornam-se nós nas redes de dados sem fio 205e 206. A disposição de rede interconectada simplificaefetivamente a instalação do sistema de localização quepermite que cada unidade de radiofarol 202 se coordene com aunidade de controle de sistema 203 através de outrasunidades de radiofaróis sem requerer a instalação de outrosmeios de comunicação (por exemplo, Ethernet). Na modalidadepreferida da presente invenção, a unidade de controle desistema é fisicamente . conectada a uma ou mais unidades deradiofarol através de uma conexão Ethernet, que fornecevantagens de robustez e custo reduzido. Para maiorportabilidade e flexibilidade, o sinal de comunicação 207pode ser realizado conectando-se um transceptor de dados semfio 204 diretamente na unidade de controle de sistema 203.Uma vez distribuída, integrada com uma rede decomunicações de dados sem fio (mostrada na Figura 2A), apresente invenção também pode ser usada em uma variedade deaplicações de rede de dados entre dispositivos decomunicação 208 e serviços de rede 209 externas ao sistema.

Conforme discutido em mais detalhes abaixo, os requerimentosde comunicação para a presente invenção minimizam anecessidade de recursos de comunicações, deixando o volumeda largura de banda disponível para outras atividades. Namodalidade preferida, a unidade de controle de sistema 203 éuma porta de ligação para os serviços de rede acessarem osdispositivos nas redes de dados sem fio 205 e 206. As redesde dados sem fio 205 e 206 podem ser seguras através decriptografia de dados ou outro meio de segurança, de modoque somente o usuário autorizado seja capaz de acessar eusar a infra-estrutura de porta de ligação de unidade deradiofarol 202 e a unidade de controle de sistema 203 paratransferir informações entre os dispositivos e serviços.

A Figura 2B mostra uma modalidade alternativa daunidade de comunicações de SCT 201, onde o processador denavegação 105 é diretamente integrado com as funções de SCT103 e de transceptor de dados sem fio 204. Esta configuraçãopermite o cálculo de vetor de estado de SCT 118 na unidadeem situações onde os dados almanaque e correções 112 sãodisponíveis a partir do sistema. Os dados almanaque ecorreções 112 são distribuídos para a unidade decomunicações de SCT 201 a priori ou em demanda, conformesolicitados pela unidade 201. Em uma modalidade alternativa,a unidade 201 pode solicitar observáveis de um ou mais SCTsde referência para determinar uma solução diferencialcompleta. Similar à configuração da Figura 2A, aconfiguração semi-autônoma descrita na Figura 2B podeutilizar a unidade de controle de sistema determinada pelasavaliações de estado físico, conforme necessário. Porexemplo, esta capacidade pode ser útil em situações onde oprocessador de navegação 105 não é disponível devido aosrecursos de energia limitados.

A Figura 2C mostra uma modalidade alternativa daunidade de comunicações de SCT 201 em que uma interfacemáquina-máquina (MMI) 235 é integrada com as funções de SCTde núcleo 103 e as funções de transceptor de dados sem fio204 para fornecer avaliação de estado físico - de SCT (PSE)118 e comunicações de dados 233. para dispositivos externos234. Esta configuração é típica de uma periferia decomunicações permitida por localização, onde o dispositivoexterno 234 inclui o software de driver sob medida quepermite que o mesmo acesse as funções de determinação deestado físico e comunicações da unidade de comunicações deSCT 201. Esta configuração representa uma implementação debaixo custo com relação à complexidade de unidade decomunicações de SCT. Nesta modalidade, as observáveis 111são processadas pela unidade de controle de sistema 203, queretorna a avaliação de estado físico resultante 118. Estainformação é transferida pela unidade de comunicações de SCT201 para o dispositivo externo 234 através da MMI 235.

A Figura 2D mostra uma modalidade alternativa daunidade de comunicações de SCT 201 onde tanto um processadorde navegação 105 como uma MMI 235 são integrados com asfunções de SCT de núcleo 103 e a funções de transceptor dedados sem fio 204 para fornecer uma capacidade deposicionamento semi-autônoma. Similar à modalidade mostradana Figura 2B, esta modalidade é capaz de determinar aavaliação de estado físico de SCT (PSE) 118 em situaçõesonde a unidade de controle de sistemas 203 distribui os dados de almanaque e correções apropriados 112. Como naFigura 2C, a unidade de comunicações de SCT 201 fornece PSE118 e comunicações de dados 233 para um dispositivo externo234 .

A Figura 2E mostra uma modalidade alternativa daunidade de comunicações de SCT 201 com um dispositivoexterno 234 onde o processador de navegação 105 é hospedadopelo dispositivo externo. Neste caso, o dispositivo externotem capacidade de processamento suficiente para realizar afunção de processamento de navegação que permite que aunidade de comunicações de SCT 201 seja substancialmentesimplificada, incorporando funções de SCT 103, funções detransceptor de dados sem fio 204. e funções de MMI 235 querequer, deste modo, menos energia. A unidade de controle desistema 203 fornece dados de almanaque e correções 112 e/ouprocessamento das observáveis 111 para produzir o PSE 118conforme solicitado pelo dispositivo externo 234 nos casosem que onde o dispositivo opta por desabilitar sua própriafunção de processador de navegação 105.

A Figura 2F mostra uma modalidade alternativa daunidade de radiofarol 202 em que a capacidade de sensor GNSSpode ser fornecida usando uma função de sensor GNSS separada240. Por exemplo, um receptor de correlação de código GPSC/A separado pode ser integrado com uma unidade deradiofarol, fornecendo uma fonte imediata de informação deposicionamento de sincronização e geodético sobre a unidade,unindo o sistema de coordenada e de tempo local ao tempouniversal coordenado (UTC) e ao sistema geodético mundial1984 (WGS-84) . A unidade de radiofarol integrada de GPS temo valor como um ponto de referência WGS-84 e facilita adisposição da presente invenção ao longo de áreas externasmaiores, onde o desempenho pode ser significativamenteaprimorado usando-se a presente invenção junto com o GPS.

Integrando-se a presente invenção com uma rede decomunicações de dados sem fio, por exemplo, conformeilustrado nas séries anteriores de diagramas, forneceflexibilidade para configurar implementações mais ótimaspara aplicações especificas. Um exemplo é o caso em que umaunidade de radiofarol é configurada sem integração de um SCTou de um transceptor de dados sem fio. Este radiofarolsimplificado, transmite um sinal de variação, de acordo com.os dados de configuração carregados antes do seu uso. Estesradiofaróis podem ser dispostos em pontos conhecidos com ospropósitos de aumentar o desempenho de posicionamentoperformance quando a infra-estrutura de comunicaçõesadicional não é requerida. Esta modalidade de radiofarolsimplificada é substancialmente menos dispendiosa para seproduzir do que uma alternativa mais completamenteintegrada.

Configuração de GNSS Integrada

A presente invenção pode ser facilmente adaptadapara suportar simultaneamente os sinais de variação GNSS,bem como os sinais locais transmitidos por uma pluralidadede RSTs. A Figura 3 mostra um diagrama de bloco de funçãológica onde a captação de GNSS é incorporada com a presenteinvenção. As funções da presente invenção previamentereferidas como 102, 103, 105, 106 e 107 se estendem àrecepção de suporte, processamento e gerenciamento deobserváveis adicionais e dados de almanaque necessáriospara processar os sinais de variação GNSS. Nesta modalidade,o SCT 103 recebe simultaneamente os sinais de variação GNSS303 e RST 101 em dois canais separados, cada um configuradopara suportar as características especificas do tipo desinal de variação (ou RST ou GNSS, tal como o GPS). O SCTgera observáveis 110 e rotula os dados com dados deconfiguração de canal, de modo que a informação possa serprontamente processada pelo processador de navegação 105. Oprocessador de navegação é estendido, de preferência, parasuportar o processamento simultâneo tanto dos dadosobserváveis de RST como de GNSS. As observáveis podem serprocessadas no sistema de coordenada local ou algum sistemade coordenada fixa na terra, tal como WGS-84. Como aimplementação suportada não GNSS, o processador de navegaçãoproduz uma ou mais avaliações de estado físico 118 para cadaum dos conjuntos de observáveis de SCT.

Para suportar o processamento de observáveis deGNSS, as funções de gerenciamento de sistema que incluem oscomponentes 102, 106 e 107 na Figura 3 são estendidas paragerenciarem as informações de constelação GNSS, tais comoórbitas de satélite, informações de horário, status, etc. Asinformações de constelação e observáveis GNSS 301 sãocoletadas pelo . receptor de referência GNSS 302 ouproporcionadas por alguma fonte externa (não mostrada) esubmetidas a um sinal de comunicações 304 no controlador desistema, que formata estes dados para uso interno e armazenaos mesmos no banco de dados 106. O dado de almanaque ecorreção 112 fornecido para o processador de navegação éestendido para incluir informações sobre as correções deconstelação GNSS e observáveis GNSS atuais, além dainformação de almanaque e correções de RST já fornecida. Noscasos onde o receptor GNSS é parte da unidade de radiofarolpreviamente discutida (Figura . 2E), tanto as informações deobserváveis GNSS como de constelação de radiofarol podem serusadas pelo processador de rede de referência 107 pararefinar adicionalmente a colocação dos radiofaróis eaprimorar em última análise a precisão e exatidão dosistema.Transmissão de Sinal de Variação

Embora exista uma variedade de estruturas de sinalde variação pode ser usada para implementar a presenteinvenção, a modalidade preferida da presente invenção seconcentra na seleção de sinais que atendem os seguintescritérios: (1) inclui requerimentos de precisão necessários;(2) pode ser facilmente gerada; (3) pode ser configuradopara transmitir em uma variedade de regimes de RF ouacústicos; (4) são resistentes em múltiplas trajetórias eruído; e (5) possui baixas características de interferênciacomparadas com outros sinais de variação de RST na região deemissão de energia. Na modalidade preferida, o espalhamentoespectral de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) deseqüência direta é o método preferido para gerar sinais devariação, onde a seqüência de ruído pseudo-aleatório (PRN) éum código com comprimento máximo selecionado para suaspropriedades de baixa correlação cruzada e autocorrelação.

Na modalidade preferida, as transmissões deradiofarol incorporam a ortogonalidade de código, de modoque os produtos de intermodulação significativos não irãoocorrer na função de atraso e multiplicação do compressorespectral. As propriedades de código são disponíveis apartir dos códigos de ouro de GPS mas são, tipicamente,limitados pelos conjuntos de código 32 ou 34. Entretanto, asabordagens de modulação de código alternativas sãopossíveis, tal como o projeto de GPS do canal P(Y) éestruturado usando uma seqüência de código muito longa de267 dias, que tem taxa de chip de 10,23 MHz. No exemplo decanal P(Y), segmentos de sete dias deste código muito longosão designados a cada satélite da constelação com toda aconstelação de satélite que reinicializa a fase da seqüênciade código em sua condição de partida a meia noite todosábado. Este código P(Y) tem as propriedades deortogonalidade de código, de modo que a autocorrelação docódigo seja zero em todo lugar, exceto quando o desvio decódigo for zero ou em múltiplos de 267 dias. Na presenteinvenção, qualquer código longo com autocorrelação mínima,que inclui a geração de código P(Y), pode ser configurado,após isto, os segmentos são designados a cada um dosradiofaróis.

Muitos radiofaróis podem ser operados em tempos departida aleatórios e a correlação cruzada entre estesradiofaróis é essencialmente zero. Por exemplo, um geradorde seqüência de ruído pseudo-aleatório (PRN) deretroalimentação de registro de desvio explorada em 25estágios terá um comprimento de código de aproximadamente 34milhões de chips. Supõe-se que a taxa de chip de 10,23 MHzlevará 3,3 segundos para repetir este código.

A Figura 4A mostra um diagrama de bloco de funçãológica do transmissor de sinal de variação (RST) 101 queincorpora as funções descritas acima. 0 RST usa um geradorde sinal de variação de múltiplos canais 406 para gerar osinal de variação específico, de acordo com ascaracterísticas desejadas. Este sinal é, então, usado paramodular 404 uma freqüência intermediária gerada por umsintetizador de sinal 405. Dependendo da configuração, osinal resultante é filtrado 408 (permitindo que a bandasuperior, banda inferior, ou ambas passem) e passado atravésde um conversor analógico digital 410. O sinal analógicoresultante é convertido ascendentemente 411 na banda de R.F.que usa a freqüência gerada pelo sintetizador de sinal 409.O sinal de R.F. convertido ascendentemente é passado atravésde um filtro passa alta 412, amplificado 413 e transmitido.O controlador de RST gerencia a configuração particular 403do módulo RST. Cada uma das funções de módulo é, depreferência, programável, o que fornece uma vantagem deflexibilidade aumentada. Um RST pode ser programado paratransmitir uma variedade de estruturas de sinal de variaçãodiferentes em várias freqüências de RF. Esta estruturalógica para o transmissor de sinal de variação tem muitasvariantes possíveis dependendo do projeto de implementaçãoparticular e das otimizações desejadas. A modalidadepreferida consiste no custo, precisão e flexibilidadeequilibrada de RST.

A Figura 4B mostra os blocos de função lógica paraum gerador sinal de variação de múltiplos canais 406. Nestamodalidade da presente invenção, o gerador tem dois canaisprogramáveis 432 e 436 que acionam um modulador dechaveamento de deslocamento de fase de quadratura digital(QPSK) que modula o sinal de I.F. gerado pelo sintetizadorde sinal digital 433. A saída do modulador é o sinal devariação de espalhamento espectral digital 438 centralizadona freqüência I.F. Cada canal (432 e 436) contém, depreferência, um relógio de chip digital 434 que éprogramável em freqüência e fase que acionam o gerador deseqüência PRN 435. O gerador de seqüência PRN pode serprogramado em uma variedade de seqüências de código decomprimento máximo diferente e desvios dentro da seqüência.O primeiro canal 432 é escolhido, de preferência, como ocanal não refinado e o segundo canal 4 36 como o canal deprecisão. Os canais 433, 434 e. 436 são ligados a umareferência de oscilador externo comum para assegurar acoerência de fase. O controlador 430 gerencia a configuraçãode gerador e fornece uma interface simplificada 431 paraconfigurar a função.

Processamento de Sinal de Variação

As Figuras 5A e 5B ilustram funções internas doSCT 103 descritas previamente e a modalidade preferida paraprocessar sinais de variação nas observáveis necessáriaspara determinar o estado físico. Nesta modalidade dapresente invenção, o SCT processa os sinais de variação deespalhamento espectral de seqüência direta, tais como ossinais de variação de RST 101 e os sinais de variaçãotransmitidos por satélites GNSS (por exemplo, transmissõesGPS C/A e P(Y) L1/L2) simultaneamente. O método mostrado noexemplo ilustrado utiliza as técnicas de compressãoespectral que permitem que os sinais de variaçãoadequadamente construídos sejam comprimidos em observáveis(por exemplo, amplitude, freqüência, fase e referência detempo) sem requerer os métodos de processamento de sinal decorrelação cruzada complexos que são comuns em sistemas decomunicação de espalhamento espectral. Com um único canal, ométodo de compressão espectral permite a compressãosimultânea de todos os sinais de variação comcaracterísticas comuns em um conjunto de observáveis. 0 SCTpode implementar, de preferência, múltiplos canais quepermitem a compressão de múltiplos tipos de sinais devariação na mesma banda ou em bandas diferentessimultaneamente. Através deste mecanismo, a função é capazde receber e processar tanto os sinais de variação RST comoGNSS simultaneamente sem perda de continuidade à medida queum SCT transita de um ambiente para outro.

Apesar de a compressão espectral ser a modalidadepreferida para emissões interceptadas por processamento, amodalidade alternativa da presente invenção pode usarmétodos similares de correlação cruzada, tal como GPS, paraproduzir observáveis de código-fase para radiofaróis esatélites GNSS. Usar o's tipos de sensores necessários paraproduzir tais observáveis de código-fase pode ser maiscomplicado e dispendioso para implementar; entretanto, emcertas aplicações, tal metodologia alternativa pode serdesejável se, por exemplo, necessita que o sensor seja capazde decodificar informação incorporada na transmissão desinal de variação.Na Figura 5A, os sinais de variação construídosadequadamente ou qualquer emissão de energia adequada sãointerceptados pelo compressor e tradutor espectral (SCT) emuma antena RF 504 que é conectada à extremidade anterior doSCT 501 que é composta de um amplificador de baixo ruído(LNA) 503 e um estágio de conversão RF descendente 502.Conforme necessário, extremidade(s) anterior(es) 501 podemser implementadas para suportar múltiplas bandas. Porexemplo, um SCT pode.ser configurado para suportar uma bandaRST/ISM centralizada em 915 MHz e a banda GPS Llcentralizada em 1575,42 MHz ou a banda L2 centralizada em1227, 6 MHz. A saída de extremidade(s) anterior 501 é umsinal analógico que é lançado em um estágio analógico paradigital (ADC) 505 que fornece uma saída de freqüênciaintermediária digital (I.F.). Conforme discutido em maioresdetalhes abaixo, prefere-se que a ADC tenha faixa dinâmicasuficiente para acomodar múltiplos radiofaróis de níveis desinal amplamente diferentes. O sinal I.F. digitalizado 506 épassado para um-ou mais processadores de canal SCT 507, queproduzem observáveis 513 para o processamento de estadofísico (por exemplo, navegação). Tanto a(s) extremidade(s)anteriores de RF 501 e SCT como o(s) processador (es) decanal 507 são controlados e sincronizados pelo controladorSCT 508. Este controlador SCT se comunica através demensagens de controle 509 para o controlador 501, e para osprocessador(es) de canal SCT 507 através de mensagens deconfiguração de canal 510. Múltiplos processadores de canalSCT podem ser usados para capturar completamente todas asobserváveis de posicionamento disponíveis fornecidas pelossinais de variação. Por exemplo, um SCT configurado paraoperar tanto na banda ISM como no GPS Ll pode operar cincoprocessadores de canal SCT designados para um dos seguintescanais de- variação: canal não refinado ISM RST, canal deprecisão ISM RST, canal GPS Ll C/A, canal GPS L1 P(Y) e GPScanal L2 P(Y). Cada um destes canais produz observáveis se osinal de variação designado estiver presente.

A Figura 5B descreve a funcionalidade preferida doprocessador de canal SCT 507. 0 processador de canal SCT écontrolado pela aquisição de dados de canal e função decontrole 524, que recebe informação de relógio 530. O sinalIF digital 506 é processado primeiro através de filtro anti-aliasing 521 para remover espúrios de sinais de banda. Asaída de sinal filtrado 521 é enviada através de um processode atraso e multiplicação 522. O atraso e multiplicação 522divide o sinal IF digital filtrado 506 em dois componentes,um que fica em fase e o outro atrasado por um intervaloequivalente à metade da taxa de chip de modulação deespalhamento espectral do radiofarol (por exemplo, 49 nsegpara o canal 10,23 MHz de precisão e 5 micro-segundos para ocanal não refinado 0,1 MHz). O sinal, atrasado é misturado(multiplicado) com o sinal de versão em fase 521, querecupera as freqüências de chip de todos os radiofaróis 101.Estes sinais recuperados são passados através de umfiltro/conversor descendente de banda base 523, onde osmesmos são temporariamente mantidos em uma memóriatemporária 525. Os dados de memória temporária sãoprocessados com uma transformada rápida de Fourier 526 e ospicos que correspondem aos sinais de radiofarolidentificados são identificados através de um detector depico 527. As observáveis de cada sinal de radiofarol 529consiste em uma amplitude, freqüência e fase, bem como tempode observação.

A compressão espectral de sinais GPS opera devidoao fato de que cada satélite radiodifunde um único códigoPRN, de modo. que o produto de correlação cruzada de cadaseqüência PRN seja essencialmente zero. Devido ao fato de aTerra estar girando e os satélites estarem em órbitas comperíodo de doze horas, existe um efeito Doppler ao longo dalinha de visão do receptor. A partir de um conhecimento nãorefinado de tempo e das órbitas GPS é possível prever que oefeito Doppler é associado a cada satélite individual. Aoperação sem código conforme ensinada, por exemplo, napatente U.S. número 4.797.677, permite a recuperação dafreqüência de cada um dos satélites por meio de uma operaçãode atraso e multiplicação no sinal de banda larga a partirde todos os satélites. Usando um processamento detransformada de Fourier (FFT), cada linha espectralresultante é, então, associada a um satélite específico.

A presente invenção fornece um método de detecçãode sinal disponível, comparado a uma pré-detecção de memóriatemporária de captura de sinal de banda larga e transferepara a detecção de correlação cruzada que é a abordagem VLBIou uma pré-detecção de processamento de correlação cruzadade sistemas de espalhamento espectral típicos. Aspropriedades digitais de seqüências PRN são aquelas que nãosão compatíveis com autocorrelação exceto quando os códigossão quase compatíveis (dentro de metade de um tempo dechip). Por exemplo, se a taxa de chip for 10,23 MHz, oscódigos são necessariamente alinhados dentro de 49nanossegundos para criar uma situação de interferência. Asmesmas seqüências PRN podem ser transmitidas por todos osradiofaróis fornecidos que não compartilham a mesmaseqüência PRN que começa a freqüência de época e chip.Provavelmente nenhuma destas condições será alcançada comcondições de partida arbitrárias e osciladores de referênciaque executam livremente a baixo custo.

Conseqüentemente, em uma abordagem de detecção deatraso e multiplicação, conforme ensinado pela presenteinvenção, cada um dos radiofaróis de espalhamento espectralé, de preferência, desespalhado em uma linha espectral nafreqüência de chip de radiofarol. Para evitar o colapso daslinhas espectrais de freqüência de chip na mesma freqüência(por exemplo, 10.23 MHz), cada radiofarol contém seu própriovalor de freqüência de deslocamento acima ou baixo do valorde 10,23 MHz nominal. A magnitude de deslocamento égovernada pela precisão da referência de freqüênciadisponível nos radiofaróis. Por exemplo, que usa umoscilador de referência com uma precisão de 2PPM, espera-seque a freqüência fique dentro de + /- 20 Hz a 10,23 MHz.Supondo que os canais radiofarol estejam em erro por umaquantidade similar, possivelmente com um sinal oposto,então, uma faixa de proteção adicional é requerida para cadaradiofarol. Por exemplo, um espaçamento de canal de 50 Hzpode ser considerado um separação adequada supondo que oscanais de radiofarol adjacentes podem se mover nos sentidosalgébricos opostos e, então, os radiofaróis podem serseparados somente por 10 Hz. O padrão de deslocamento defreqüência é ajustado pelo valor (50 Hz χ Ν), onde N éimpar.

Em uma modalidade alternativa da presente invençãopara alta precisão e robustez, um esquema de processamentode sinal de correlação cruzada tradicional pode ser usado emconjunto com os métodos de compressão espectral descritos nopresente documento. Nesta modalidade, a compressão espectralfornece o meio para derivar a informação de estado físiconecessária para permitir o rápido bloqueio de correlação doscanais de correlação sem procura. Dado o uso de seqüênciasde código muito longas e a re-utilização das mesmasseqüências deslocadas no tempo, o método de compressãoespectral descrito nesta invenção minimiza a necessidadeimplementar técnicas de pesquisa complicadas. Introduzindo-se uma capacidade de correlação cruzada, particularmente nocanal de precisão, a presente invenção leva vantagem narelação de sinal-ruído aprimorada e no acesso à faseportadora e dados de freqüência data, que em certasaplicações (por exemplo sistemas de aterrissagem deaeronaves de precisão) podem ter capacidades desejadas.

Entretanto, com a introdução de capacidades de rastreamentode correlação, os custos do sensor receptor sãosignificativamente aumentados e podem limitar seu uso quandocomparado com uma implementação que usa somente a compressãoespectral.

Processamento de Dados de Navegação

0 impedimento dos sistemas de tempo e freqüênciade alta precisão para alcançar a coerência de fase doselementos de recepção é atingindo com a presente invençãofazendo, de preferência, com que todos os SCTs observemtodos os radiofaróis durante o mesmo intervalo relativo.Nesta modalidade, a série de tempo FFT produz uma linhaespectral para cada sinal de radiofarol recebido.

Diferenciando-se as observáveis de um SCT dereferência conhecido, os deslocamentos de fase e freqüênciaespecíficos de todos os radiofaróis são cancelados por modo-comum neste único processamento de dados diferenciado emfavor de um único deslocamento de fase e taxa de fase(deslocamento de freqüência) do SCT relativo ao SCT dereferência. Em um exemplo, com quatro ou mais radiofaróisgeometricamente bem distribuídos ao redor dos SCTs dereferência e remotos, é possível determinar o estado físicorelativo ao estado físico de SCT de referência.

Em uma modalidade alternativa, os resultadosequivalentes àqueles obtidos nas abordagens descritas acimapodem ser atingidos formando-se informação de almanaque ecorreção no local de referência central por meio doprocessador de rede de referência ou através da avaliação deestado físico de cada radiofarol relativo à pelo menos umSCT de referência e, então, aplicando-se a informação dealmanaque e correção previamente computada durante aavaliação de estado físico dadas as observáveis de um SCT.Esta abordagem é preferida quando o tempo de aplicabilidadepara os dados de almanaque e correções for maior que adiferença entre o tempo de almanaque e a época na qual asobserváveis de um segundo SCT são coletadas. O tempo deaplicabilidade é uma função da estabilidade dos osciladoresRST e SCT de referência, configuração de sistema e odesempenho de sistema requerido. Com a abordagem dearquitetura distribuída, a avaliação de estado físico por umprocessador de navegação pode ocorrer dentro do SCT, umradiofarol de RST em e qualquer outra localizaçãoconveniente, tal como no processador de controle.

A Figura 6 ilustra uma modalidade do processadorde navegação, que processa as observáveis produzidas peloSCT e produz as avaliações de estado físico. O método destamodalidade inclui um circuito de retroalimentação decontrole em que as soluções de uma época alimentam apróxima. A informação de estado a priori 611 é usada parainicializar o vetor de estado SCT 601, que fornece a melhoravaliação dos parâmetros de estado físico, para o SCT. Ovetor de estado SCT 601 também é, de preferência,inicializado pelo modelo dinâmico SCT 602, que contéminformação sobre os parâmetros de estado de variação, taiscomo taxa de inclinação de tempo e freqüência e através doestado avaliado de saida 606 da época anterior, conformecalculada pelo filtro de Kalman estabilizado 605. O vetor deestado atualizado 601 é relatado como a avaliação de estadofísico 118 que, por sua vez, é usada para inicializar omodelo dinâmico SCT 602 e o modelo de observação RST 604. Omodelo de observação RST 604 cria os termos de transição deestado requeridos para o filtro de Kalman e também cria osresiduais 610 ou a diferença entre os valores observados ecalculados que são filtrados no filtro de Kalman 605. Omodelo de observação RST 604 controla se o dado é processadoem um sentido diferencial com as observáveis SCT 110 sendodiferenciadas com uma observável SCT de referência 111 ou seas observáveis SCT 110 estão corretas combinando-se asmesmas com os fatores de correção 112 determinador por umarede de referência. Se os dados GNSS estão disponíveisporque o SCT tem uma visão do céu desobstruída, oprocessamento prossegue em uma abordagem híbrida no filtrode Kalman 605 com os residuais 610 sendo calculados nomodelo de observação GNSS equivalente 603. Nestes exemplos,as observáveis SCT 110 contêm tanto dados RST como dados desatélite GNSS e as observáveis SCT são usadas no modelo deobservação GNSS 603.

Rede de ReferênciaA Figura 7 ilustra uma modalidade da redereferência que produz dados de correção e almanaque de pontode referência de atualização (por exemplo radiofaróis ousatélites GNSS) para uso através do sistema em avaliação deestado físico subseqüente para outros SCTs. As entradas parao processo de rede de referência são uma informação deconfiguração de sistema a priori 705, que é a melhor noçãodo estado do sistema. As observáveis SCT reais 113 e osdados de almanaque 112 são usados para propagar os elementosde estado físico. Estes são, de preferência, todos usadospara inicializar e um filtro de processamento de zona 700,que determina o estado físico que inclui a posição deradiofaróis e gera dados de almanaque e correção 114 paratoda a rede de radiofaróis dentro de uma dada zona. Conformerequerido, para otimizar a calibração e gerenciamentoeficiente do sistema, as zonas podem ser definidas, de modoque um grupo de diversos RSTs e SCTs de referência sejalocalizado nas proximidades uns dos outros. A configuração egerenciamento baseado em zona aumenta a flexibilidade deconfiguração e reduz o processamento superior em processamento de rede de referência. Dentro do filtro deprocessamento de zona 700, um único processador de navegação105 ou múltiplos processadores de navegação produzematualizações de avaliação de estado físico para todos osSCTs. Múltiplos processadores podem ser combinados em umsentido de filtragem aliado, em que múltiplos processadoresde navegação 105 processam ao mesmo tempo os conjuntos dedados que têm conjuntos de dados de interseção. Estasmúltiplas avaliações são combinadas através de um combinadorde filtro 702, que cria a avaliação composta. O própriocombinador de filtro 702 pode ser um filtro de Kalman ououtro filtro de avaliação ou pode ser baseado em um processode combinação estatístico. O processador de rede dereferência também pode ser responsável por calibrar a rede,determinando-se essencialmente o estado físico para todos ospontos de referência e relatando o mesmo no estadoatualizado 706. Os termos de correção de calibração são, depreferência, formatados e armazenados em um banco de dadosatravés do formatador de correções de almanaque 703 e sãodisponíveis para uso em qualquer lugar no sistema.

Em uma modalidade da presente invenção, acalibração. de zonas pode ser realizada alterando-se, demaneira seletiva, o modo de operação do radiofarol RST.

Primeiramente, o radiofarol RST transmite o sinal devariação; entretanto, de tempo em tempo, o mesmo podeterminar sua transmissão, de modo que este possa receber ossinais que usam o SCT de referência integrado. Quando operacomo um receptor, o radiofarol RST escutar outrosradiofaróis de transmissão na zona. Dentro de cada zona,múltiplos radiofaróis podem escutar periodicamente outrosradiofaróis dentro da constelação, a fim de gerarobserváveis adicionais que adicionam força às avaliaçõesproduzidas pelo filtro de rede de referência. 0 filtro derede de referência processa estes dados a fim de atualizar aconfiguração de estado de almanaque atual para cadaradiofarol. Diversos métodos para gerenciar o modo deoperação de radiofarol (transmitir ou receber) são possíveise devem equilibrar a precisão de calibração em todo odesempenho de sistema. Na modalidade preferida, radiofaróissuficientes podem ser dispostos, de modo que seja possívelcalibrar e operar simultaneamente o sistema sem afetar demaneira adversa o desempenho ou a precisão requerida. Umperíodo prolongado de calibração inicial pode ser requeridoquando dispor o sistema no primeiro tempo e adicionar novaszonas. Nestes casos, um padrão de calibração pode ser usadoonde múltiplos radiofaróis RST percorrem uma órbita a partirdos modos de transmissão para recepção, de modo quemúltiplas medições independentes possam ser feitas, para queerros sistemáticos sejam reduzidos. Uma vez calibrado, osistema é monitorado e continuamente calibrado usando umatécnica on-the-fly para atualizar os coeficientes de estadode oscilador e confirmar a colocação dos radiofaróis. 0monitoramento também fornece dados úteis para determinar asaúde e precisão total do sistema.

Métodos de Processamento Estado Físico

A Figura 8 ilustra dois métodos de determinação doestado físico para um SCT dada um conjunto a priori deinformações e observáveis de almanaque e correções de um SCTde referência. Na Figura 8Δ, as observáveis de um SCT dereferência 805 são usadas para calcular a correção em temporeal · 807 que, quando aplicada, corrige o estado físicoavaliado para ser o estado real, conforme definido peloalmanaque para o SCT de referência 805. O vetor de correçãoé usado para calcular uma correção de estado físico paracada RST 801, 802, 803, que é, então, usado para corrigir oprocesso de avaliação de estado físico para SCT-B 804. Umaforma alternativa mas equivalente que usa avaliaçãodiferencial é mostrada na Figura 8B. As observáveisproduzidas por SCT de referência 820 são diferenciadas comas observáveis produzidas pelo SCT-B 821, que é usado paracalcular o estado físico relativo 822. Adicionar o estadofísico relativo ao estado físico de referência para o SCT820 produz o estado físico para SCTB 821.

Para sistemas onde o erro não modelado éinsignificante, estes dois métodos são essencialmenteequivalentes; entretanto, o método diferencial na Figura 8Btenderá a ser mais preciso quando o erro não modelado forinsignificante devido à rejeição de modo comum decontribuições de erro para cada RST. O método autônomo daFigura 8A pode ser menos preciso, mas tem a vantagem de melhor escalabilidade, uma vez que as observáveis para o SCTde referência não precisam ser processadas por cadaavaliação de estado físico. De preferência, elas podem sercalculadas .uma vez e formatadas em correções que sãofacilmente aplicadas ao processamento subseqüente enquantoelas forem aplicadas dentro do tempo de aplicabilidade.

Configurações de DisposiçãoA Figura 9 mostra um exemplo ilustrativo doposicionamento tridimensional onde as unidades SCT se situamque intercepta as emissões de RSTs colocadas em umaconfiguração não-coplanar. Nesta modalidade, um SCT dereferência 904 intercepta as emissões de RSTs 901, 902 e905, que estão no mesmo plano horizontal. Adicionalmente, asemissões são interceptadas pelo SCT 904 a partir do RST 906,que é situado em um plano abaixo do SCT de referência 904.Adicionalmente, um segundo SCT 903 intercepta as emissõesdos quatro RSTs 901, 902, 905 e 906. O fato de osradiofaróis não estarem necessariamente no mesmo plano queos sensores SCT permite o posicionamento vertical ehorizontal das unidades SCT 903 e 904, resultando em umaposição tridimensional dada a geometria preferida.

A Figura 10 ilustra um cenário de disposiçãopossível da presente invenção que usa ambos os RSTslocalmente dispostos junto com os satélites GNSS parafornecer avaliação de estado físico em ambos os GNSSobstruído e desobstruído que compreendem três ambientes deoperação: um ambiente GNSS obstruído, um ambiente GNSS semi-obstruído e um ambiente GNSS desobstruído com cobertura demargem. A Figura 10 ilustra a transição contínua de umasolução de longa distância externa que usa GNSS em umsistema de área local total, onde os sinais de satélite GNSSsão totalmente obstruídos. Embora simplificada para umailustração 2-D para os propósitos da presente descrição,esta ilustração da implementação de uma modalidade dapresente invenção é igualmente aplicável em uma disposição3-D. 0 estado fisico contém dois parâmetros de estado deposição: disposição horizontal e disposição vertical.

0 SCT-A 1007 opera no ambiente obstruído quederiva as avaliações de estado físico que usam emissõesinterceptadas dos RSTs 1005, 1006 e 1008 da maneirapreviamente descrita no presente documento. 0 sinal desatélite GNSS 1002 são absorvidos e refletidos pelaestrutura 1013, de modo que o nível de sinal no SCT 1007 émuito fraco para fornecer observáveis úteis. Um receptor dereferência GNSS 1003 é disposto na estrutura 1013 para ospropósitos de coletar as correções de constelação eobservável que são armazenadas no banco de dados (nãomostrado) para o uso subseqüente através de processadores denavegação (não mostrados).

A próxima situação na Figura 10 é o ambiente GNSSsemi-obstruído onde o SCT 1009 recebe os sinais do GNSS edos RSTs. Neste exemplo, não muitos satélites são visíveis(somente dois) para derivar as avaliações de estado físicos;os sinais de variação de satélite 1001 são bloqueados apartir da vista da estrutura 1013. Usando a presenteinvenção, o SCT. 100.9 intercepta as emissões de RSTs 1006,1008 e 1010 para posicionamento e com a adição dos doissatélites GNSS visíveis. Isto aprimora de formasignificativa a exatidão e precisão da avaliação de estadofísico. A informação de constelação de satélite coletadapelo receptor de referência GNSS 1003 fornece a informaçãode órbita de satélite usada para avaliar o estado físico queusa observáveis GNSS. Conseqüentemente, esta modalidade dapresente invenção fornece vantagens associadas com o aumentode cobertura GNSS em ambientes semi-obstruidos.

O ambiente GNSS desobstruído na Figura 10 érepresentado por SCT 1011. Neste exemplo, o GNSS fornececobertura adequada (representada aqui por três satélites,embora satélites adicionais possam ser presentes) paraavaliar o estado físico. Somente um único RST 1010 évisível, o que não é suficiente para produzir avaliação deestado físico útil através do mesmo. O SCT 1011 coleta o-dado observável do GNSS e RST e utiliza uma rede sem fio(não mostrada) para processar as observáveis em umaavaliação de estado físico.

APLICAÇÕES ALTERNATIVAS DA PRESENTE INVENÇÃO

Nesta seção, as aplicações específicas do sistemasão apresentadas para ilustrar alguns dos muitos usosantecipados da tecnologia. Estas aplicações são todaspossíveis com a modalidade preferida da presente invenção;elas ilustram apenas as alternativas prontamente ensinadaspela presente invenção e não têm intenção de definir umconjunto exclusivo de possíveis aplicações.

Aplicação de Varredura por Código de Barra Integrada

Uma modalidade alternativa da presente invençãopermite a integração de uma unidade de comunicações de SCTcom um scanner de código de barras. Quando um código debarras associado a um objeto é varrido, o tempo e posiçãosão mantidos como um registro do último local e tempoconhecido que o objeto foi observado. Para logísticas deinventário e depósito, esta aplicação da presente invençãopermite o rastreamento interno 3-D de itens sem o gasto deetiquetar realmente o objeto com sua própria unidade decomunicações de SCT. As varreduras de código de barrasetiquetadas de posição oferecem uma abordagem alternativapara implementar um sistema de rastreamento e posicionamentode RFID completo, onde o tamanho e/ou custo do bem rastreadonão justifica o gasto adicional.

Aplicação de Leitor de Etiqueta·RFID Passiva

Uma modalidade alternativa da presente invençãopermite a integração de um SCT com um leitor de etiquetaRFID passiva. Quando o leitor de etiqueta RFID detecta umaetiqueta RFID passiva, a localização do leitor no tempodesta detecção é associada com o fluxo de dados RFID varridopara fornecer a localização aproximada da etiqueta RFID.

Adicionalmente, uma avaliação refinada adicional da posiçãode etiqueta RFID pode ser determinada combinando-se ainformação sobre a capacidade relativa dos dados de etiquetamedidos com a localização e atitude do leitor de etiqueta.

Aplicações Logísticas Internas/Externas

Uma modalidade alternativa da presente invençãofornece vantagens em logística no transporte intermodal,engenharia e construção. Tais aplicações beneficiam orastreamento e gerenciamento em tempo real de bens que semovem dentro e fora dos ambientes obstruídos. Por exemplo,uma solução Zigbee ou GNSS integrada, conforme ensinada napresente invenção, permite o amplo uso da tecnologia nalocalização e comunicação de bens através de uma árealocalizada em três dimensões.

A presente invenção também é exclusivamenteadequada para esta aplicação dada a sua capacidade inerentede autoconfiguração e calibração. Uma unidade decomunicações de SCT não maior que um telefone celular podeser usada para examinar rapidamente múltiplos pontos maisrápido do que é possível com a tecnologia de teodol.ito ouGNSS sozinha. Ademais, trabalhando de uma forma similar a umnível de laser, uma unidade de comunicações de SCT podedeterminar o alinhamento horizontal e vertical de qualquercomponente estrutural para o nível de sub-centímetrorelativo a qualquer ponto de referência desejado.

Para a logística local, um dispositivo com tamanhosimilar ao telefone celular (que também suporta potencialmentevoz) pode fornecer rastreamento em tempo real de pessoas ebens ao longo de todo o local de construção, que incluemlocais onde uma solução baseada em GNSS não é confiável outotalmente indisponível. Com a telemetria integrada, osistema torna-se uma ferramenta potente para coordenação e omonitoramento de atividades locais. Com suporte para rede demalha, locais virtualmente com qualquer formato e tamanhopodem ser facilmente cobertos e mapeados de maneira centralsem a despesa em andamento de uma solução sem fio de longadistância (por exemplo, uma solução GSM/GPS).Aplicações para Cuidados com a Saúde

As modalidades alternativas da presente invençãopodem ser prontamente aplicadas em instalações de cuidadocom a saúde. Por exemplo,uma unidade de comunicações de SCTintegrada com Zigbee ou WiFi pode fornecer monitoramento emtempo real de pacientes e bens. A equipe de serviços desupervisor e paciente precisa da capacidade de localizarmédicos, enfermeiras, pacientes e equipamento móvel dentrodas instalações hospitalares. Os pacientes com doença mentalsevera enfrentam um sério desafio se eles se moverem fora deuma cerca virtual geográfica e alarmes podem ser ativados emtais situações para restringir o deslocamento adicional dopaciente e fornecer a localização do paciente para o acessoda equipe. Os pacientes em maças também podem ser facilmentelocalizados de maneira criticamente importante se elespassarem um tempo significativo fora das áreas designadas,tal como, durante o gerenciamento de emergências ou emsituações quando os pacientes excedem a capacidade de leitode hospital. Ademais, com o suporte de sinais GNSS, aunidade de comunicações de SCT pode notificar aosgerenciadores quando os pacientes deixaram as fronteiras dainstalação de cuidados para a saúde sem autorização ouliberação. Isto é particularmente útil para rastrearpacientes com mal de Alzheimer.

Alternativamente, outra modalidade para aplicaçõesde cuidados para saúde pode servir para equipar os membrosde equipe selecionados com um leitor RFID portátil equipadocom um SCT, de modo que a localização aproximada deetiquetas passivas possa ser determinada através deamostragem ad-hoc. Nesta modalidade, os membros de equipepodem proceder através da atividade normal, onde o leitorSCT equipado pode regularmente checado com etiquetas RFIDpassivas e quaisquer respostas recebidas podem seretiquetadas com o tempo e localização atual, conformecalculado pela presente invenção.

Aplicações Comerciais de Localização

Com as capacidades combinadas para processarsimultaneamente os sinais GNSS e de área local RST, apresente invenção permite as aplicações comerciais delocalização de alta precisão, ambas em áreas obstruídas eonde o GNSS fornece, tipicamente, serviços (por exemplo,outdoors). Uma modalidade alternativa da presente invençãoserve para equipar os dispositivos de comunicação deconsumidor, tais como telefones celulares ou outrosdispositivos móveis com funções SCT, de modo · que alocalização possa ser determinada nas regiões geográficasgrandes, bem como, em áreas localizadas, tal como, um centrocomercial. O dispositivo de comunicação equipado com SCTpode ser usado para identificar a localização de umindivíduo que permite a distribuição de conteúdo específicode localização relevante para a localização precisa doindivíduo. Com custo mínimo, a presente invenção realizatanto o posicionamento de longa distância área como oposicionamento de área local simultaneamente, produzindoinformação de precisão e posicionamento, onde o GNSS sozinhoé incapaz de funcionar. As aplicações comerciais delocalização atuais diferentes que usam os serviços delocalização auxiliados por GNSS/rede, nesta modalidadealternativa da presente invenção permitem que o indivíduo aser localizado com precisão de nível de metro em ambientesinternos e externos. Ademais, a presente invenção podetransitar suavemente a partir do posicionamento de árealocal até o GNSS de longa distância sem perda de cobertura.Por exemplo, uma dada loja que dispôs um conjunto deunidades de radiofarol RST com o objetivo de posição, ainformação que se refere à seleção de bens e serviços naproximidade imediata pode ser distribuída para um indivíduocom um telefone celular equipado com SCT; esta informaçãopode incluir anúncios, informação de produto, cupons,estatísticas de compra e classificações. Ademais, nestamodalidade, a rede de comunicações já suportada nodispositivo pode ser usada para transportar o conteúdorelevante de localização.

Aplicações de Serviços de Emergência

Em uma situação, tal como, Nova Orleans pós-Katrina, onde nenhuma rede de comunicações regionalsobreviveu, a presente invenção com sua infra-estrutura decomunicações integrada pode fornecer uma rede de telemetriae rastreamento preciso de primeiros respondedores, veículos,suprimentos e outros bens móveis principais. Nestamodalidade, a unidade de comunicações de SCT é integrada comZigbee e Ρ25 VHF para formar uma localização de área local elonga distância robusta e solução de gerenciamento decomunicações. Esta modalidade permite o monitoramento emtempo real de trabalhadores de resgate, à medida que elesentram em edifícios durante a busca e resgate e parafornecer recuperação e monitoramento regional em ambientesexternos (via GNSS). Alarmes podem ser disparados no caso daausência de uma primeira falta de movimento do respondedor,que pode ser indicativa de uma situação de emergência.

Aplicações de Busca e Resgate Aéreo (SAR)

Uma modalidade alternativa da presente invençãopode ser utilizada para operações de busca e resgate. Em umexemplo, duas unidades de comunicação SCT podem serdispostas em um ambiente aéreo (em satélites-telescópios(free flyers) ou um satélite e um pacote rebocado) . Cadaunidade de comunicação SCT é configurada para processar ossinais GNSS simultaneamente com sinais de variação RST. Aunidade de radiofarol é disposta com uma vitima a serlocalizada. A unidade de radiofarol transmite um sinal devariação RST que pode ser recebido acima da cabeça. Emcertas situações/ a vitima pode estar dentro de um ambientede floresta, enterrado na neve ou em algum ambienteobstruído que impede o uso normal de sensores GNSS.

O segmento terrestre (GS) consiste em um par decontroladores UAV destas plataformas aéreas e um subsistemade comunicações bi-direcionais Zigbee que controla operaçõesaéreas e recupera as observáveis SCT a partir dos UAVs. 0segmento terrestre também tem um receptor GNSS convencionalque permite a aquisição de órbitas e tempo GNSS. Umprocessador terrestre recebe enlaces descendentes de Zigbee,determina a separação de vetor de linha de base de unidadesde comunicação SCT interdinâmicas, fase delta radiofarol ederiva hiperbolóides interseccionados que fornecem alocalização terrestre do radiofarol que é associada com avitima sob escombros (isto é, uma avalanche ou prédio desmoronado).

Estes UAVs podem ser aeronaves de modelo de tipomuito pequeno, que podem ser consideradas bens dispensáveis,dependendo das circunstâncias. Um mínimo de dois UAVs quesobrevoam a área de interesse são suficientes para seremcapazes de encontrar o radiofarol com precisão de diversosmetros após poucos minutos de vôo acima da região geral deinteresse. Quando o time SAR chega na região geral, conformeindicado pelo segmento aéreo, um receptor do tipo SCTportátil, conforme descrito na presente invenção, pode seroperado em um modo de detecção de energia total, que iráfornecer direção de precisão de nível de metro paraescavação e efetuar as operações de resgate.

Figura 11 ilustra uma modalidade alternativa naqual a presente invenção é utilizada para operações de buscae resgate. Nesta modalidade, um emissor de sinal RST 1104 écolocado em um bem ou pessoa a ser rastreada e localizada nocaso de a busca ou resgate ser requerida. O radiofarol RSTproduz sinais de variação 1101 que são interceptado porunidades SCT 1102 e 1103 situados em veículos aéreos nãotripulados ou outras plataformas de vôo. Utilizando astécnicas descritas previamente no presente documento, asmedições de faixa 1106 e 1107 são determinadas entre asplataformas de vôo 1102 e 1103 o bem a ser localizado 1104.

Os UAVs 1102 e 1103 também recebem simultaneamente dados deuma constelação de satélite GNSS 1101, que pode ser usadapara determinar uma localização autônoma no momento que elesinterceptam os sinais de variação RST 1101. Cada medição defaixa combinada com a localização do SCT de observaçãoproduz um arco hiperbólico da possível localização dõemissor. Por exemplo, se a localização do UAV 1102 éconhecida a partir do dado GNSS 1101 e a faixa 1106 édeterminada entre o UAV 1102 e o emissor 1104, é possíveldizer que o emissor está situado em um .arco hiperbólico daposição 1108. A observação simultânea de um segundo arco1109 pode ser usada para determinar a localização do emissor1104 que se situa em uma das duas possíveis interseçõesdestes arcos 1108 e 1109. Em operações de busca e resgate,um destes dois pontos de interseção pode ser geralmentedescartado do plano e o bem localizado.

Manutenção de Estação Marítima e Navegação nas Proximidadesde um Local

Uma modalidade alternativa da presente invençãoenvolve operações de reboque por barca e rebocador no mar edurante a abordagem em capturas. O radiofarol permite ossensores GNSS de fase estabilizada em rebocador, em entradade captura e em múltiplos pontos no(s) barco(s).

0 rebocador pode fornecer o sinal de referência deradiofarol (possivelmente na banda ISM de 2,4 GHz) paracaptura de fase nos sensores GNSS de barca. 0 rebocadortambém tem um receptor de banda ISM de 915 MHz para recebero sinal de referência primário a partir da captura, se amesma estava disponível. A captura também tem um receptorGNSS acionado pela fonte de referência de captura que éradiodifundida para o rebocador e outras embarcações,conforme requerido. 0 dado de sensor GNSS também é adquirido usando o mesmo oscilador de referência em terra firme. 0sinal de referência de captura a 915 MHz pode ser usado nacaptura de fase do sensor· GNSS de rebocador e, então, oradiofarol de referência de rebocador a 2,4 GHz, cuja fasecaptura os múltiplos sensores GNSS nas barcas. Se orebocador estiver fora da faixa do sinal de referência decaptura em terra firme de 915 MHz, a referência interna derebocador é a fonte para a matriz de captura de fase desensores GNSS nas barcas. Todos os dados de sensor GNSS, apartir da terra firme, das barcas e do rebocador, sãocoletados e processados no rebocador. Esta matriz coerentede fase é processada em tempo real com uma precisão melhorque 30 cm e no sistema de coordenada centrado e fixo naTerra do WGS 84. A bordo do rebocador, a informação depercepção de situação de posição e velocidade pode serdisponível no controle de ponte do rebocador. A arquiteturade baixo custo permite a formação de sistema acessível que éinatingível por outro meio.

Operações em órbita de Satélite Mãe com Satélite Filho

(Daughter) em ÓrbitaUma modalidade alternativa da presente invençãoenvolve o posicionamento relativo no espaço de um satélitefilho, que está co-orbitando com outro satélite principal emaltitudes onde os sinais GNSS não são disponíveis. Ospequenos radiofaróis são nano-alimentados no satélite mãe emlocalizações conhecidas de oportunidade. Estas localizaçõesde radiofarol conhecidas formam o quadro de referência parao posicionamento de sub-satélites. Todos estes radiofaróissão sincronizados por tempo e relativos à fase coerente paraa fonte de referência de tempo e freqüência interna desatélite mãe. O satélite filho se move ao redor dasproximidades do satélite mãe. As observáveis são as faixasde fase dos diversos sinais de radiofarol que . chegam nosatélite filho. As observáveis podem ser ligadas ao satélitemãe para processamento. Quatro ou mais observáveis sãorequeridas a fim de avaliar a posição 3-D do satélite filhoe sincronizar a fonte de referência de tempo interna defilho. Dependendo da separação de distância entre amãe/filho, o parâmetro GDOP será um problema significativoporque o filho tende a visualizar estes múltiplos radiofaróiscomo uma fonte de ponto em uma distância de aproximadamentevinte vezes a separação máxima entre os radiofaróis nosatélite mãe. Para uma separação de radiofarol de no máximocinco metros no satélite mãe, e com uma precisão de mediçãona faixa de poucos milímetros no satélite filho, a posição3-D do satélite filho relativo à mãe pode ser avaliado comuma precisão de aproximadamente 20 cm com uma separação de100 m entre estes satélites.

Sistema de Inspeção Terrestre 3D de Baixo Custo

Uma modalidade alternativa da presente invençãopode ser utilizada para sistemas de inspeção terrestre debaixo custo. Um radiofarol comum é usado para captura defase de todos os sensores GNSS, que ligam de maneira cruzadaseus dados SCT a um processador central. 0 processadorcentral tem órbitas de satélite e tempo GNSS. Os tipos dedados de pseudo-fase e portadora fornecem precisões emmilímetros ao longo de operações de escala em quilômetros.Os erros sistemáticos devido à contaminação de múltiplastrajetórias serão fontes de erro limitadas para este métodoe podem ser mitigados por antenas GNSS especiais. Em linhasde base curtas tipicamente envolvidas na construção de áreade local, os erros atmosféricos da troposfera e da ionosferaserão erros de autocancelamento de modo comum. Os projetosde sistema de inspeção que são possíveis podem reduzir custode múltiplos instrumentos em 70% a 90% com relação aosinstrumentos atualmente disponíveis.

Decolagem/Aterrissagem de Precisão para Aeronave Embarcada

com Asa GiratóriaUma modalidade alternativa da presente invençãopode ser utilizada para posicionamento durante a decolagem eaterrissagem de aeronave com asa giratória que opera emambientes embarcados. Os sistemas de rastreamento baseadosem GPS convencional contêm limitações significativas paratais aplicações devido à incapacidade de um receptor GPSconvencional decodificar o fluxo de dados de navegação de 50bps e devido ao potencial de interferência de outrossistemas de navegação e comunicação embarcados. A tecnologiada presente invenção mitiga estas preocupações colocando-seradiofaróis RST na super estrutura de barco e os receptoresSCT na aeronave. 0 sistema e método do não requer adecodificação de um fluxo de dados.para determinar a posiçãode radiofarol para operação e a freqüência de operação podeser ajustada para minimizar interferência com outrossistemas. Adicionalmente, a taxa de atualização rápida dapresente invenção lida com as dinâmicas relevantes tanto dobarco como da aeronave.

Abordagem de Precisão de Aeronave GNSS Aumentada

Uma modalidade alternativa da presente invençãopode ser utilizada para aumentar a abordagem de precisão deaeronave e operações de aterrissagem. Uma rede RST local écolocada ao redor da pista de pouso e decolagem. Os SCTsacessam os dados de radiofarol de recuperação de aeronave eutilizam estes dados para aumentar o posicionamento de GNSSou outro meio. Os dados podem ser processados em uma soluçãocombinado e não existe nenhuma interferência entre o sistemade radiofarol RST e os sistemas GNSS porque as freqüênciasRST são ajustáveis. Esta aplicação pode ser aplicada emfaixas de aterrissagem de aeronave baseadas em terra eaplicações embarcadas, tal como, disposição de aviãocombatente de um porta-aviões da Marinha. A alta taxa deatualização disponível com o radiofarol RST e receptor SCTlida com as dinâmicas extremas de tal aeronave.

Ainda em outra modalidade alternativa da presenteinvenção, proporciona-se uma rápida capacidade de disposiçãoe recuperação para aeronave sem segurança mediante os sinaisGNSS. A modalidade, pode funcionar sem segurança mediante ossinais GNSS estarem disponíveis para suportar as operaçõesaéreas. Um SCT de referência na pista de pouso e decolagemfornece os dados de calibração de radiofarol, que étransmitido para a aeronave. A aeronave recebe osradiofaróis baseados em terra e os dados de calibração delocal de referência e processa uma avaliação da posição evelocidade da aeronave relativa ao sistema baseado em terrade diversos radiofaróis que cercam a pista de pouso edecolagem. Nesta configuração, cada aeronave tem seu próprioprocessador de navegação e permanece em um modo silenciosode emissão.

A precisão de posicionamento horizontal de sistemaserá limitada pelas calibrações de posição de radiofarol ρRST em aproximadamente 10 cm. Devido ao fato destesradiofaróis RST tenderem a ser co-planares, a diluiçãohorizontal de precisão (HDOP) será boa na unidade próxima;entretanto, o DOP vertical para a aeronave ficará no domíniode um fator de 10 a 20. Devido ao sistema ter alta precisãode alguns centímetros, a avaliação de precisão vertical deaeronave será em um metro ao longo de um domínio amplo dealtitudes à medida que a aeronave se aproxima da pista depouso e decolagem. A colocação de um ou mais radiofaróis RSTfora do plano com o resto dos radiofaróis irá aprimorar aprecisão em avaliações verticais. Como um backup, quando aaeronave entra em uma altitude de aproximadamente 5 metros,um RST acústico pode ser ativado com um modo acústico SCTque pode fornecer exatidão altimétrica de alguns cm e combaixa probabilidade de detecção que irá permitir que aaeronave sinalize para aterrissagem.

A aeronave também pode transportar três receptoresde radiofarol para fornecer uma capacidade de determinaçãode atitude. Estas antenas receptoras de atitude podem serlocalizadas na parte inferior da aeronave, provavelmente emcada ponta da asa na extremidade posterior da fuselagem. 0processador de aeronave pode computar a chegada diferencialde fase de cada radiofarol e ser capaz de determinar aatitude de aeronave com uma exatidão de alguns grausdependendo da geometria de aeronave específica relativa aosradiofaróis terrestres.

Sistema de Rastreamento e Monitoramento Terrestre de Aeroporto

Uma modalidade alternativa da presente invençãopode ser utilizada para sistemas de rastreamento emonitoramento terrestre de aeroporto. Nesta aplicação, apresente invenção irá funcionar dentro de edifícios, taiscomo hangares e em áreas obstruídas onde a navegação GNSSsozinha não será confiável. Quando uma aeronave que estavaem um ambiente fechado por um período de tempo significativosai do hangar, uma quantidade de tempo substancial pode serrequerida para os receptores GNSS começarem o posicionamento.Esta aplicação fornece dados de posição e tempo para estesreceptores e aumenta, deste modo, a detecção de incursão depista de pouso e decolagem e alerta de evitação de colisão.Ademais, esta aplicação permite o monitoramento centralizadoe o desenvolvimento de banco de dados seguro de bensrastreados.

Autenticação de Localização de Área Local

Ainda em outra modalidade alternativa da presenteinvenção, os sinais transmitidos pelo RST podem ser usadospara autenticar a localização de um SCT através doprocessamento dos dados observados capturados pelo SCT juntocom as observáveis de referência SCT para determinar se oSCT está na localização conhecida a priori do SCT. Asobserváveis coletadas pelo SCT a serem autenticadas contêminformações úteis exclusivas para a localização (aassinatura de localização) que pode ser autenticadaobservando-se o estado atual da matriz RST através do SCT dereferência e dos erros observados na assinatura delocalização. 0 fato de que uma pluralidade de RSTs não ésincronizada e fase incoerente em seu chip PRN relativos unsaos outros requer a calibração contínua da matriz RST, porémocasiona um atributo de segurança pelo fato de que umadversário não pode prever bem o bastante as diversas fasesde código ou taxas de chip para atingir precisões sub-metro.O SCT de referência, que presume-se ser protegido, irácaptar e relatar o que está realmente acontecendo com amatriz de RST. Isto é um atributo muito útil porque estascaracterísticas imprevisíveis tornam a presente invenção omeio para implementar a autenticação de localização emambientes GNSS obstruídos. Adicionalmente, com a capacidadede a presente invenção processar os sinais GNSS, a mesmatambém pode fornecer os dados de assinatura de localizaçãoderivados por GNSS.

CONSIDERAÇÕES DE PROJETO

A análise de níveis de energia de transmissão,consumo de bateria, identificação e diferenciação de sinaisde radiofarol e outras características foram realizados paravariações da modalidade preferida. Estas são detalhadas nasseguintes seções, que são unicamente fornecidas parademonstrar a presente implementação de diversas modalidadesalternativas da presente invenção.

Considerações de Projeto de Radiofarol RST/Receptor SCT

O auto-ruído de receptor de canal não refinado queassume um amplificador de ruído baixo de figura de 3 dBserá: potência de ruído KTB = (1,38 x 10"23 W/Hz-K)(300Kelvin) (2 x 10^6Hz) = 8,2 x 10"15= -140 dBW = -110 dBm.

Considerar uma potência de radiofarol de 0,1micro-Watt (1 x 10"7 W) em uma distância de 3 km.Fluxo de radiofarol em distância D, Prec = Pxmtr /(4 pi D2 ) , Prec = (1 x IO-7 W)/ 4 pi (3000) 2 = 9 χ 10-16 W =-150 dBW = -120 dBm.

Potência de sinal de radiofarol = -120 dBm. Pós-LNA SNR = -120 - (-110) = -10 dB

0 processador de atraso e multiplicação (D&M)eleva ao quadrado de sinal e ruido, de modo que SNR D&M =-20 dB.

Supondo-se que um radiofarol com uma freqüência dechip de 1,023 MHz e um processador SCT FFT com uma série detempo de 1 segundo tem uma largura de bin de 1,0 Hz e umGanho de Processo eficaz, Gp = 2 MHz / 1 Hz = 63 dB.

Potência SNR de sistema total = 63 dB - 20 dB = 43dB ou amplitude SNR 22 dBV = 140:1.

A avaliação de ruido de fase FFT é reciproca àvoltagem SNR, então, o ruido e fase =Ix IO-3 radianos =0,4grau = 1 miliciclo.

O radiofarol com taxa de chip PRN de 1, 023 MHz,comprimento de onda de 293 m. A precisão de 1 miliciclo iráfornecer uma precisão de variação de fase de canal nãorefinada de 30 cm.

Considerar agora o auto-ruido receptor de canal deprecisão supondo que um amplificador de ruido baixo defigura de ruido 3 dB terá: KTB potência de ruido = (1,38 χ25 10-23 W/Hz-K) (300 Kelvin) (20 χ IO6 Hz) = 82 χ 10-15 = -130 dBW= -100 dBm.Considerar uma potência de radiofarol de 0,1micro-Watt (1 χ 10-7 W) em uma distância de 3 km.

Fluxo de radiofarol em distância D, Prec = Pxmtr /(4 pi D2) , Prec = (1 x 10-7 W) / 4 pi (3000)2 =

9 χ 10-16 W = -150 dBW = -120 dBm.

Potência de sinal de radiofarol = -120 dBm. Pós-LNA SNR = -120 - (-100) = -20 dB.

O processador de atraso múltiplo (D&M) eleva aoquadrado o sinal & ruido, de modo que SNR D&M = -40 dB.

Supondo um radiofarol com uma freqüência de chipde 10,23 MHz e um processador SCT FFT com uma série de tempode 1 segundo tem largura de bin de 1,0 Hz e um Ganho deProcesso eficaz, Gp = 20 MHz / 1 Hz = 73 dB.

Potência SNR de sistema total = 73 dB - 40 dB = 33dB ou 16,5 dBV amplitude SNR =50:1.

A avaliação de ruido de fase FFT é reciproca àvoltagem SNR, então, o ruido de fase = 2 χ 10-2 radianos =1,2 graus =3,2 miliciclos.

Radiofarol com uma taxa de chip PRN de 10,23 MHz,comprimento de onda de 29,3 m. A precisão de 3,2 miliciclosirá fornecer uma precisão de variação de fase canal deprecisão de 9 cm.

Requerimentos de Energia de Bateria

Os requerimentos de energia de radiofarol serãodominados pelo circuito digital e não pela energia muitobaixa do radiofarol de 0,1 micro-Watt transmitida. Oradiofarol irá requerer aproximadamente 40 mW assumindo umalógica de 1,8 V. Considerar uma bateria de lítio-manganês de3,3 V com capacidade de hora de 1500 mA com a voltagem em1,5 V em 50 horas ou cerca de dois dias. A fonte de energiatambém pode ser baterias com uma recarga solar em umasituação de ambiente externo ou alimentada a partir deenergia de construção convencional com uma reserva debateria para fornecer operações continuas. Identificação de Radiofarol

A identificação de radiofarol ocorrerá através deseu deslocamento de freqüência a partir da taxa de chip decanal não refinado de 1,023 MHz nominal com múltiplosdeslocamentos de espaçamento de 5 Hz entre os radiofaróis.Deste modo, para cem radiofaróis, o processador precisa terum intervalo de busca total de + /- 250 Hz centralizado em1,023 MHz. Uma vez que a taxa de chip de radiofarolparticular foi identificada, o processador pode se referir àbase de dados de registro para determinar para qual pessoaou bem a etiqueta identificada foi designada.

Similar ao canal de Precisão, a identificação deradiofarol ocorrerá através de seu deslocamento defreqüência a partir da taxa de chip de canal de precisão de10,23 MHz nominal com múltiplos deslocamentos de espaçamentode 50 Hz entre radiofaróis. Deste modo, para cemradiofaróis, o processador precisa ter um intervalo de buscatotal de +/- 2500 Hz centralizado em 10,23 MHz. Uma vez quea taxa de chip de radiofarol particular foi identificada, oprocessador pode se referir à base de dados de registro paradeterminar qual localização, pessoa ou bem o radiofarolidentificado foi designado.

Implementação de Banda ISM

Em uma modalidade alternativa, uma implementaçãoRF com cada radiofarol transmitindo múltiplos canaiscoerentes de fase de sinais de espalhamento espectral deseqüência direta é descrita. Por exemplo, para atingir oposicionamento dentro de um ambiente confinado onde odispositivo receptor é uma localização a priori conhecidadentro de 500 metros, existe um canal com uma taxa de chipde 1,023 kHz (comprimento de onda de 3 km). Com um sensor delocalização que implementa uma operação de atraso emultiplicação de compressão espectral e uma relação desinal-ruido de amplitude resultante de 20 para um, o ruidode fase será 0,05 radianos ou 2,8 graus ou 7,9 miliciclos ou24 metros.

Com um segundo canal com uma SNR de 20 e uma taxade chip de 1, 023 MHz, a precisão de faixa de fase é de 2,4metros. Com um terceiro canal com uma SNR de 20 e uma taxade chip de 10,23 MHz, a precisão de faixa de fase é de 24cm. Com um quarto canal com uma SNR de 20 e uma taxa de chipde 102,3 MHz, a precisão de faixa de fase é de 2 cm.

A SNR avaliada em 20 é muito modesta e uma SNReficaz em 100 pode ser mais razoável. Neste caso de sinalmais alto, o canal de taxa de chip de 10.23 MHz podeproduzir uma precisão de 5 cm. Através das regulamentaçõesU.S., as bandas ISM são:5725-5875 MHz (150 MHz freqüência central 5800 MHz)2400-2500 MHz (100 MHz freqüência central 2450 MHz)902-928 MHz na Região 2 (26 MHz freqüência central915 MHz'

As localizações de radiofarol podem ser expressasno sistema de coordenada WSG 84 para manterem um quadro dereferência coerente com o GNSS. Deste modo, as avaliações deestado físico resultantes podem expressar as posições noquadro GNSS com se elas tivessem linhas claras de visão dossatélites GNSS.

Aplicação no Posicionamento em uma Área Ampla

Em uma modalidade alternativa, aplicação é umareferência a uma área definida de 100 m por 100 m (10.000metros quadrados, 110.000 pés quadrados). A distância máximahorizontal que um sensor de localização pode ficar distantede um radiofarol é de aproximadamente 141 metros. Considerarum projeto para um sistema compressão espectral com umaprecisão de medição de fase interceptada de 3 cm. Com umataxa de chip máxima de 10,23 MHz, existe um comprimento deonda de 29,3 m. Uma precisão de 3 cm requer 0,1 % de umaprecisão de medição de fase de ciclo (0,36 graus) ou 6,3miliradianos. Uma precisão de fase de 6 miliradianos requeramplitude SNR FFT de 160 ou potência de sinal de 44 dB.

Considerações de Telecomunicações para a presente invenção

Em uma modalidade alternativa, diversos casos deteste podem ser descritos.

Caso de teste: Inspetor Terrestre GNSS Sem Código ISTAC 2002O auto-ruído receptor assume que um amplificadorde ruído baixo de figura de ruído de 1,5 dB terá: potênciade ruído KTB = (1,38 χ IO"23 W/Hz-K) (120 Kelvin) (2 χ IO6Hz)= 3,3 χ IO"15= -145 dBW = -115 dBm.

potência de sinal de canal GPS C/A = -130 dBm.Pós-LNA SNR = -130 - (-115) = -15 dB.

O processador de atraso e multiplicação eleva aoquadrado de sinal & ruído, de modo que SNR D&M = -30 dB.

O processador FFT com uma série de tempo de 40segundos tem largura de bin de 0, 025 Hz, Ganho de Processoeficaz, Gp = 2 MHz / 0,025 Hz = 79 dB.

SNR de sistema total = 79 - 30 = 49 dB ou 25 dBVamplitude SNR = 316:1 em bom entendimento com o desempenhode canal C/A atual do produto de Inspeção Terrestre ISTAC2002.

Degradação Perto-Distante (Near-Far) em um Ambiente de

Depósito

Em uma modalidade alternativa, uma degradaçãoperto-distante em um ambiente de depósito pode ser descrita.20 Na mais perto, o radiofarol 1 nano-W deve ficar

dentro de 10 m do receptor remoto.

Fluxo de radiofarol em distância D, Prec = Pxmtr /(4 pi D2), Prec = (1 χ IO-9 W)/ 4 pi (IO)2 = 8 χ IO"13 W = -121dBW = -91 dBm.

25 Um radiofarol a 141 m irá apresentar -114 dBm

enquanto um radiofarol 10 m distante irá apresentar -91 dBm.Deste modo, o problema perto-distante é o valor absoluto de-91 dBm menos -114 dBm = 23 dB. Com 12 bits de conversoranalógico digita, o receptor terá 72 dB de faixa dinâmica epermitirá 4 9 dB de margem para acomodar outros sinais embanda com potência relativamente maior que pode desviar oruido de fundo.

Simplicidade de Receptor

Uma vantagem de usar uma abordagem de espalhamentoespectral para radiofaróis é irradiar a menor quantidade deenergia, reduzindo os requerimentos de energia DC pararadiofaróis que podem ser baterias alimentadas por operaçõesem longos períodos de tempo. A utilização de espalhamentoespectral produz um alto nível de imunidade para fortaleceros sinais em banda que apresentaram, de outro modo,interferência substancial em uma modalidade de sinalizaçãoconvencional.

Arquitetura e Método de Sistema Generalizado

As discussões anteriores das diversas modalidadesdeste sistema métodos relacionados para a avaliação deestado físico em ambientes configurados mostram a amplaaplicabilidade para uma grande variedade de aplicações. Osistema e método descrito e ensinado acima pode ser resumidona seguinte descrição de uma arquitetura generalizada, quereduz o sistema à sua forma canônica essencialmentecompreendida por emissores, interceptores que implementam acompressão espectral e um avaliador de estado físico e cobrea maioria se não todas as possíveis arquiteturas deimplementação. A forma também ensina que através do projetoe construção apropriada, a modalidade preferida da presenteinvenção pode ser facilmente adaptada para suportar um amploespectro de aplicações, configurações e ambientes.

A Figura 12 ilustra a forma canônica da modalidadepreferida da presente invenção que detalha as relaçõesessenciais entre os elementos básicos de sistemas. Pelomenos um ou mais emissores 1201 são conhecidos no sistema,que emitem a energia que se propaga através de um meio detransmissão 1206. Estas emissões são interceptadas por pelomenos um interceptor 1202 e processadas por pelo menos umdos métodos de compressão espectral através do compressorespectral 1205. As observáveis resultantes 1207 de pelomenos um interceptor são comunicadas através de alguns meiosde comunicação para um avaliador de estado fisico 1203. osdados de configuração 1208 e as observáveis 1207 sãoprocessados pelo avaliador de estado fisico para determinarum ou mais membros da avaliação de estado fisico relativa1209 entre pelo menos um emissor 1201 e interceptor 1202. Asobserváveis 1207 de múltiplos emissores podem ser usadaspara avaliações simultâneas de múltiplos membros do estadofisico relativo que podem incluir posição no eixo geométricoX, Y e/ou Z, orientação em torno de algum eixo geométrico,orientação de relógio e, potencialmente, quaisquer derivadosde tempo.

Determinar uma avaliação de estado fisico absoluta1209 requer a designação de pelo menos um emissor ouinterceptor como um ponto de referência que tem algumaspecto do seu estado físico conhecido antes da avaliação doestado físico relativo. A determinação do estado físicoabsoluto 1209 é a adição de estado físico relativo aosestados físicos a priori definidos pelos pontos de referência.

Um ou mais pontos de referências definidos dentrodos dados de configuração 1208 podem ser coletivamentetratados para formar um quadro de referência local parainformações de posicionamento e sincronização. Depreferência, todas as avaliações de estado físico 1209 sãorelatadas dentro deste quadro de referência. Ademais, ospontos de referência podem ser associados 1210 e 1211 comuma referência fiducial de sistema de coordenada 1204 dentrodos dados de configuração 1208. Através destas associações,as avaliações determinadas no quadro de referência internopodem ser traduzidas para um quadro de referência externo.

Por exemplo, em aplicações externas, umapluralidade de radiofaróis (por exemplo, emissores 1201) é calibrada primeiro, de modo que a combinação de dados deconfiguração e dados de calibração de sistema permita que osradiofaróis sejam estabelecidos como pontos de referênciapara avaliação de estado físico de um sensor de localização(por exemplo, um interceptor 1202). A localização destespontos de referência são, então, determinadas no quadro dereferência WGS-84 externo. Isto pode ser realizado de'inúmeras maneiras através de inspeção ou através da mediçãodireta com os sensores de localização que suportam arecepção de emissões de sinal de variação GNSS. Com estasdeterminações de referências fiduciais externas uma matrizde transformação pode ser especificada que traduz a partirdo quadro de referência interno para o quadro WGS-84externo. Na modalidade preferida, três pontos de referêncianão-colineares associados aos pontos fiduciais externos sãousados para estabelecer uma transformação. Uma vez que istoé realizado, a avaliação resultante do estado físico para umsensor de localização pode ser relatada no quadro dereferência externa. O. relatório de época de tempo nosquadros de tempo interno e externo, tal como, coordenada detempo universal (UTC) pode ser realizado da mesma maneira,usando o tempo em pontos de referência com relação ao quadrode tempo externo.

Alguns emissores podem ser· conhecidos para osistema, mas não controlados pelo sistema e consideradosexternos. Os satélites GPS, quasares, satélites decomunicações, estações de televisão e radiofaróis autônomossão· todos exemplos de pontos de referência cuja existênciapode ser conhecida e monitorada, mas não gerenciada pelosistema.

Da mesma maneira que define a forma canônica daarquitetura de sistema, a forma canônica relacionada édefinida para o método de determinação de estado físico emambientes configurados. A Figura 13A mostra o métodogeneralizado de determinação de estado físico em ambientesconfigurados que usam a compressão espectral. Começando por1301, pelo menos um emissor emite potência de banda larga1305 em um meio de propagação. Estas emissões sãointerceptadas e processadas em 1302 por pelo menos uminterceptor, que produz observáveis 1306. O processamento1302 aplica pelo menos um método de compressão espectral. Asobserváveis 1306 de pelo menos um interceptor sãoprocessadas em 1303 para determinar o estado físico relativoavaliado 1307 entre pelo menos um emissor e o interceptor.Estes estados físicos relativos avaliados são relatados em1304 resultando em um relatório de estado físico 1308 que éexternamente consumido. O. estado físico relatado também podeser usado para atualizar 1310 os dados de configuração desistema data 1309, fornecendo um meio para calibrar eajustar a operação de sistema em resposta às alterações noestado de diversos interceptores e emissores. Conformeespecificado pelo dado de configuração, o estado físico 1308pode ser relatado como relativo a um ponto de referência, noquadro de referência internamente definido ou em um quadrode referência externo, conforme determinado por uma matrizde transformação externamente fornecida.

A partir deste método, todas as variações podemser derivadas e, deste modo, servem para explicaradicionalmente os processos essenciais no trabalho em todasas modalidades da presente invenção. Um benefício importantedeste método generalizado é que o processamento é definidosem relação com a implementação. As restrições delocalização física e comunicação entre elementos deprocessamento 1302, 1303 e 1304 são puramente uma função daarquitetura lógica do sistema a qual o método é incorporado.As disposições físicas diferentes do processamento podemfornecer certas otimizações, conforme requeridas. Os blocosde processamento 1302, 1303 e 1304 são muitas vezesfisicamente dispostos para minimizar a largura de banda decomunicação e reduzir os requerimentos de energia no sensorde localização, conforme previamente discutido no presentedocumento.

A Figura 13B ilustra em mais detalhes o elementode interceptação e processo 1302 da Figura 13A. As emissõesde energia de banda larga 1305 são interceptadas em 1311resultando nas emissões de banda larga interceptadas 1314que são operadas por alguma operação não linear 1312, queproduz dados banda estreita 1315 que contêm ascaracterísticas físicas de alteração necessárias pararealizar a avaliação de estado físico. Ademais, oprocessamento é realizado em 1313, que extrai estascaracterísticas físicas de alteração úteis. Isto resulta nasobserváveis 1306 para o interceptor em pelo menos uma época.As observáveis podem conter pelo menos uma ou maiscaracterísticas físicas de alteração entre o interceptor epelo menos um emissor. Para compressão espectral, as mesmassão mais freqüentemente representadas como freqüência,amplitude e fase para cada emissão de banda largainterceptada e para cada exemplo de um método não linearaplicado. Cada implementação de operação não linear distintaforma um canal no qual múltiplas interceptações de banda delarga podem ser observadas em 1306. As operações não lineares específicas nas emissões de banda largainterceptadas 1314 em 1312 para o interceptor podem incluirmas não se limitam a: quadratura, onde 1314 é multiplicadopor ele mesmo; atraso e multiplicação, onde 1314 émultiplicado por uma versão de atraso do mesmo e a quantidadede atraso é determinada por uma das características físicasconhecidas ou suspeitas da emissão de energia de banda larga(por exemplo, a taxa de chip da função de espalhamento CDMAPRN de modulação); a síntese de largura de banda, onde 1314é amostrado em duas bandas diferentes de uma largura debanda especifica e deslocamento de freqüência, de modo quequando multiplicadas juntas elas produzam um único dado debanda estreita resultante, onde o deslocamento de freqüência,largura de banda são uma função das características físicasda emissão de energia de banda larga; a diferenciação, onde1314 é diferenciado com o mesmo produzindo o primeiroderivado aproximado; e decimação, onde a taxa de amostra1314 é reduzida resultando em uma saída de banda estreitaoutput que é uma fração da emissão de energia de bandalarga. Para diferenciação, os derivados adicionais podem serproduzidos através da diferenciação adicional do derivadoanterior de 1314. Para decimação, a saída decimal podeutilizar graduação gráfica ou conversão descendente efiltragem passa baixo para limitar os dados de bandaestreita para a banda de interesse que contém ascaracterísticas físicas desejadas.A Figura 13C mostra uma modalidade do elemento deprocessamento de dados de banda estreita 1313 na Figura 13B.

O dado de banda estreita 1315 é operado por uma transformadarápida de Fourier (FFT) que resulta na transformada deespaço de freqüência de 1315 (amplitude, freqüência e fase).

Estes dados são, então, processados por um detector de picoque extrai, de preferência, a amplitude, freqüência e fasepara valores de pico que atendem certos requerimentos,conforme especificados pelos dados de configuração 1309.

Tipicamente, os picos que são selecionados atendem certosvalores limítrofes (por exemplo, relação de sinal-ruído deamplitude 5) e faixa de freqüência (por exemplo, deve ficarentre -10 e 50. Hz.) . Os picos selecionados para cada canalsão agrupados para formar observáveis 1306, que contêm osvalores de freqüência, amplitude e fase para pelo menos uma época.

A Figura 13D mostra uma modalidade alternativa doelemento de processamento de dados de banda estreita 1313 naFigura 13B. O dado de banda estreita 1315 é processado porpelo menos uma ou mais malhas de rastreamento de fase 1322,que são configuradas para rastrear os sinais quecorrespondem às freqüências' esperadas contidas no dado debanda estreita. Cada malha de rastreamento 1322 produzfreqüência, fase e uma avaliação de relação sinal-ruído,formando juntas um conjunto de observáveis 1306 para pelomenos uma época. Diversos tipos de malhas de rastreamento defase podem ser implementados dependendo dos requerimentos daaplicação particular. Freqüentemente, a malha derastreamento será implementada com algum tipo de capacidadede auxilio de taxa que permite uma largura de banda pós-detecção muito estreita que pode aumentar o tempo deintegração que resulta na melhor relação sinal-ruido eprecisão de medição.

A Figura 13E mostra ainda outra modalidadealternativa do elemento de processamento de dados de bandaestreita 1313 na Figura 13B. Os dados de banda estreita 1315d pelo menos dois interceptores são selecionados em 1331formando o dado de banda estreita 1335 do primeirointerceptor e o dado banda estreita 1336 do segundointerceptor. 0 dado de banda estreita 1336 é atrasado notempo com relação ao 1335 por uma quantidade especificadaatravés do dado de configuração e/ou uma quantidadedeterminada dos estados fisicos dos emissores, o primeirointerceptor e o segundo interceptor. 0 dado de bandaestreita resultante é, então, correlacionado produzindo odado de correlação 1337, que indica os valores de correlaçãomáximos e mínimos como uma função de tempo. Estes dados são,então, processados por 1334 detectando os picos decorrelação máximos, que resultam na extração decaracterísticas físicas de alteração entre o primeiro e osegundo interceptor. 0 1334 pode ser implementado deinúmeras maneiras, porém os métodos mais comuns empregammalhas de captura de atraso ou FFT/ detecção de pico decorrelação similar aquele na Figura 13C. As observáveisproduzidas em 1334 são, tipicamente, freqüência, fase erelação sinal-ruido.

Embora a modalidade preferida da invenção tenhasido ilustrada e descrita, conforme notado acima, muitasalterações podem ser feitas sem sair do espirito e escopo dainvenção. Conseqüentemente, o escopo da· invenção não élimitado pela descrição modalidade preferida. Em vez disso,a invenção deve ser determinada totalmente com referência àsreivindicações a seguir.

Claims (35)

1. Sistema para fornecer informação de estadofísico dentro de um ambiente configurado, CARACTERIZADO pelofato de que:pelo menos um emissor que energia em um meio detransmissão;pelo menos um interceptor que recebe energiapropagada através de um meio de transmissão a partir de pelomenos um emissor, sendo que o interceptor é configurado paraprocessar as emissões recebidas usando a compressãoespectral para produzir um conjunto de observáveis adequadopara avaliação de estado físico; ecomunicar o conjunto de observáveis com umavaliador de estado físico;um avaliador de estado físico configurado paradeterminar pelo menos um membro do estado físicorelativo entre o interceptor e o emissor baseado no conjuntode observáveis recebido a partir de pelo menos uminterceptor; erelatar pelo menos um membro do estado físicorelativo baseado no conjunto de observáveis recebido apartir de pelo menos um interceptor.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de transmissão écompreendido de pelo menos um entre espaço livre, gás eplasma fraco.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de transmissão' écompreendido de material sólido.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de transmissão écompreendido de um liquido.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o interceptor é configuradopara receber simultaneamente tanto as emissões de energiaestruturadas como as não estruturadas.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiacompreende um sinal estruturado com características geraispredeterminadas que podem ser representadas sem configuraçãode sistema.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiaestruturada compreende um sinal de posicionamento e denavegação.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiaestruturada compreende um sinal em um Sistema Global deNavegação por Satélite.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 6,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiaestruturada compreende um sinal de comunicações.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiacompreende um sinal não estruturado com característicasgerais que não são predeterminadas.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiacompreende energia eletromagnética.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11,CARACTERIZADO pelo fato de que a energia eletromagnéticaestá na freqüência de rádio ou nas bandas ópticas.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 10,CARACTERIZADO pelo fato de que a emissão de energiacompreende energia acústica.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o emissor é dispostoexplicitamente para propósito de avaliação de estado físicono ambiente configurado.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a compressão espectralcompreende a extração de pelo menos uma característicafísica conhecida da emissão de energia a partir do emissor.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15,CARACTERIZADO pelo fato de que a extração de pelo menos umacaracterística física conhecida da emissão de energia apartir do emissor ocorre sem relação ao conteúdo deinformação modulado da emissão de energia.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de observáveisproduzido usando a compressão espectral inclui pelo menosuma das características físicas na forma de amplitude, fasee derivados temporais da energia interceptada, conforme sepropaga através de um meio de transmissão sem relação com apreservação de conteúdo de informação modulado nas emissõesde energia.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o avaliador de estado físicoé configurado parafazer referência aos dados de configuraçãoarmazenados; eusar os dados de configuração armazenadosreferenciados na determinação de pelo menos um membro doestado físico relativo entre o interceptor e o emissorbaseado no conjunto de observáveis recebidas a partir dointerceptor

19. Método para fornecer informação de estadofísico dentro de um ambiente configurado, CARACTERIZADO pelofato de que:emite energia de pelo menos um emissor através deum meio de propagação;intercepta a emissão de energia em pelo menos uminterceptor;processa a emissão de energia recebida usando acompressão espectral para produzir um conjunto deobserváveis associado à emissão;recebe os dados de configuração pertinentes àdisposição e à configuração de pelo menos entre emissor einterceptor no ambiente configurado;determina pelo menos um membro do estado físicorelativo entre o interceptor e o emissor baseado no conjuntode observáveis e nos dados de configuração; erelata pelo menos um membro do estado físicorelativo.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de observáveisassociado à emissão é adequado para a avaliação de estadofísico.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de observáveisassociado à emissão é usado para determinar pelo menos umadas características físicas da emissão através do meio depropagação.

22. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o processamento da emissão deenergia recebida, usando a compressão espectral paraproduzir um conjunto de observáveis associado à emissão, éexecutado pela elevação ao quadrado da emissão de energiaque recupera a segunda amplitude, freqüência e faseharmônica da portadora suprimida.

23. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o processamento da emissão deenergia recebida usando a compressão espectral para produzirum conjunto de observáveis associado à emissão é executadopela recuperação do atraso e da multiplicação dascaracterísticas que compreendem freqüência, amplitude e fasede pelo menos uma modulação periódica definida sobre umintervalo de tempo na emissão de energia.

24. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o processamento da emissão deenergia recebida usando a compressão espectral para produzirum conjunto de observáveis associado à emissão é executadopela síntese de largura de banda, onde pelo menos duasmodulações na emissão de energia são multiplicadas para -recuperar a freqüência, a amplitude e a fase da freqüênciadas portadoras diferenciais ou sub-portadoras moduladas.

25. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o processamento da emissão deenergia recebida usando a compressão espectral para produzirum conjunto de observáveis associado à emissão usa adiferenciação para recuperar a freqüência, a amplitude e afase de quaisquer modulações periódicas sobre um intervalode tempo definido.

26. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que:a emissão de energia a partir de um emissor éinterceptada pelos primeiro e segundo interceptores; eo processamento da emissão de energia recebidausando a compressão espectral para produzir um conjunto deobserváveis associado ã emissão é executado pela correlaçãocruzada das emissões interceptadas pelos primeiro e segundointerceptores para produzir uma resposta interferométricaque compreende amplitude, fase e derivados temporais entreos dois interceptores.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26,CARACTERIZADO pelo fato de que:a correlação cruzada é executada em pelo menosdois canais de freqüência distintos da emissão de energia; eo processamento procede pela diferenciação de duasrespostas interferométricas para render uma nova amplitude,e derivados temporais entre os dois canais de modo que ointervalo de ambigüidade da fase seja determinado pelaseparação da freqüência inter-canal.

28. Método, de acordo com a reivindicação 27,CARACTERIZADO pelo fato de que a correlação cruzada éexecutada pelo deslocamento no tempo da emissão de energiainterceptada pelo primeiro interceptor com relação à emissãode energia interceptada pelo segundo interceptor como umafunção da diferença no estado físico entre o primeirointerceptor e o segundo interceptor.

29. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de observáveisproduzido usando a compressão espectral inclui pelo menosuma das características físicas na forma de amplitude, fasee derivados temporais da energia recebida conforme sepropaga através de um meio de transmissão sem relação àpreservação de conteúdo de informação modulado nas emissõesde energia.

30. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que a determinação do estadofísico relativo do emissor usando o conjunto de observáveise os dados de configuração compreende:a avaliação do estado físico de pelo menos umentre emissor e interceptor em relação a um ponto dereferência designado; ea calíbração do estado físico do ponto dereferência relativo ao ambiente configurado usando os dadosde configuração.

31. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:a avaliação do estado físico de pelo menos umentre emissor e interceptor em relação a um ponto dereferência designado; ea atualização dos dados de configuraçãopertinentes à disposição e à configuração de pelo menos umentre emissor e interceptor no ambiente configurado.

32. Método, de acordo com a reivindicação 19,CARACTERIZADO pelo fato de que o ambiente configuradocompreende:pelo menos um entre emissor ou interceptor édesignado como um ponto de referência sendo que pelo menosum membro do estado físico do ponto de referência épredeterminado; epelo menos um entre emissor ou interceptor édesignado por um sensor de estado físico sendo que o estado físico do sensor de estado físico é determinado em relaçãoao estado físico do ponto de referência.

33. Método, de acordo com a reivindicação 32,CARACTERIZADO pelo fato de que:o sensor de estado físico é designado como um segundo ponto de referência; epelo menos um entre emissor ou interceptor édesignado por um segundo sensor de estado físico sendo que o.estado físico do segundo sensor de estado físico édeterminado em relação ao estado físico do segundo ponto de referência.

34. Método, de acordo com a reivindicação 32,CARACTERIZADO pelo fato de que o estado físico do ponto dereferência é calibrado em relação a uma referência externade modo que o estado físico do sensor de estado físico pode ser avaliado em relação a um quadro de referência externo.

35. Método, de acordo com a reivindicação 32,CARACTERIZADO pelo fato de que uma pluralidade de pontos dereferência é designada a uma zona de modo que o estadofísico relativo a todos os pontos de referência na zona é calibrado com relação um ao outro.