ES2335199T3 - Metodo y aparato para procesar señales para aplicaciones de determinacion de la separacion. - Google Patents
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Abstract
Método para procesar por lo menos una señal enviada por un transmisor, usándose dicha señal para medir la separación, es decir, la distancia entre dicho transmisor y un receptor, comprendiendo dicha señal una señal portadora modulada por un código de ruido seudoaleatorio (PRN), comprendiendo dicho método las etapas siguientes: - mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN, - multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con por lo menos cuatro réplicas (P-M,..., P+N) del código PRN, estando desplazadas dichas réplicas en el tiempo una con respecto a otra, - calcular los valores de correlación (I-M,..., I+N) de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN, - calcular, a partir de dichos valores de correlación (I-M,..., I+N), una estimación del error por multitrayecto, caracterizado porque dicho cálculo se basa en una fórmula predefinida, que iguala dicho error por multitrayecto a una función predefinida de dichos valores de correlación (I-M, ..., I+N), siendo dicha fórmula predefinida una combinación lineal de dichos valores de correlación (I-M, ..., I+N), estando normalizado cada uno de dichos valores por el valor de correlación (I0) de dicha réplica puntual (P0), siendo dicha combinación lineal de la siguiente forma: **(Ver fórmula)** en la que MP representa el error por multitrayecto, d representa el espaciamiento de anticipación-retraso, I0 representa el valor de correlación de dicha réplica puntual, I-M, ..., I+N representan los valores de correlación, αi representan uno o más valores predefinidos, siendo dichos valores αi constantes y siendo calculados solamente una vez durante el diseño del receptor, y obteniéndose dicho o dichos valores predefinidos αi mediante una optimización de manera que la estimación resultante del multitrayecto se ajusta del mejor modo al error real por multitrayecto en términos de mínimos cuadrados para una gama amplia de relaciones de potencia de señal/multitrayecto.
Description
Método y aparato para procesar señales para
aplicaciones de determinación de la separación.
La presente invención se refiere a un método y
un aparato para recibir y procesar señales, esencialmente señales
del tipo de espectro ensanchado, tales como las que se usan en el
Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
En la actualidad, se están usando ampliamente
sistemas de posicionamiento basados en satélites. Los más conocidos
son el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) desarrollado por el
gobierno de los Estados Unidos o el Sistema de Navegación Global
por Satélite (GLONASS) desarrollado por el gobierno ruso. La
principal finalidad de estos sistemas es proporcionar posición,
velocidad y tiempo a cualquier usuario en o cerca de la superficie
de la tierra. El usuario determina su posición en el espacio y el
tiempo midiendo su separación (range) con respecto a por lo
menos 4 satélites cuya posición y tiempo se determinan de forma
precisa, definiéndose la separación como la distancia entre el
usuario y un satélite.
Los satélites GPS transmiten señales sobre dos
frecuencias portadoras denominadas L1 a 1.575,42 MHz y L2 a 1.227,6
MHz. Las portadoras son moduladas por códigos de ensanchamiento
seudoaleatorios (PRN) que son exclusivos de cada satélite, y por un
mensaje de navegación. Todos los satélites transmiten en las mismas
frecuencias. La distinción entre los satélites es posible debido a
que todos los códigos PRN se seleccionan de manera que sean
ortogonales.
La portadora L1 es modulada por el denominado
código de aproximación/adquisición ("código C/A") y el código
de precisión ("código P"). El código C/A tiene una velocidad de
transmisión de segmentos de 1,023 MHz y una longitud de 1 ms, y por
lo tanto contiene 1.023 segmentos (el término "segmento" se usa
para los símbolos de código). Se repiten los mismos 1.023 chips
cada milisegundo. El código P tiene una velocidad de transmisión de
segmentos de 10,23 MHz y una longitud de 1 semana. De este modo, se
repite el mismo patrón cada semana. La portadora L2 es modulada
únicamente por el código P. El ancho de banda de la señal en L1 y L2
se limita en el satélite al lóbulo principal del espectro del código
P, es decir, 20,46 MHz.
Además de la modulación del código PRN, cada una
de las portadoras es modulada también por un mensaje de navegación
de 50 Hz, que transporta todos los parámetros necesarios para
calcular la posición y el tiempo del satélite.
El seguimiento de la señal implica la
sincronización de réplicas locales de la portadora y códigos PRN del
satélite del que se va a realizar el seguimiento con la portadora y
códigos PRN entrantes de ese satélite. Esto significa que el
receptor debe tener la capacidad de generar los códigos PRN de todos
los satélites. El seguimiento de la señal se logra modificando
continuamente la fase y frecuencia de la réplica de la portadora y
retardando o adelantando la réplica del código con el fin de
mantenerlas enganchadas a la señal entrante. El seguimiento de la
portadora se logra en un bucle de enganche de fase (PLL), mientras
que el seguimiento del código se realiza mediante un bucle de
enganche de retardo (DLL). Por definición, cuando se logra la
sincronización, la fase de la réplica de la portadora es igual a la
fase de la portadora entrante, y el retardo que se tuvo que aplicar
a la réplica del código es igual que el del código entrante.
La medición de la separación por parte de un
receptor GPS se basa en la medición de ese retardo, que es una
medida directa del tiempo de desplazamiento de la señal desde el
satélite al receptor. Multiplicando el retardo por la velocidad de
la luz, el receptor calcula su separación del satélite.
Varias fuentes de errores influyen en la
precisión de la medición de la separación al satélite. Uno de los
más incómodos es el error por multitrayecto. El multitrayecto es un
tipo especial de interferencia en el que la señal recibida está
compuesta por la señal deseada de línea de visión directa, y uno o
más componentes que han recorrido trayectos ligeramente diferentes
debido a reflexiones sobre superficies u objetos en las cercanías
de la antena. Las señales multitrayecto llegan al receptor con un
retardo, fase y potencia diferentes a los de la señal de línea de
visión directa.
El error de determinación de la separación
(ranging) debido al multitrayecto depende del retardo, la
fase y la potencia de la señal multitrayecto con respecto a la señal
de línea de visión directa, y del tipo de procesado de la señal que
use el receptor. Se han ideado varias técnicas de procesado digital
para reducir el efecto del multitrayecto sobre las mediciones de
determinación de la separación.
No obstante, un inconveniente común de los
métodos disponibles de mitigación del multitrayecto es que los
mismos no pueden reducir un multitrayecto que presente un retardo
corto. Incluso para las técnicas más recientes de mitigación del
error por multitrayecto, un multitrayecto que llegue al receptor con
un retardo menor que aproximadamente 20 m influye en la medición de
la separación como si no se usara en absoluto ninguna técnica de
mitigación. Esta es una limitación importante de las técnicas
actuales ya que, en situaciones de la vida real, la mayoría de las
señales multitrayecto son del tipo de retardo corto.
\newpage
El documento
US-A-5.390.207 se refiere a un
receptor para señales codificadas con ruido seudoaleatorio. El
funcionamiento del dispositivo se basa en estrechar el espaciamiento
de anticipación-retraso
(early-late), a una fracción del tiempo de
un segmento de código PRN, con el fin de mitigar errores por
multitrayecto. El uso de correladores de
anticipación-retraso es una técnica conocida para
engancharse a un código PRN entrante, y el espaciamiento de
anticipación-retraso, es decir, el espaciamiento de
tiempo entre versiones anticipadas y retrasadas del código PRN
local es un parámetro importante cuando se trata de mitigar errores
por multitrayecto. La definición exacta de este término se
proporciona en el párrafo siguiente.
El documento
US-A-5.734.674 se refiere también a
un receptor para señales codificadas por PRN; el receptor descrito
en este documento tiene la capacidad de ajustar dinámicamente el
espaciamiento de anticipación-retraso entre señales
de correlación.
El documento
US-A-5.809.064 se refiere a mejoras
en el mismo tipo de receptor que el descrito en el documento
US-A-5.734.674, y se basa también en
el ajuste dinámico del espaciamiento de
anticipación-retraso.
Todas las técnicas relacionadas con el ajuste y
la reducción esencial del espaciamiento de
anticipación-retraso están vinculadas con una
modificación del discriminador de DLL. Un nombre genérico para estas
técnicas es el "espaciamiento estrecho", en oposición a
técnicas en las que no tiene lugar ninguna mitigación del error por
multitrayecto (técnicas de "espaciamiento amplio"). Se ha
observado que los planteamientos de "espaciamiento estrecho"
de la técnica anterior reducen el error máximo de la separación con
un factor 10 en comparación con los planteamientos de
"espaciamiento amplio". No obstante, sigue quedando un error
importante por multitrayecto para una amplia gama de retardos
multitrayectos.
El documento
US-A-5.414.729 se refiere a un
receptor para señales codificadas por PRN, en el que una pluralidad
de señales de correlación se alimenta a un estimador de parámetros,
a partir del cual se pueden estimar los parámetros de retardo,
amplitud y fase de la señal de trayecto directo, así como cualquier
señal multitrayecto. No obstante, esta estimación tiene lugar
resolviendo un sistema de ecuaciones, por ejemplo, a través de un
cálculo de mínimos cuadrados, que requiere capacidades complejas y
caras de hardware y software.
El documento
US-A-5.953.367 se refiere a un
receptor para señales codificadas por PRN, que comprende una
pluralidad de correladores de DLL dispuestos en cada uno de los
múltiples canales de procesado del receptor. Estos correladores se
combinan de tal manera que se construye un discriminador de DLL que
no se ve afectado por la mayoría de los errores de multitrayecto.
Esto mejora el seguimiento en presencia del multitrayecto, aunque
requiere una modificación significativa de la arquitectura DLL, en
comparación con DLLs de espaciamiento amplio y de espaciamiento
estrecho.
El documento
US-A-5.901.183 se refiere a un
receptor para señales codificadas por PRN, en el que los bucles
tanto del código DLL como de la portadora PLL del receptor incluyen
un componente de bucle que detecta un error en su bucle principal
provocado por la presencia de una señal multitrayecto. Un bucle
correlador compuesto está formado por un correlador principal y un
correlador secundario que detecta y corrige un error de seguimiento
del correlador principal, inducido por un multitrayecto.
Los tres últimos documentos representan la
técnica anterior más próxima, por cuanto describen métodos que
permiten una eliminación total de errores por multitrayecto para una
amplia gama de retardos multitrayecto. No obstante, con retardos
multitrayecto menores que 20 m, que, en la práctica, son los más
comunes, ni siquiera estas técnicas no consiguen tener ninguna
influencia sobre errores de multitrayecto.
En la figura 1 se proporciona una visión general
de las capacidades y limitaciones de métodos de la técnica
anterior. La gráfica muestra la envolvente del error de separación
para tres técnicas diferentes de procesado de la señal. Cada
envolvente representa el error máximo y mínimo de separación en
función del retardo de la señal multitrayecto, para una relación
determinada de potencia de la señal con respecto al multitrayecto;
en este caso, esta relación es igual a 4. La curva 100 se refiere a
técnicas de "espaciamiento amplio", es decir, técnicas en las
que no se utiliza ninguna mitigación multitrayecto. La curva 101 es
válida para las técnicas de "espaciamiento estrecho" a las que
se ha hecho referencia anteriormente, mientras que la curva 102 se
corresponde con las técnicas descritas más arriba como
representativas de la técnica anterior más próxima. Es evidente que
ningún planteamiento de la técnica anterior es capaz de reducir
errores por multitrayecto en los retardos multitrayecto más bajos
(entre 0 y 20 m).
La patente US nº 5.781.152 se refiere a un
método en el que se usan cuatro réplicas de código seudoaleatorio,
a saber, un primer conjunto de códigos de anticipación y retraso,
con un primer espaciamiento 2d de
anticipación-retraso, y un segundo conjunto con un
segundo espaciamiento 2kd de anticipación-retraso.
El error por multitrayecto se estima a partir de una extrapolación
basándose en valores de correlación medidos con estos dos conjuntos
de códigos.
La patente US nº 5.966.403 se refiere a un
método y un aparato para minimizar la señal de distorsión
multitrayecto residual presente en una señal recibida, usando una
función de ponderación no uniforme para dicha
estimación/minimización.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar un método y un dispositivo para recibir y procesar
señales del tipo de espectro ensanchado, que permitan una reducción
de errores por multitrayecto en el intervalo más bajo de retardos
multitrayecto, comparándose dicha reducción con la técnica anterior
más próxima.
Otro objetivo de la presente invención es
proponer un método y un dispositivo que sean técnicamente simples y
económicos en comparación con métodos y dispositivos existentes.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se refiere a un método y
un receptor según las reivindicaciones adjuntas.
La presente invención se refiere a un método
para procesar por lo menos una señal enviada por un transmisor,
usándose preferentemente dicha señal para medir la separación, es
decir, la distancia entre dicho transmisor y un receptor,
comprendiendo dicha señal una señal portadora modulada por un código
de ruido seudoaleatorio (PRN), comprendiendo dicho método las etapas
siguientes:
- -
- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,
- -
- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con por lo menos cuatro réplicas del código PRN, estando desplazadas dichas réplicas en el tiempo una con respecto a otra,
- -
- calcular los valores de correlación de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,
- -
- calcular, a partir de dichos valores de correlación, una estimación del error por multitrayecto, basándose dicho cálculo en una fórmula predefinida, que iguala dicho error por multitrayecto a una función predefinida de dichos valores de correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}).
\vskip1.000000\baselineskip
En particular, el método incluye el cálculo real
de la distancia entre dicho transmisor y receptor, y por lo tanto
comprende las etapas siguientes:
- -
- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,
- -
- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con tres réplicas, espaciadas equitativamente, de dicho código PRN, a saber una réplica anticipada, puntual y retrasada, con un espaciamiento determinado de anticipación-retraso,
- -
- multiplicar dicha señal de banda base con por lo menos una réplica adicional de dicho código PRN, estando desplazada en el tiempo dicha réplica adicional con respecto a dichas réplicas anticipada, retrasada y puntual,
- -
- calcular los valores de correlación de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,
- -
- enganchar el código puntual a la señal de banda base manteniendo iguales entre sí los dos valores de correlación entre dicha señal de banda base y dichas réplicas anticipada y retrasada,
- -
- calcular la separación multiplicando el retardo del código puntual por la velocidad de la luz,
- -
- calcular, a partir de dichos valores de correlación, una estimación del error por multitrayecto, basándose dicho cálculo en una fórmula predefinida,
- -
- filtrar dicha estimación del error por multitrayecto y se resta de dicha separación calculada dicha estimación del error por multitrayecto, produciéndose un valor de separación corregido.
\vskip1.000000\baselineskip
Según la invención, dicha fórmula predefinida es
una combinación lineal de dichos valores de correlación, estando
normalizado cada uno de dichos valores por el valor de correlación
de dicha réplica puntual.
\newpage
Según la invención, dicha combinación lineal es
de la forma siguiente:
en la que MP representa el error
por multitrayecto, d representa el espaciamiento de
anticipación-retraso, I_{0} representa el valor de
correlación de dicha réplica puntual, I_{-M}, ..., I_{+N}
representa los valores de correlación, \alpha_{i} representan
uno o más valores
predefinidos.
\vskip1.000000\baselineskip
Se prefiere también que cada una de dichas por
lo menos cuatro réplicas esté desplazada el mismo retardo de tiempo
con respecto a la réplica siguiente y/o previa.
Según la forma de realización preferida de la
invención, se usan cuatro réplicas, el espaciamiento de
anticipación-retraso es 1/15 de la longitud de un
segmento, la cuarta réplica (P_{+2}) es 1/15 de la longitud de un
segmento posterior a dicha réplica puntual (P_{0}), y dicha
estimación del error por multitrayecto (MP) se calcula como:
La presente invención se refiere también a un
receptor para aplicaciones de determinación de la separación según
el método de la invención, comprendiendo dicho receptor una
pluralidad de canales para detectar y engancharse a una pluralidad
de señales codificadas por PRN, comprendiendo cada canal:
- -
- una línea de retardo, que comprende por lo menos cuatro tomas,
- -
- una pluralidad de mezcladores y acumuladores para calcular dichos por lo menos cuatro valores de correlación,
- -
- un módulo estimador de multitrayecto para calcular dicha estimación del error por multitrayecto,
- -
- un filtro paso bajo.
\vskip1.000000\baselineskip
Según una primera forma de realización del
receptor de la invención, dicho módulo estimador de multitrayecto
comprende medios de software para calcular la estimación del error
por multitrayecto basándose en una fórmula predefinida.
De acuerdo con una segunda forma de realización,
dicho módulo estimador de multitrayecto comprende medios de hardware
para calcular la estimación del error por multitrayecto basándose en
una fórmula predefinida.
La figura 1 ilustra las envolventes del error de
determinación de la separación para técnicas anteriores de procesado
de la señal.
La figura 2 ilustra el procesado de la señal en
un receptor para una aplicación de determinación de la separación
según la técnica anterior.
Las figuras 3a y 3b ilustran el efecto de
errores por multitrayecto sobre el punto de seguimiento en
dispositivos de la técnica anterior.
La figura 4 ilustra el concepto general del
método y el dispositivo de la invención.
Las figuras 5a y 5b ilustran el fundamento del
módulo estimador de multitrayecto.
La figura 6 representa una forma de realización
preferida de la invención.
La figura 7 compara la invención con la técnica
anterior en términos de envolvente del error de determinación de la
separación.
En la figura 2, se representa una implementación
típica de la técnica de procesado de la señal según la técnica
anterior para aplicaciones de determinación de la separación
(ranging). La señal entrante 1 se mezcla en primer lugar con
una réplica local de la portadora, producida por el generador 2 de
portadoras, con el fin de llevar la señal a banda base. La
frecuencia y fase de la portadora local son controladas por un PLL
(no mostrado). La señal de banda base representa esencialmente el
código PRN, modulado por la señal de navegación de 50 Hz.
El bucle de enganche de retardo se representa
mediante el grupo de elementos 4. Como es sabido en la técnica, en
primer lugar se realiza una etapa de adquisición para adquirir una
coincidencia "aproximada" entre la señal entrante y una
versión local del código PRN. Después de eso, es necesario enganchar
el código local en la señal entrante. La presente invención se
refiere a esta etapa de enganche.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 2, el
código PRN local se genera en el generador 3 de códigos a una
velocidad que es controlada continuamente por el discriminador de
DLL y el filtro 10. El código entra en una línea 5 de retardo en la
que se generan tres réplicas diferentes del código: P_{0} es la
réplica de código puntual, que debe mantenerse alineada con el
código entrante. P_{-1} es la réplica anticipada, que está
adelantada en una fracción de un segmento con respecto a P_{0}, y
P_{+1} es la réplica retrasada, retardada en una fracción de un
segmento con respecto a P_{0}. El retardo entre dos tomas
adyacentes cualesquiera en la línea de retardo es el inverso de la
frecuencia del reloj 6 de la línea de retardo, y al mismo se le hace
referencia tradicionalmente como "d/2" en unidades de segmentos
de código.
Para el código C/A del GPS, la duración del
segmento de código es próxima a 1 \mus, y la longitud del segmento
próxima a 293 m. El retardo entre las tomas anticipada y retrasada
es un parámetro importante del diseño, al que se hace referencia
como espaciamiento de anticipación-retraso, y se
indica como "d". Muchos receptores usan un denominado
"espaciamiento amplio" de d=1 segmento de código. Se dice que
el espaciamiento es estrecho si d es menor que un segmento.
Volviendo a la figura 2, los multiplicadores 7
seguidos por los acumuladores 8 calculan la correlación entre las
señales de banda base en la salida del mezclador 9 de portadoras y
cada una de las versiones de código locales. Las tres correlaciones
resultantes I_{0}, I_{-1} e I_{+1} se representan en la figura
3a en función de la desalineación de retardo \Delta\tau entre
el código entrante y el código puntual local (P_{0}). La figura
3a se corresponde con el caso en el que no hay presentes señales
multitrayecto. Cuando \Delta\tau es positivo, el código puntual
local está retrasado con respecto al código entrante, y la
correlación anticipada (I_{-1}) es mayor que la correlación
retrasada (I_{+1}). Se produce lo contrario cuando \Delta\tau
es negativo. Tal como puede esperarse, la correlación entre el
código puntual y el entrante (I_{0}) alcanza su pico cuando los
mismos están alineados, es decir, cuando \Delta\tau=0.
La función del DLL 4 es mantener el código
puntual P_{0} alineado con el código entrante. Se pone de
manifiesto, a partir de la figura 3a, que esto se logra si las dos
correlaciones laterales I_{-1} e I_{+1} son iguales. Por lo
tanto, el DLL se diseña de tal manera que adapte la frecuencia del
código local de modo que se verifique la igualdad
I_{-1}=I_{+1}. Mientras el DLL consiga realizar esto, el código
puntual P_{0} se engancha a la señal entrante.
Esta implementación proporciona el punto de
seguimiento correcto en ausencia de multitrayecto. No obstante,
cuando hay presente multitrayecto, ya no se aplican las
correlaciones representadas en la figura 3a. Los valores de
correlación de I_{0}, I_{-1} e I_{+1} son la suma de la
correlación del código local con la señal entrante de línea de
visión directa y de la correlación del código local con la señal
multitrayecto entrante. El resultado es que el perfil de la
correlación se distorsiona. La figura 3b ilustra la distorsión de
las funciones de correlación en el caso de presencia de una señal
multitrayecto que tenga un retardo de 60 m, y un cuarto de la
potencia de la señal directa, y que esté en fase con la señal
entrante.
Puede observarse que el punto de seguimiento,
definido por la igualdad I_{+1} = I_{-1}, ya no está posicionado
en \Delta\tau=0. Esto significa que el DLL ya no puede alinear
correctamente el código puntual y el código entrante. Existe un
error de seguimiento, que, en la figura 3b, es aproximadamente 0,1
segmento, ó 30 metros. Este error de seguimiento se traduce
directamente en un error de separación equivalente.
El espaciamiento de
anticipación-retraso tiene una gran influencia sobre
la sensibilidad del DLL para señales multitrayecto. Por ejemplo, la
envolvente indicada "espaciamiento estrecho" (curva 101) en la
figura 1 se corresponde con un espaciamiento de d=0,1 segmento. La
amplitud de las partes horizontales de la envolvente de error 101 en
la figura 1 es proporcional a d.
Los planteamientos del estado de la técnica para
reducir los errores de separación provocados por el multitrayecto
se basan en una modificación del DLL de manera que la desviación del
punto de seguimiento con respecto a la condición de
\Delta\tau=0 se mantiene lo más pequeña posible en presencia de
multitrayecto. Tal como se ha descrito anteriormente, muchos
planteamientos de la técnica anterior se basan en una reducción y/o
un ajuste dinámico del espaciamiento de
anticipación-retraso d, con el fin de mitigar
errores por multitrayecto. Otros utilizan técnicas de cálculo
elaboradas.
La presente invención usa un enfoque diferente,
basado en un hecho conocido, a saber, que la medición de la
amplitud de la señal (o, de forma equivalente, la medición de la
relación portadora/ruido) comunicada por un receptor está en una
correlación elevada con el error de separación provocado por el
multitrayecto. Esto se da a conocer en el documento "Multipath
Mitigation, Benefits from Using the Signal to Noise Ratio", J.M.
Sleewaegen, Proceeding of the ION GPS-97 Meeting,
Págs. 531 a 540, 1997. Una de las propiedades clave de la medición
de la amplitud de la señal es que es la más sensible a retardos
cortos por multitrayecto. La presente invención hace uso de esta
propiedad para obtener un estimador de errores multitrayecto que
funciona incluso para retardos multitrayecto cortos.
En la invención, para el seguimiento se usa un
DLL de espaciamiento estrecho convencional, es decir, un DLL con un
espaciamiento bajo de anticipación-retraso, por
ejemplo, d=1/15 de la longitud de un segmento. De este modo, el
seguimiento se realiza de la manera típica, es decir, manteniendo
iguales entre sí los valores de correlación de anticipación y
retraso (véase figura 3b). Se calcula por lo menos un valor de
correlación adicional, basándose en por lo menos una réplica
adicional del código PRN, desplazada en el tiempo con respecto a las
versiones puntual, anticipada y retrasada. Los errores por
multitrayecto son estimados a posteriori por un módulo
estimador independiente de multitrayecto, sobre la base de una
fórmula predefinida, que comprende por lo menos el valor de
correlación entre la señal entrante y dicha por lo menos una réplica
adicional del código PRN. El método de la invención produce un
impacto mínimo sobre el proceso de seguimiento, y permite activar o
desactivar fácilmente el proceso de estimación del multitrayecto,
sin modificar el proceso de seguimiento.
La figura 4 ilustra el método de la invención, y
muestra también los bloques constitutivos característicos que es
necesario que estén presentes en un receptor según la invención. En
la implementación convencional mostrada en la figura 2, el pico de
correlación se mide en tres puntos diferentes, proporcionando una
versión anticipada, retrasada y puntual del código. En la invención
propuesta, el pico de correlación se mide con respecto a las mismas
tres versiones del código, y adicionalmente con respecto a por lo
menos una versión más, desplazada en el tiempo con respecto a las
primeras tres.
Según el caso general presentado en la figura 4,
se calculan M+N+1 valores de correlación, a saber, M versiones
anticipadas (P_{-M}, ..., P_{-1}), una versión puntual
(P_{0}), y N versiones retrasadas (P_{+1}, ..., P_{+N}). Esto
se realiza usando una línea 20 de retardo que tiene M+N+1 tomas,
controlada por un reloj 21 de línea de retardo y que genera M+N+1
versiones del código local. El retardo entre las tomas se sigue
indicando como d/2, y el retardo entre la toma i y la toma 0 es id/2
(i=-M, ..., +N).
Tal como en el receptor de la técnica anterior,
se usan un generador 2 de portadoras y un generador 3 de códigos, y
una pluralidad de mezcladores 7 y acumuladores 8. Todos estos
elementos son idénticos en sí mismos a los usados en los receptores
de la técnica anterior. Para el seguimiento, se usa un discriminador
y filtro 10 convencional de DLL, para realizar el seguimiento de la
forma típica, a saber, basándose en una versión del PRN anticipada
(P_{-1}), una puntual (P_{0}) y una retrasada (P_{+1}).
Independientemente, la totalidad de los M+N+1 valores de
correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}) se alimenta hacia el módulo
estimador 23 de multitrayecto en cada cálculo de la separación.
Este módulo obtiene M+N+1 estimaciones independientes de la
amplitud de la señal escalando cada uno de los M+N+1 valores de
correlación según 1/(1-|i|d/2), i=(-M, ..., N). Cuando hay presente
un multitrayecto, cada una de estas estimaciones de amplitud de la
señal presenta un error que tiene una correlación elevada con el
error de separación, aunque es diferente para cada estimación. La
invención se basa en aprovecharse de estas diferencias para
construir un estimador de errores de separación por multitrayecto.
Más específicamente, se puede demostrar que una combinación lineal
apropiada de las M+N+1 estimaciones de amplitud de la señal,
normalizadas por el valor de correlación puntual I_{0}, coincide
notablemente con el error de determinación de la separación debido
al multitrayecto. En otras palabras, se puede realizar una
aproximación fiel del error de separación debido al multitrayecto
mediante la siguiente fórmula:
Esta estimación del error por multitrayecto MP
es característica de la invención. Los coeficientes \alpha_{i}
son constantes. Se calculan solamente una vez, durante el diseño del
receptor. Después del cálculo según la fórmula predefinida, el
filtro sobre la estimación (MP) se filtra por medio de un filtro
paso bajo 24. A continuación, el resultado se resta de la
separación obtenida a partir del seguimiento de
anticipación-retraso por medio del DLL, dando como
resultado una eliminación considerable del error por multitrayecto
con respecto a la medición de la separación.
Esta fórmula predefinida permite una estimación
muy rápida del error por multitrayecto, en comparación con técnicas
existentes, en particular en comparación con la técnica presentada
en la patente US nº 5.414.729 en el que el error por multitrayecto
se halla en cada etapa de determinación de la separación,
resolviendo un sistema de ecuaciones. En el método de la invención,
no se realiza ninguna estimación de parámetros multitrayecto tales
como retardo, fase y amplitud. Únicamente se realiza una estimación
del propio error por multitrayecto.
Como ejemplo, y para clarificar en cierta medida
la fórmula anterior, se podría proponer la siguiente combinación
lineal para M=2, N=3 y d=1/15:
Las figuras 5a y 5b comparan el error de
determinación de la separación debido al multitrayecto y la
estimación del mismo a partir de la fórmula anterior, en función
del retardo multitrayecto, para dos amplitudes diferentes de la
señal multitrayecto. En las figuras 5a y 5b, la curva superior se
corresponde con un componente multitrayecto que llega en fase con
el componente de la línea de visión directa, la curva inferior se
corresponde con un desplazamiento de fase de 180º. Es evidente que
la estimación multitrayecto (curvas 30) proporcionada por la
combinación lineal dada anteriormente para M=2 y N=3 coincide
considerablemente con el error de separación (curvas 31), incluso
para retardos multitrayecto muy breves. Los coeficientes
\alpha_{i} en la fórmula anterior se han optimizado para
obtener una mejor aproximación del error del multitrayecto con una
amplitud de una décima parte de la señal directa (caso de la fig.
5a). No obstante, el mismo conjunto de coeficientes proporciona una
aproximación bastante buena del error para otras amplitudes del
multitrayecto (véase fig. 5b, relación de amplitud de la señal con
respecto al
multitrayecto =2).
multitrayecto =2).
Un receptor según la invención permite un
seguimiento de la señal y una mitigación del multitrayecto según el
método de la invención. Dicho receptor comprende una pluralidad de
canales, pudiendo detectar y engancharse cada canal a una señal
diferente codificada por PRN (de un satélite diferente). Cada canal
comprende los elementos mostrados en la figura 4: un generador 2 de
portadoras, un mezclador 9 de señales portadoras, una línea 20 de
retardo y un reloj 21 de línea de retardo, un generador 3 de códigos
locales, los mezcladores 7 y los acumuladores 8 para todas las
versiones del PRN P_{-M}, ..., P_{+N}, así como un discriminador
y filtro 10 de DLL, diseñado para un seguimiento del tipo
"espaciamiento estrecho" (d<1 segmento). El discriminador y
filtro pueden ser aplicaciones basadas en software, que produzcan
señales de órdenes a usar como entradas para el generador 3 de
códigos PRN locales. Un receptor según la invención está
caracterizado por la presencia del módulo estimador 23 de
multitrayecto y el filtro paso bajo 24. Este módulo estimador de
multitrayecto puede ser una aplicación de software, que realice la
acción de calcular el error estimado por multitrayecto sobre la
base de los valores de correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}). El
estimador también se puede realizar en hardware, tal como un chip
semiconductor, además, el filtro 24 puede ser una aplicación de
software o una aplicación de hardware.
Los parámetros de diseño que se deben optimizar
en el diseño del receptor son el número de correladores M+N+1 y los
coeficientes \alpha_{1}. Los mismos son el resultado de una
solución de compromiso entre la complejidad del receptor, la
precisión de la estimación del error por multitrayecto, y el ruido
sobre la estimación. Hablando en términos generales, el uso de más
correladores (necesidad de aumentar el número de tomas de la línea
de retardo) da como resultado que se pueda estimar mejor el error
por multitrayecto, a costa de la complejidad del receptor, y el
ruido.
\vskip1.000000\baselineskip
Simulaciones han demostrado que se puede lograr
un buen compromiso entre la precisión de la estimación del error por
multitrayecto y el ruido sobre la estimación usando solamente un
correlador adicional, en la posición +2 en la línea de retardo (M=1,
N=2), es decir, basándose en una versión del código PRN que está
retardada durante un tiempo igual a d con respecto a la versión
puntual. En la figura 6, se representa el diseño preferido. Los
componentes impresos en negrita son los componentes adicionales con
respecto al receptor convencional.
El estimador 23 de multitrayecto de la figura 6
calcula la siguiente función de sus entradas:
El coeficiente -0,42 es el resultado de una
optimización de los parámetros \alpha_{i} de manera que la
estimación resultante del multitrayecto se ajusta del mejor modo al
error real por multitrayecto en términos de mínimos cuadrados, para
una gama amplia de relaciones de potencia de señal/multitrayecto. En
el diseño preferido, el parámetro d se fija
a 1/15.
a 1/15.
A continuación, la estimación se alimenta a un
filtro paso bajo 24. En el diseño preferido, el filtro paso bajo
tiene un ancho de banda equivalente de ruido B_{n} de entre 0,1 y
1 Hz.
Para concluir, la figura 7 presenta una
comparación entre las envolventes multitrayecto obtenidas usando un
DLL convencional con un espaciamiento estrecho de d=1/15 segmentos
(curva 101), los planteamientos que representan la técnica anterior
más próxima (curva 102) y el nuevo planteamiento propuesto (curva
103). Las curvas son relativas a una relación de potencia de señal
con respecto a multitrayecto de 100. Puede observarse que el
planteamiento propuesto produce los mejores resultados para retardos
multitrayecto menores que aproximadamente 20 m. Aunque los
planteamientos existentes se comportan mejor para retardos
multitrayecto medianos a grandes, el planteamiento nuevo produce
mejores resultados en situaciones de vida real ya que la mayoría de
las señales multitrayecto se incluyen en la zona de los retardos
cortos.
Además, en contraposición a los planteamientos
de la técnica anterior, la estimación multitrayecto se filtra
independientemente de la medición de la separación en el filtro paso
bajo 24, permitiendo el uso de un ancho de banda equivalente de
ruido B_{n} bajo,_{ }y por lo tanto el mantenimiento a un nivel
bajo de ruido sobre la estimación. Esto tiene sentido ya que los
errores por multitrayecto solamente contienen de forma típica
componentes de frecuencia muy baja. Como ilustración, se puede
demostrar que la desviación estándar del ruido en el estimador
preferido de errores por multitrayecto viene dada por:
en la que \lambda_{c}=293 m
para el código GPS C/A. Como ejemplo, \sigma_{MP} es solamente
0,1 m para d=1/15, B_{n}=0,1 Hz y una C/N_{0} nominal de 45
dB-Hz.
Claims (7)
1. Método para procesar por lo menos una señal
enviada por un transmisor, usándose dicha señal para medir la
separación, es decir, la distancia entre dicho transmisor y un
receptor, comprendiendo dicha señal una señal portadora modulada por
un código de ruido seudoaleatorio (PRN), comprendiendo dicho método
las etapas siguientes:
- -
- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,
- -
- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con por lo menos cuatro réplicas (P_{-M},..., P_{+N}) del código PRN, estando desplazadas dichas réplicas en el tiempo una con respecto a otra,
- -
- calcular los valores de correlación (I_{-M},..., I_{+N}) de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,
- -
- calcular, a partir de dichos valores de correlación (I_{-M},..., I_{+N}), una estimación del error por multitrayecto,
caracterizado porque dicho cálculo se
basa en una fórmula predefinida, que iguala dicho error por
multitrayecto a una función predefinida de dichos valores de
correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}), siendo dicha fórmula
predefinida una combinación lineal de dichos valores de correlación
(I_{-M}, ..., I_{+N}), estando normalizado cada uno de dichos
valores por el valor de correlación (I_{0}) de dicha réplica
puntual (P_{0}), siendo dicha combinación lineal de la siguiente
forma:
en la que MP representa el error
por multitrayecto, d representa el espaciamiento de
anticipación-retraso, I_{0} representa el valor de
correlación de dicha réplica puntual, I_{-M}, ..., I_{+N}
representan los valores de correlación, \alpha_{i} representan
uno o más valores predefinidos, siendo dichos valores \alpha_{i}
constantes y siendo calculados solamente una vez durante el diseño
del receptor, y obteniéndose dicho o dichos valores predefinidos
\alpha_{i} mediante una optimización de manera que la estimación
resultante del multitrayecto se ajusta del mejor modo al error real
por multitrayecto en términos de mínimos cuadrados para una gama
amplia de relaciones de potencia de
señal/multitrayecto.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método según la reivindicación 1, que
comprende las etapas siguientes:
- -
- mezclar dicha señal con una réplica de la señal portadora, para adquirir una señal de banda base, que representa dicho código PRN,
- -
- multiplicar dicha señal de banda base respectivamente con tres réplicas (P_{0}, P_{-1}, P_{+1}), espaciadas equitativamente, de dicho código PRN, es decir, una réplica anticipada (P_{-1}), puntual (P_{0}) y retrasada (P_{+1}), con un espaciamiento determinado (d) de anticipación-retraso,
- -
- multiplicar dicha señal de banda base con por lo menos una réplica adicional de dicho código PRN, estando desplazada en el tiempo dicha réplica adicional con respecto a dichas réplicas anticipada, retrasada y puntual,
- -
- calcular los valores de correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}) de dicha señal de banda base con respecto a cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas del código PRN,
- -
- enganchar el código puntual (P_{0}) a la señal de banda base manteniendo iguales entre sí los dos valores de correlación (I_{-1}, I_{+1}), es decir, los valores de correlación entre dicha señal de banda base y dichas réplicas anticipada y retrasada (P_{-1}, P_{+1}),
- -
- calcular la separación multiplicando el retardo del código puntual (P_{0}) por la velocidad de la luz,
- -
- calcular, a partir de dichos valores de correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}), una estimación del error por multitrayecto, basándose dicho cálculo en dicha fórmula predefinida,
- -
- filtrar dicha estimación del error por multitrayecto y se resta de dicha separación calculada dicha estimación del error por multitrayecto, produciéndose un valor de separación corregido.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el
que cada una de dichas por lo menos cuatro réplicas se desplaza el
mismo retardo de tiempo con respecto a la réplica siguiente y/o
previa.
4. Método según la reivindicación 3, en el que
se utilizan cuatro réplicas, y en el que el espaciamiento (d) de
anticipación-retraso es 1/15 de la longitud de un
segmento, y en el que la cuarta réplica (P_{+2}) es 1/15 de la
longitud de un segmento posterior a dicha réplica puntual (P_{0}),
y en el que dicha estimación del error por multitrayecto (MP) se
calcula como:
5. Receptor adaptado para realizar el método
según la reivindicación 1, comprendiendo dicho receptor una
pluralidad de canales para detectar y engancharse a una pluralidad
de señales codificadas por PRN, comprendiendo cada canal:
- -
- una línea (20) de retardo, que comprende por lo menos cuatro tomas, para crear una réplica anticipada (P_{-1}) de un código PRN, una réplica puntual (P_{0}), una réplica retrasada (P_{+1}), y por lo menos una réplica adicional,
- -
- una pluralidad de mezcladores (7) y acumuladores (8) para calcular por lo menos cuatro valores de correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}),
caracterizado porque dicho receptor
comprende además:
- -
- un módulo estimador (23) de multitrayecto para calcular una estimación del error por multitrayecto (MP), sobre la base de una fórmula predefinida, en la que dicha fórmula predefinida es una combinación lineal de dichos valores de correlación (I_{-M}, ..., I_{+N}), estando normalizado cada uno de dichos valores por el valor de correlación (I_{0}) de dicha réplica puntual (P_{0}),
- -
- un filtro paso bajo (24).
\vskip1.000000\baselineskip
6. Receptor según la reivindicación 5, en el
que dicho módulo estimador (23) de multitrayecto comprende unos
medios de software para calcular la estimación del error por
multitrayecto basándose en una fórmula predefinida.
7. Receptor según la reivindicación 5, en el que
dicho módulo estimador (23) de multitrayecto comprende unos medios
de hardware para calcular la estimación del error por multitrayecto
basándose en una fórmula predefinida.
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