ES2348577T3 - Procedimiento y dispositivo para crear un sistema de posicionamiento mediante una red. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la creación de una red de dispositivos (402) con unidad de posicionamiento, en el que -cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento recibe señales de posicionamiento (405, 406) permitiendo cada una de dichas señales de posicionamiento la realización de un cálculo de distancia, -cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento determina su posición a partir de un mínimo de tres de dichas señales de posicionamiento (405, 406), comportando la determinación un cálculo de distancia llevado a cabo por cada señal de posicionamiento, caracterizado porque, -cada dispositivo con unidad de posicionamiento transmite una señal de posicionamiento (405, 406) que puede ser utilizada por otros dispositivos con unidad de posicionamiento, y -cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento determina su posición a partir de cualquier combinación de un mínimo de tres señales de posicionamiento (405, 406) recibidas de otros dispositivos (402) con unidad de posicionamiento y satélites (401) de un Sistema de Satélites de Navegación Global.

Description

La presente invención se refiere de manera general a sistemas de posicionamiento en los que un objeto o un usuario, situado en un lugar no conocido, recibe señales desde una serie de fuentes y utiliza información derivada de las mismas para determinar la posición actual del objeto

o del usuario. Más particularmente, la presente invención se refiere a un sistema de posicionamiento que utiliza una red de dispositivos con unidades de posicionamiento autointegradas, sincronizadas a un Sistema de Satélites de Navegación Global (GNSS) para una determinación de posición de elevada exactitud en lugares en los que hay poca visibilidad de los satélites.

Antecedentes de la invención

La necesidad de localizar con exactitud el lugar en el que alguien o algo se encuentra en la superficie del mundo ha preocupado constantemente a los humanos. En realidad, la precisión y predictibilidad con la que se puede conseguir la localización es una unidad de medida por la que se puede evaluar el refinamiento tecnológico de una civilización. A lo largo del tiempo, el hombre ha mejorado la localización y navegación terrestres avanzando desde el sextante y cronómetro, sistemas inerciales, LORAN, TRANSIT y, más recientemente, GPS.

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La constelación de 24 satélites del GPS creada por el Gobierno de los Estados Unidos emite señales de tiempo precisas conectadas a relojes atómicos situados a bordo. Utilizando fórmulas precisas y bien desarrolladas, el usuario receptor que recoge señales de 3 o más satélites simultáneamente puede determinar su posición en coordenadas globales absolutas, a saber, latitud y longitud. El GPS se ha demostrado como importante activo para la determinación de localización porque se puede disponer del mismo de forma global, es razonablemente preciso y es gratuito para el usuario final.

A pesar de su sofisticación tecnológica, el GPS está afectado todavía por varias limitaciones críticas que dificultan su adopción de forma amplia a nivel de consumidor. En primer lugar, la intensidad de las señales de GPS requiere que los satélites se encuentren “a vista” con respecto al receptor. Esto significa que no puede existir ninguna obstrucción sustancial entre los satélites y el receptor. En segundo lugar, las fórmulas de GPS requieren, como mínimo, que 3 satélites se encuentren a la vista para la determinación de una localización de 2 dimensiones (es decir, latitud y longitud) y, como mínimo, que 4 satélites se encuentren a la vista para la determinación de una localización de 3 dimensiones (es decir, latitud, longitud y altitud). En combinación, estos dos importantes inconvenientes alteran severamente la fiabilidad del GPS en zonas con relieve, tales como “cañones urbanos” y aseguran que el GPS estándar no

funciona en absoluto dentro de edificios o en lugares con

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obstrucciones o pantallas. El GPS tiene, por lo tanto, una utilización extremadamente limitada en lugares urbanos, en los que vive gran parte de la población mundial.

De manera sorprendente, otras limitaciones del “consumidor” del GPS proceden de su disponibilidad global y su potencial para conseguir una precisión razonablemente elevada. En su forma original, el GPS tiene el potencial de facilitar una exactitud aproximada de 15 metros. El Gobierno de los Estados Unidos se preocupó con la posibilidad de que su propio sistema de satélites podría ser utilizado contra los Estados Unidos para hacer llegar, de manera precisa, cargas de armas enemigas. Por esta razón, las señales emitidas por la red GPS para uso civil están intencionadamente degradadas con respecto a señales de utilización militar USA codificadas, más exactas. Esta degradación, comúnmente conocida con los términos Disponibilidad Selectiva (SA), reduce la exactitud en bruto al uso civil aproximadamente a 100 metros 2dRMS.

En un esfuerzo de superar la SA, se ha desarrollado un sistema conocido como Diferencial de GPS (DGPS) para usuarios civiles en una zona localizada. El DGPS es capaz de facilitar una exactitud de varios metros a un usuario móvil. No obstante, el DGPS requiere, como mínimo, el establecimiento de una onerosa estación de emisión local. Requiere también que el consumidor móvil adquiera un equipo adicional en forma de un receptor de radio para captar correcciones GPS para su receptor GPS. En un sistema GPS, que se describe en el documento WO 95/18978 A1, se dispone

de varias estaciones de emisión, por ejemplo tres, y la

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corrección de la posición determinada utiliza la interpolación entre las señales de corrección enviadas por aquellas cuya interpolación se basa en una posición previa del usuario móvil que se desplaza en un área limitada por las posiciones de las estaciones de emisión. De acuerdo con otro sistema DGPS, tal como se describe en el documento patente USA 5.323.322, se utiliza una red mundial de estaciones de referencia para calcular un mapa de contornos de isocorrección para cada satélite GPS, desde el cual se interpolan las correcciones para una posición de usuario y se envían a dicho usuario mediante satélites de comunicaciones.

Otro desarrollo reciente llamado Real Time Kinematic (RTK) (Cinemática en Tiempo Real) permite la mejora de la exactitud del sistema GPS hasta aproximadamente un centímetro. Si bien este grado de exactitud es altamente deseable para muchas posibles aplicaciones, el RTK es casi por completo el ámbito de disciplinas de elevada tecnología y habilidad, tales como geodesia, exploración y física. Los receptores RTK son habitualmente un orden de magnitud más oneroso que los receptores estándar GPS. Los sistemas RTK requieren transmisores locales poco habituales y, dependiendo del nivel de complejidad, pueden requerir hasta 10 horas de captación de señal sin movimiento antes de poder determinar posiciones precisas en RTK. El nivel de inversión necesario para RTK, junto con el equipo y habilidades especializadas requeridas, actúan sensiblemente contra la consideración del RTK para usos de consumidores o usos comerciales.

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Se han hecho intentos de superar estas dificultades que se describen en la técnica anterior. Se han desarrollado sistemas híbridos que incorporan un sistema de posicionamiento global (por ejemplo, GPS) además de un sistema de posicionamiento relativo. Estos métodos comprenden sistemas de sensores inerciales que incorporan “dead reckoning” (cálculo de zonas muertas) cuando los satélites quedan obstaculizados (patente US 5.311.195) o transmisiones de radio de tipo comercial que llevan a cabo “posicionamiento de fase de delta” cuando los satélites se encuentran con dificultades de observación (patente US 5.774.829).

Desafortunadamente, estos sistemas de la técnica anterior tienen varios inconvenientes. El “dead reckoning” (cálculo de posición muerta) muestra errores acumulativos con el uso extenso y tanto la exactitud del “dead reckoning” como del posicionamiento de fase delta es limitada a la exactitud de posición absoluta inicial. Cualquier ambigüedad de posición inicial será transmitida, por lo tanto, a través de las soluciones subsiguientes de posición. La exactitud de la posición en fase delta quedará limitada por la geometría de los lugares de transmisión de emisiones de radio comerciales preexistentes. Una geometría

poco

satisfactoria, tal como se puede observar en un

receptor

en desplazamiento, producirá soluciones de

posición

poco satisfactorias. Además, la exactitud de

posición

en fase delta queda limitada por la

frecuencia/longitud de onda de la señal de transmisión, de

manera que frecuencias más bajas (es decir, longitudes de

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onda más largas) producen una menor exactitud. Además, los receptores desplazables de fase delta necesitan un conocimiento preexistente de coordenadas de transmisión de emisión de radio comercial. Finalmente, el posicionamiento delta requiere un receptor de referencia y un enlace de datos además de las transmisiones de emisión por radio de tipo comercial. La patente US 5.774.829 sugiere que este enlace de datos sea colocado como información en el canal de transmisión de emisión de radio de tipo comercial SCA.

Esto

requeriría potencialmente cooperación con miles de

emisoras

comerciales, comportando sustanciales problemas

logísticos.

También se conocen en esta técnica intentos de utilizar pseudosatélites, o los “pseudolitos”, para incrementar o aumentar la conservación estándar de GPS. Los pseudolitos son transmisores basados en tierra que emiten señales similares a GPS. Los pseudolitos fueron utilizados por primera vez en 1977 por el Departamento USA de de Defensa para pruebas de la Fase I de GPS en el terreno de pruebas de Yuma de Arizona. Fueron utilizados para aumentar la conservación de GPS para probar equipos de usuario antes de que hubieran suficientes satélites para navegación. En 1984, Klein y Parkinson fueron los primeros en indicar que los pseudolitos podrían ser un anexo útil para el sistema GPS operativo, mejorando la disponibilidad para navegación y geometría para aplicaciones críticas, tales como aviación. En 1986 Parkinson y Fitzgibbon desarrollaron y demostraron un procedimiento para encontrar la localización

óptima para un pseudolito de localización. Asimismo, en

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1986 el comité RTCM-104, que desarrolló la primera norma para sistemas de GPS de área local, propuso un método para transmitir información de GPS por pseudolito.

Los pseudolitos son actualmente dispositivos onerosos y son fabricados en cantidades extremadamente reducidas. En general, transmiten sus señales en las frecuencias GPS L1 y L2, de manera que necesitan habitualmente aprobación por las autoridades para funcionar. Grupos experimentales dentro de las Universidades, organizaciones gubernamentales, militares o compañías muy grandes han utilizado habitualmente los pseudolitos. Así pues, mientras estos dispositivos han sido conocidos durante un largo periodo de tiempo, su utilización en general para localización y navegación es extremadamente rara. La técnica anterior refleja la disponibilidad limitada de los pseudolitos.

Varias industrias han utilizado los pseudolitos para incrementar señales GPS en áreas localizadas. La utilización en aviación de dispositivos de pseudolito está tipificada por la patente US nº 5.572.218 que describe un procedimiento de colocación de un pseudolito en el extremo de una pista de aterrizaje por debajo de la trayectoria final de aproximación de un avión. Esto permite satisfactoriamente la resolución de ambigüedad mediante un ciclo integral extremadamente rápido, generando un posicionamiento muy preciso. La patente US nº5.375.059 es representativa de la forma en el que empresas, tales como Caterpillar han aplicado los pseudolitos a la minería en

cielo abierto, que es una de las aplicaciones más típicas

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de estos dispositivos. Estos sistemas utilizan configuraciones de estación de pseudolito/referencia de tipo convencional de área local que son bien conocidas en la técnica.

La patente US nº5.686.924 “Sistema de navegación por posición de área local con transmisores de referencia por pseudolito” y la patente US nº5.708.440 “Traductor de pseudolito para frecuencias no autorizadas” (ambas patentes de Trimble y otros) describen conjuntamente el aumento de señales GPS sobre un área local. Este sistema de área local no tiene una disposición clara para la integración de estación de pseudolito/referencia y, por lo tanto, carece de la condición previa fundamental de coherencia de tiempo para una determinación precisa de la posición.

Se conoce una referencia de la técnica anterior que específicamente genera señales GPS en lugares cerrados. La patente US nº5.815.114 (Speasl y otros) describe un sistema de pseudolito dispuesto en un ambiente completamente cerrado. Este sistema utiliza señales regeneradas por una unidad de proceso de ordenador. Estas señales son distribuidas mediante cable coaxial a cuatro pseudolitos en un área situada dentro de un edificio. Este sistema de área local requiere una instalación extremadamente compleja y extensa y también una protección total con respecto a la constelación GNSS para asegurar que no existe conflicto entre las señales originales y las señales regeneradas.

Todas estas menciones de la técnica anterior dan a conocer sistemas rudimentarios de pseudolito utilizados en área local, sistemas cerrados.

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No se da a conocer procedimiento o dispositivo en el estado de la técnica ni se dan a conocer en el mismo técnicas que: (a) permitan una integración sin interrupciones (“seamless”) de una red de dispositivos de posicionamiento de unidad de base terrestre en un sistemas GNSS y (b) permitan una propagación sustancialmente sin fin de dispositivos con unidad de posicionamiento sobre un área sustancialmente ilimitada.

La necesidad de servicios de localización extremadamente precisos en áreas construidas aumenta con rapidez. La proliferación de dispositivos manuales de consumidor y el deseo de información dependiente del lugar de situación están mostrando una necesidad de soluciones integradas y completas, factibles. En aplicaciones de tipo manual, la exactitud degradada SA de los GPS estándar es poco satisfactoria, la exactitud de nivel de un metro o menos es esencial. Un sistema que permitiría una transición sin interrupciones desde exterior a interior sin necesitar diferentes tecnologías de localización es altamente deseable. Un sistema que se propagara a sí mismo y permitiera a continuación una expansión continuada tanto en el interior como en el exterior es asimismo altamente deseable. Además, la integración por un sistema mundial estándar, tal como GPS, comportaría sinergias al sistema en forma de componentes normalizados y fácilmente disponibles, fabricación simplificada y utilización de tecnologías bien conocidas. Un sistema que proporciona estas ventajas al público, a precios a nivel de consumidor, sin existencia de

expertos para la construcción de infraestructura, es

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asimismo muy deseable. La técnica anterior no cumple estas necesidades manifiestas.

Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención superar las desventajas anteriormente indicadas del posicionamiento GPS y proporcionar un sistema que complementa, incrementa y expansiona las técnicas de tipo GPS utilizando procedimientos completamente nuevos.

Resumen de la invención

Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención mejorar los sistemas de localización de posición.

Otro objetivo de la presente invención consiste en incrementar el número de situaciones en las que se puede utilizar un sistema de localización de posición basado en GNSS.

Es otro objetivo de la presente invención dar a conocer una red de arquitectura abierta de unidades de posicionamiento basadas en tierra que se pueden propagar a un área no limitada.

Otro objetivo de la presente invención consiste en utilizar señales tipo GNSS en la totalidad de una red de posicionamiento de base terrestre.

Otro objetivo adicional de la presente invención es dar a conocer un procedimiento para la creación y propagación de una red de posicionamiento basado en tierra.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una red de dispositivos de unidades de posicionamiento que se puede integrar sin interrupciones con una constelación GNSS.

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Un objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer una red de dispositivos de unidades de posicionamiento que se pueden sincronizar con una constelación GNSS.

Todavía otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una red de posicionamiento que permite transición sin interrupciones de una localización basada en GNSS a una localización basada en red o deducir una localización de cualquier aportación de cada uno de los sistemas de localización.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer una red de posicionamiento que permitirá la transición sin interrupciones de una localización basada en GNSS a una localización basada en red o deducir una localización a partir de cualquier asignación de cada sistema de localización utilizando un dispositivo ambulante unitario atenuado con cada sistema de localización.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer una red de dispositivos con unidad de posicionamiento que puede aumentar los sistemas de localización GNSS dentro de lugares urbanos de tipo “cañón”.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer una red de dispositivos con unidad de posicionamiento que pueden extender el posicionamiento absoluto de tipo GNSS a áreas con poca visibilidad de satélites, o con satélites “oscurecidos”,

dentro de edificios y otras estructuras, y en otros

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ambientes en los que no ha funcionado anteriormente el GNSS tradicional.

Todavía otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo con unidad de posicionamiento que se pueda autoinvestigar y autointegrar en la constelación de GNSS y/o red corriente de dispositivos con unidad de posicionamiento, proporcionando, por lo tanto, posicionamiento absoluto y relativo en cualquier situación de interiores o con “oscurecimiento”, es decir, falta de visibilidad de satélites.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer protocolos para iniciar y mantener comunicaciones entre dispositivos de unidades de posicionamiento, permitiendo, por lo tanto, que se pueda pasar la información de red entre dispositivos con unidad de posicionamiento.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en incluir, para cada dispositivo con unidad de posicionamiento, un receptor de referencia para proporcionar correcciones diferenciales distribuidas en la totalidad de la red.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer un posicionamiento Cinemático en Tiempo Real en la totalidad de la red, proporcionado una exactitud de centímetros.

Un objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer mediciones de pseudodistancia

(“pseudorange”) y fase portadora, tanto para satélites GNSS

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como para dispositivos con unidad de posicionamiento del Sistema de Posicionamiento de Red (NPS), proporcionando, por lo tanto, una exactitud de posicionamiento tanto de metro como de centímetro.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer transmisiones de pseudolito de frecuencia dual que permiten resolución de ambigüedad de fase portadora de época única dentro de zonas potenciadas por dispositivos de unidades de posicionamiento.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer receptores de triple frecuencia para aceptar señales GNSS y dos señales de pseudolito adicionales.

Otro objetivo adicional de la presente invención consiste, para dispositivos con unidad de posicionamiento, en la aceptación de correcciones diferenciales WAAS a efectos de proporcionar correcciones diferenciales cuando no se dispone de correcciones diferenciales de red.

Un objetivo adicional de la presente invención consiste en dar a conocer un dispositivo con unidad de posicionamiento que incorpora la tecnología actual GNSS para mantener la compatibilidad sustancial entre sistemas.

Otro sistema adicional de la presente invención consiste en dar a conocer dispositivos con unidad de posicionamiento de red que pueden ser propagados por personal no técnico, eliminando, por lo tanto, las onerosas exigencias de infraestructura y la necesidad de técnicos especialistas.

Breve descripción de los dibujos

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La figura 1 es una representación gráfica de un Sistema de Posicionamiento Global (GPS), según la técnica anterior;

La figura 2 es una representación gráfica de un Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (DGPS) de la técnica anterior;

La figura 3 es una representación gráfica de un Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (DGPS) de la técnica anterior incorporando un transmisor pseudolito corregido de forma diferencial;

La figura 4 es una representación gráfica de una realización del Sistema de Posicionamiento mediante una Red, según la presente invención, incorporando unidades de dispositivo de posicionamiento de posicionamiento directo (“direct-ranging”);

La figura 5 es una representación gráfica de la realización preferente del Sistema de Posicionamiento mediante una Red, según la presente invención, incorporando dispositivos con unidad de posicionamiento corregidas de modo diferencial;

La figura 6 es una representación gráfica de otra realización del Sistema de Posicionamiento mediante una Red, según la presente invención, en un lugar de visión dificultada u obscurecida del dispositivo con unidad de posicionamiento;

La figura 7 es un diagrama de bloques que muestra la estructura global de una realización de un dispositivo con unidad de posicionamiento mediante una red, de acuerdo con

la presente invención;

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La figura 8 es una representación gráfica de otra realización del Sistema de Posicionamiento mediante una Red, según la presente invención, en un ambiente con poca visibilidad de satélites.

Para comprender la invención de modo completo, así como la forma en la que ésta combina de manera exclusiva conocimientos anteriores para proporcionar resultados nuevos que aportan características novedosas y que son inesperados, es importante la familiarización con los siguientes elementos fundamentales de posicionamiento.

Resumen de los conceptos fundamentales de GPS

Haciendo referencia a la figura 1, se han mostrado una serie de satélites (101) de GPS, cada uno de los cuales emite una señal de posicionamiento (102). Cada señal de posicionamiento está temporizada con precisión por la utilización de estándares de tiempo de tipo atómico a bordo de cada satélite GPS (101) y monitorizado por un segmento de control de tierra para integridad de tiempo. La latitud, longitud y altura de cualquier punto próximo a la tierra se pueden calcular a partir de los tiempos de propagación de las señales de posicionamiento (102) procedentes, como mínimo, de cuatro de estos satélites GPS (101) a una localización desconocida (103). El alcance medido es indicado como pseudodistancia, puesto que existe una diferencia de tiempo o desplazamiento de tiempo entre los relojes de temporización de los satélites (101) y el reloj de temporización dentro del receptor GPS (103). Para la determinación de posición tridimensional se necesitan, de

manera típica, cuatro satélites para solucionar las cuatro

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incógnitas, es decir, el desplazamiento de tiempo junto con la posición tridimensional (x, y, z).

El tiempo GPS medido por un receptor de GPS está contaminado por seis fuentes de error principales: (1) Disponibilidad Selectiva; (2) retraso ionosférico; (3) retraso troposférico; (4) error de efemeris; (5) error de reloj de satélite y (6) multitrayectoria. La Disponibilidad Selectiva es la degradación intencionada de la temporización de satélite GPS y exactitud de posicionamiento por parte del Departamento de Defensa USA por razones de seguridad nacional USA. El retraso ionosférico es el retraso de tiempo variable experimentado por las ondas electromagnéticas cuando pasan por bandas de partículas ionizadas de la ionosfera. El retraso troposférico es el retraso de tiempo experimentado por las ondas electromagnéticas cuando pasan por la humedad de la atmósfera inferior. El error de efemeris es la diferencia entre la situación real del satélite y la posición de predicción por los datos orbitales del satélite. El error reloj del satélite es la diferencia entre el tiempo real del satélite de GPS y el tiempo de predicción por los datos del satélite. La multitrayectoria en el retraso de señal provocado por reflexiones de señal localizadas en proximidad de un receptor de GPS. La previsión de error especificada por el Departamento de Defensa USA para GPS autónomos es de 100 metros 2dRMS. Si se requiere una mayor exactitud de posición se puede implementar una técnica llamada “Diferencial de Área Local de GPS”.

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Revisión de los puntos fundamentales del Diferencial de Área Local GPS (LADGPS)

Todos los errores de GPS, excluyendo multitrayectoria y ruidos de recepción, están correlacionados espacialmente, es decir, la suma de todos los errores es un informe para receptores muy próximos entre sí. El Diferencial de Área Local GPS (LADGPS) produce errores correlacionados espacialmente en las señales de satélite de GPS a niveles despreciables.

Haciendo referencia a la figura 2, se ha mostrado una serie de satélites GPS (201), cada uno de los cuales emite una señal de posición (102), un receptor de referencia

(204) de Diferencial de Área Local GPS (LADGPS), un enlace

de

datos de RF (205) y un receptor de GPS (203). El

receptor

de referencia LADGPS (204) instalado en una

localización

bien conocida calcula un pseudodistancia

supuesto para cada señal de satélite que detecta. A continuación mide los pseudodistancias recibidos de los satélites GPS (201) y resta los pseudodistancias supuestos de los pseudodistancias recibidos, formando una corrección diferencial. La estación de referencia (204) LADGPS transmite a continuación estas correcciones como datos principales al receptor GPS (203) con intermedio del enlace de datos RF (205). El receptor de GPS (203) añade estas correcciones a los pseudodistancias que mide para los mismos satélites antes de calcular una solución de la posición. Los errores comunes al receptor de referencia

(204) y al receptor GPS (203) son delimitados por completo

mediante este procedimiento.

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Se pueden incorporar pseudolitos en una solución LADGPS de la misma manera que los pueden ser los satélites. Haciendo referencia a continuación a la figura 3, se ha mostrado una serie de satélites GPS (301), cada uno de los cuales emite una señal de posición (302), una estación

(304) de referencia de Diferencial de Área Local GPS (LADGPS), un enlace de datos RF (305), un receptor GPS

(303) y un transmisor pseudolito (306) que emite también una señal de posición (307). Cuando el transmisor pseudolito (306) es incorporado en un sistema LADGPS, el receptor de referencia (304) mide de forma asíncrona las mediciones de pseudodistancia (307) del pseudolito y transmite información de corrección de pseudodistancia incorporando el error de reloj del pseudolito al receptor

(303)

del GPS con intermedio de un enlace de datos RF

(305).

Las

correcciones LADGPS mejoran la exactitud de

posición del GPS hasta varios metros. Si se requiere una exactitud mayor se puede implementar una técnica conocida como “Diferencial de Fase Portadora GPS” (CDGPS).

Revisión de los puntos fundamentales del Diferencial de Fase Portadora GPS (CDGPS)

El Diferencial de Fase Portadora GPS (CDGPS) calcula la diferencia entre la localización de referencia y la localización del usuario utilizando las diferencias entre las fases portadoras medidas en el receptor de referencia y el receptor de usuario.

Haciendo referencia nuevamente a la figura 3, se ha

mostrado una serie de satélites de GPS (301), cada uno de

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los cuales emite una señal de posición (302), una estación de referencia (304) de Diferencial de Fase Portadora GPS (CDGPS), un enlace de datos RF (305), un receptor de GPS

(303) y un transmisor pseudolito (306) que emite también una señal de posición (307). El receptor de referencia (304), instalado en una localización bien conocida, calcula mediciones de fase instantáneas para todos los satélites

(301) y pseudolitos (306) que se encuentren a vista. Los datos de fase portadora procedentes del receptor de referencia (304) son emitidos al receptor GPS (303) con intermedio de un enlace de datos RF (305). El receptor de GPS (303) calcula también mediciones de fase instantáneas para todos los satélites (301) y pseudolitos (306) a la vista y a continuación calcula una diferencia de fase para determinar la posición del receptor GPS (303) con respecto a la localización del receptor de referencia (304).

El receptor del usuario puede medir la fase fraccional más un número arbitrario de ciclos completos de la portadora, pero no puede determinar directamente el número exacto de ciclos completos en el pseudodistancia. Este número conocido como “ambigüedad de ciclo entero” (“integer cycle”), debe ser determinado por otros medios. Las estrategias tradicionales para resolver las ambigüedades de entero de fase portadora están comprendidas entre tres clases amplias: métodos de búsqueda, métodos de filtrado y

métodos

geométricos. Estos métodos tradicionales no

facilitan

la resolución instantánea de la ambigüedad de

ciclo entero.

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Una técnica reciente conocida como “wide-laning” (pistas anchas) ha sido desarrollada para superar el problema de la resolución no instantánea de la ambigüedad de ciclo entero. El wide-laning multiplica y filtra dos frecuencias portadoras (tradicionalmente GPS L1 &L2) para formar una señal de marca de frecuencia. La longitud de onda de esta señal de marca de frecuencia es significativamente más larga que las longitudes de onda de las dos portadoras individuales. Como consecuencia, la resolución de los enteros se puede conseguir utilizando observaciones de pseudodistancia para determinar la ambigüedad del entero de las “pistas” más amplias formadas

por

la señal de marca de frecuencia. Éstas, a su vez,

reducen

notablemente el volumen de enteros que se debe

buscar para resolver la ambigüedad del entero.

Con

la ambigüedad del ciclo entero resuelta, las

técnicas

CDGPS pueden facilitar una exactitud de

centímetros en tiempo real.

Descripción detallada de la realización preferente

Tal como se utiliza en esta descripción, el término “posición” incluye dentro de su alcance longitud, latitud y altura, y el término “dispositivo con unidad de posicionamiento” incluye dentro de su alcance tanto dispositivos estacionarios como móviles.

En la realización preferente, un dispositivo con unidad de posicionamiento consiste en medios de transmisión y recepción para comunicación, entre todos los dispositivos con unidad de posicionamiento “a la vista”, un medio de

proceso para llevar a cabo cálculos de posición absoluta

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y/o relativa y un medio de control para controlar obligaciones de datos de red.

Dado que los dispositivos con unidad de posicionamiento móvil funcionan y se integran en la red utilizando los mismos principios que los dispositivos con unidad de posicionamiento de tipo estacionario, los dispositivos con unidad de posicionamiento de tipo móvil pueden ser utilizados también como baliza dinámica, en caso deseado. Por lo tanto, un dispositivo con unidad de posicionamiento móvil puede integrar las señales de posicionamiento de otros dispositivos con unidad de posicionamiento móvil situados en gran proximidad en sus propios cálculos de alcance para incrementar la exactitud de la posición. En la realización preferente no hay exigencias para que un dispositivo con unidad de posicionamiento móvil transmita señal de posición alguna.

De acuerdo con la presente invención, la determinación de la posición absoluta y relativa de los dispositivos con unidad de posicionamiento se lleva a cabo utilizando una red de transmisiones de dispositivos con unidad de posicionamiento sincronizadas a señales proporcionadas por un Sistema de Satélites de Navegación Global (GNSS). Si bien la realización preferente que se describe se explica con referencia a un GNSS que comprende un Sistema de Posicionamiento Global (GPS), también se pueden utilizar otros sistemas GNSS o sistemas de posición absoluta sin desviarse del ámbito de la invención.

La invención tiene aplicación específica, pero no

exclusiva, en lugares en los que las tecnologías GPS

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actuales presentan dificultades de visión. Estos ambientes comprenden distritos centrales de negocios, “cañones urbanos” y situaciones en interiores.

En la realización preferente, un dispositivo con unidad de posicionamiento utiliza multiplexado con división de código (CDMA) y de tiempo (TDMA) para permitir la integración de números grandes de dispositivos con unidad de posicionamiento en la red, manteniendo simultáneamente una frecuencia única de transmisión/recepción.

Un dispositivo con unidad de posicionamiento determina su propia posición captando en primer lugar satélites de GPS y/o otros dispositivos con unidad de posicionamiento en la red y llevando a cabo cálculos de distancia basándose en las señales de posición recibidas. Este periodo de captación inicial permite también que el dispositivo con unidad de posicionamiento determine un tiempo libre o vacante y una ranura de código (“code-slot”) disponible para su propio ciclo de transmisión.

Una vez sea seleccionado el tiempo y la ranura de código, el dispositivo con unidad de posicionamiento empieza a transmitir su señal de posición en el tiempo y ranura de código seleccionado. Si el número de dispositivos con unidad de posicionamiento operativos en un área sustancial supera el número de ranuras CDMA y TDMA disponibles, entonces un dispositivo con unidad de posicionamiento capacitado, que desee entrar en la red, continuará efectuando captación hasta que disponga de una ranura. Por lo tanto, el sistema ofrece redundancia

automática al dispositivo con unidad de posicionamiento.

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Los transmisores de los dispositivos con unidad de posicionamiento son accionados a impulsos para: (a) asociarse a las exigencias de acceso múltiple de división de tiempo (TDMA) de la red; (b) permitir que el receptor co-situado reciba señales a distancia de otras fuentes en la misma frecuencia de transmisión y (c) reducir los bien conocidos problemas de proximidad/lejanía asociados con las técnicas de espectro extendido CDMA.

Haciendo referencia a continuación a la figura 4, se ha mostrado una red de posicionamiento absoluto de determinación directa de la distancia. Un dispositivo (402) de unidad de posicionamiento de determinación directa de la distancia incorpora un receptor (403) y un transmisor accionado por pulsaciones co-situado (404). El receptor

(403) es capaz de recibir señales de posición (406) procedentes de todos los satélites GPS a la vista (401) y de posicionar señales (405) desde todos los dispositivos transmisores de la unidad de posicionamiento a la vista (404). El receptor (403) determina la posición y tiempo GPS a partir de un mínimo de señales (406) de cuatro satélites y/o de transmisiones (405) de un dispositivo con unidad de posicionamiento a la vista y transmite esta información de posición y de tiempo de GPS desde su transmisor co-situado

(404) accionado por impulsos. Esta señal de posicionamiento transmitida puede ser utilizada como fuente de cálculo directo de distancia por cualquier otro dispositivo con unidad de posicionamiento a la vista.

Todos los dispositivos con unidad de posicionamiento

sincronizan sus transmisiones directamente al tiempo GPS,

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creando, por lo tanto, una red de posicionamiento absoluto de cálculo directo de la distancia. No obstante, la exactitud de la red de cálculo directo de distancia queda limitada por la exactitud de reloj de GPS compuesto. El error previsto por el Departamento de Defensa USA para GPS autónomo es de 100 metros 2dRMS, o 340 nanosegundos (95% del tiempo). Para obtener una exactitud mayor desde una red

de

posicionamiento absoluta de cálculo directo

de

distancias,

se requieren técnicas de alisado o

regularización

de señal de reloj (“clock-smoothing”). El

reloj transmisor debe ser estable dentro de unos pocos nanosegundos al día para eliminar estos errores por promedio. Esto requiere habitualmente estándares de tiempo de tipo atómico que son caros y básicamente complejos. Sin este alisado del tiempo de tipo atómico, la red de cálculo directo de distancia tendrá una exactitud equivalente a la del GPS autónomo del orden de 100 metros 2dRMS.

Si bien se pueden utilizar estándares de tiempo de tipo atómico, es un objetivo de la realización preferente permitir la fabricación en masa y acceso a la red desde el nivel de los consumidores. Por lo tanto, la realización preferente incorpora una corrección diferencial de la red de posicionamiento absoluto para proporcionar el incremento requerido de exactitud.

Haciendo referencia a continuación a la figura 5, se ha mostrado una red de posicionamiento corregida de forma diferencial. Un dispositivo (502) de unidad de posicionamiento corregido de forma diferencial incorpora un

receptor de referencia (503) y un transmisor (504)

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accionado por impulsos co-situado. El receptor de referencia es capaz de recibir señales de posición (506) procedentes de todos los satélites a la vista (501) y señales de posición (505) procedentes de todos los transmisores de unidad de posicionamiento a la vista (504). El receptor de referencia (503) determina la posición y el tiempo GPS basándose, como mínimo, en cuatro señales de satélite (506) y/o transmisiones (505) de dispositivos con unidad de posicionamiento a la vista y transmite esta información de posición y de tiempo GPS junto con las correcciones LADGPS de tiempo real (507) desde su transmisor (504) co-situado, accionado por impulsos. Esto crea una red receptora de referencia LADGPS distribuida.

Al solapar las correcciones LADGPS sobre una red de posicionamiento de tipo absoluto, la exactitud se aumenta a varios metros. Las correcciones diferenciales en la posición del usuario son determinadas con respecto a la posición y reloj del receptor de referencia LADGPS que se utiliza en cualquier momento determinado. De modo importante, la información del reloj de precisión no es necesaria en el receptor de referencia. La razón de ello es que la posición del receptor de referencia de tipo conocido es de cuatro dimensiones. Es decir, incluye una corrección de tiempo local. Cualquier error de temporización continuado para todas las correcciones de pseudodistancia (“pseudorange”) solamente afectarán al reloj receptor del usuario. Suponiendo que el usuario esté interesado solamente en la posición del receptor, esta corrección de

reloj resulta, por lo tanto, arbitraria.

-26 –

Cada uno de los dispositivos con unidad de posicionamiento recibe correcciones LADGPS desde todos los dispositivos con unidad de posicionamiento a la vista. Por lo tanto, un dispositivo con unidad de posicionamiento podría tener acceso a doce o más correcciones LADGPS simultáneamente. Un dispositivo con unidad de posicionamiento debe utilizar correcciones procedentes solamente de una fuente de LADGPS cuando se calcula cualquier solución de posición. Además, un dispositivo con unidad de posicionamiento podría mejorar adicionalmente su integridad de posición calculando soluciones de posición a partir de todas las fuentes LADGPS a la vista antes de facilitar la solución de posición final promediada LADGPS.

De manera alternativa, el dispositivo con unidad de posicionamiento puede ponderar la selección LADGPS de acuerdo con cualquier otro criterio de selección predeterminado, tales como: (a) proximidad del receptor de referencia, es decir, cuanto más próximo se encuentre el receptor de referencia al dispositivo del usuario mayor es la probabilidad de correlación especial multiruta y menor el efecto del error epsilon en la solución diferencial; (b) geometría del receptor de referencia, es decir, una geometría satisfactoria de los dispositivos con unidad de posicionamiento local proporciona una mayor exactitud de las correcciones LADGPS; (c) correlación de fuentes observables, es decir, un receptor de referencia debe ver, como mínimo, el mismo conjunto de satélites y/o pseudolitos (observables) que el dispositivo de usuario; (d) intensidad

de señal/integridad de datos, es decir, los datos deben ser

-27 –

recibidos con una proporción satisfactoria de señal a ruido

para hacer mínima la corrección por error.

Es

particularmente importante, en cuanto a la

exactitud

de pseudodistancia (“pseudorange”), la

multitrayectoria,

particularmente en situaciones de

interiores. Este error de fuente puede producir inexactitudes en la pseudodistancia de decenas de metros. No obstante, los efectos de la multitrayectoria se pueden reducir considerablemente al orden de centímetros, cuando se utilizan métodos de fase portadora. Es preferible que los dispositivos con unidad de posicionamiento utilicen mediciones de fase portadora para la determinación de posición con alta exactitud y eliminación de los efectos multitrayectoria de las pseudodistancias.

Las mediciones del diferencial de fase portadora GPS (CDGPS) están afectadas de la ambigüedad del ciclo entero y, por esta razón, requieren un método para resolver este problema. La solución preferente a la ambigüedad de resolución es la formación de trayectorias amplias (“wide-laning”) de frecuencia dual en situaciones de multitrayectoria. Los enteros pueden ser determinados en una sola época y son determinados posteriormente de manera continua, haciendo, por lo tanto, que los deslizamientos de ciclo no tengan consecuencias.

Haciendo referencia nuevamente a la figura 5, se ha mostrado una red corregida de forma diferencial por fase portadora. Un dispositivo (502) con unidad de posicionamiento corregido de forma diferencial por fase

portadora incorpora un receptor de referencia (503) y un

-28 –

transmisor accionado por impulsos (504) de frecuencia dual co-situado. El receptor de referencia es capaz de recibir señales de posición (506) procedentes de satélites GPS a la vista (501) y señales de posición (505) de todos los transmisores con dispositivo de unidad de posicionamiento a la vista (504). El receptor de referencia (503) determina la posición y el tiempo GPS partiendo, como mínimo, de cuatro señales (506) de GPS y/o transmisiones (505) de dispositivo de unidad de posicionamiento a la vista y transmite esta posición e información de tiempo GPS junto con mediciones (507) LADGPS y CDGPS en tiempo real desde su transmisor accionado a impulsos (504), con frecuencia dual, co-situado. Esto crea una red receptora de referencia distribuida LADGPS/CDGPS. Utilizando soluciones CDGPS en una situación de Sistema de Posicionamiento mediante una Red (NPS) se aumenta la exactitud de la posición hasta varios centímetros. La bien conocida técnica de “doble diferenciación” es utilizada para eliminar errores de reloj.

Protocolos de comunicación

El desarrollo de un Sistema de Posicionamiento mediante una Red (NPS) autointegrante requiere protocolos de comunicación específicos entre los dispositivos con unidad de posicionamiento. Cada uno de los dispositivos con unidad de posicionamiento utiliza Códigos Gold CDMA para satélites de GPS y la captación e identificación de dispositivo con unidad de posicionamiento. La especificación de diseño de GPS, utilizando los números de

Código Gold 1 a 32 para satélites y los números de Código

-29 –

Gold 33 a 37 para pseudolitos. La especificación GPS asigna asimismo otros números de Código Gold a otros sistemas, tales como WAAS y EGNOS. A efectos de integrar dispositivos con unidad de posicionamiento en un sistema GPS estándar, es preferible que los dispositivos con unidad de posicionamiento utilicen Códigos Gold que no han sido ya asignados por el sistema GPS estándar. Los Códigos Gold son

seleccionados

dinámicamente para cada dispositivo con

unidad

de posicionamiento para asegurar que cada

dispositivo

con unidad de posicionamiento tiene una

identidad exclusiva o única dentro de la red a vista.

Los

dispositivos con unidad de posicionamiento son

necesarios para pasar información relevante GPS y NPS por toda la red.

Los componentes GPS comunicados son: (a) tiempo GPS, utilizado para sincronizar y para el cálculo directo a partir de la constelación de GPS, y (b) datos de almanaque de GPS, utilizados para mantener los dispositivos con unidad de posicionamiento en situación de “preparados” (“sky ready”) en lugares con poca visión de los satélites.

Los componentes NPS comunicados son: (a) tiempo NPS, utilizado para sincronizar el tiempo GPS y NPS, incluyendo cualesquiera correcciones NPS y GPS; (b) localización del dispositivo de unidad de posicionamiento expresado en forma de coordenada de posición fija de tierra centrada en tierra (“Earth Centered Earth”) (ECEF); (c) datos NPS LADGPS/CDGPS y (d) datos de almanaque dinámico de NPS (DAD).

Los datos de almanaque dinámicos son necesarios para

integridad de propagación de la red. Haciendo referencia a

-30 –

la figura 6, varios dispositivos con unidad de posicionamiento (602) están colocados en un área en la que se desea la creación y propagación del NPS. El primer dispositivo con unidad de posicionamiento (602-1) tiene dificultad de visión, es decir, está “oscurecido” con respecto al segundo dispositivo (602-2) de unidad de posicionamiento por un edificio (603). No obstante, un tercer dispositivo con unidad de posicionamiento (602-3) puede recibir datos, tanto del primer dispositivo con unidad de posicionamiento (602-1) como del segundo dispositivo con unidad de posicionamiento (602-2). Ello puede conducir a un conflicto potencial de CDMA si el primer dispositivo (602-1) de unidad de posicionamiento empieza la transmisión, por ejemplo, en Código Gold CDMA 33, y el segundo dispositivo (602-2) de unidad de posicionamiento selecciona también al empezar la transmisión en Código Gold CDMA 33. El tercer dispositivo con unidad de posicionamiento (602-3) recibiría entonces dos dispositivos con unidad de posicionamiento en el mismo código Gold CDMA. Este problema potencial puede ser

eliminado

por la utilización de los “datos de almanaque

dinámico” (DAD).

En

el sistema convencional GPS, cada satélite

transmite los mismos datos de almanaque con los que ha sido cargado desde el segmento de control de GPS. Estos datos de almanaque describen todos los parámetros orbitales de los satélites y números de identificación para la totalidad de la constelación de GPS actual.

-31 –

El sistema NPS utiliza un almanaque dinámico que es exclusivo para cada dispositivo de unidad de posicionamiento. Los datos de almanaque dinámico, generados por cada dispositivo con unidad de posicionamiento describe: (a) la posición propia de los dispositivos con unidad de posicionamiento y la ranura TDMA y/o el número de Código Gold CDMA y (b) un catálogo de ranura TDMA y/o un número de Código Gold CDMA y datos de posición para todos los demás dispositivos con unidad de posicionamiento a vista. Un dispositivo con unidad de posicionamiento que requiere integración en la red interrogará a los datos de almanaque dinámico de todos los dispositivos con unidad de posicionamiento a vista para determinar una ranura TDMA adecuada y/o un número de Código Gold CDMA para transmitir. Este protocolo DAD impedirá conflictos de la ranura TDMA y/o número de Código Gold CDMA.

También es posible que los datos de almanaque dinámico incluyan otras informaciones, tales como información doppler de dispositivo con unidad de posicionamiento para captación rápida de satélite y de dispositivo con unidad de posicionamiento, así como identificación exclusiva de usuario para funciones de búsqueda rápida del NPS.

Dado un ancho de banda adecuado de NPS para objetivos de comunicación, es posible que los dispositivos con unidad de posicionamiento envíen datos exclusivos de usuario a través del NPS. Estos datos pueden incluir informaciones tales como ID exclusivo de usuario, posición, tiempo y funciones de instrucción, tales como “envíeme un taxi

ahora”. La información se puede pasar a un servicio de

-32 –

pasarela central, de manera que las peticiones de usuario basadas en localización son recibidas y procesadas. En el ejemplo anterior, la compañía de los taxis emitirá una respuesta confirmando el encargo y facilitando una previsión del tiempo de espera para la llegada del taxi.

La información se puede pasar también por el NPS sin necesidad de un servicio de pasarela central. Esta información puede incluir funciones tales como “hallar”

instrucciones

cuando se buscan otros dispositivos con

unidad de posicionamiento de la red.

Señal preferente y estructura del hardware

Es

muy ventajoso para dispositivos con unidad de

posicionamiento mantener compatibilidad con la tecnología GPS existente. Esto asegura la máxima utilización del hardware GPS existente minimizando al mismo tiempo el coste para la fabricación y miniaturización del dispositivo con unidad de posicionamiento. El NPS permanece íntimamente relacionado con estructuras de GPS existentes al incorporar elementos fundamentales, tales como: (a) transmisiones de espectro extendido de secuencia directa y de tipo senoidal;

(b) “códigos Gold” de 1023 bits, bifásicos, con clave de desplazamiento (“shift key”), modulados pseudoazar; (c) velocidades de corte (“chipping”) de 1,023 MHz; (d) mensajes de navegación bifase, modulados por clave de desplazamiento; (e) técnicas de autocorrelación estándar y hardware de correlación; (f) diseño de receptor RF estándar para recepción L1; (g) diseño de controlador GPS y memoria estándar.

-33 –

No obstante, la infraestructura original GPS no fue designada en ningún momento para integrar un sistema de posicionamiento con base terrestre. Para que el NPS propague la esencia de la tecnología GPS a través de una red de posicionamiento terrestre en propagación, los elementos GPS fundamentales son realzados o intensificados del modo siguiente: (i) desplazamiento de frecuencia para la recepción y transmisión de dispositivos con unidad de posicionamiento, lo que facilita también la utilización de técnicas de resolución de ambigüedad de trayectoria amplia (“wide-lane”); (ii) mayor alcance dinámico del receptor para la recepción del dispositivo con unidad del posicionamiento; (iii) mayor ancho de banda de datos para la navegación y comunicación adicional de mensajes; (iv) utilización de Código Gold con Acceso Múltiple con División de Código (CDMA); (v) protocolos de comunicación para la integración y propagación de los dispositivos con unidad de posicionamiento.

Haciendo referencia a la figura 7, se ha mostrado la realización de hardware preferente del dispositivo con unidad de posicionamiento antes descrito (701), que comprende un receptor de referencia (702) de frecuencia triple y un transmisor pseudolito (703) accionado de forma pulsante con frecuencia dual. El receptor (702) de referencia de frecuencia triple es capaz de recibir códigos pseudoazar de captación/grosera (C/A) desde todos los satélites GPS en L1 (1575,42 MHz) (704) y todos los pseudolitos accionados de forma pulsante con dispositivo

con unidad de posicionamiento en dos frecuencias (705)

-34 –

predefinidas de pseudolito, preferentemente pero sin limitación para la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2,4 GHz. El receptor de referencia (702) de triple frecuencia transmite datos de posición al transmisor pseudolito (703) accionado de forma pulsante, co-situado, con intermedio del enlace de datos (707). La posición calculada es almacenada también en memoria no volátil para referencia futura.

El transmisor pseudolito (703) accionado de forma pulsante con dispositivo con unidad de posicionamiento comprende un transmisor con clave de desplazamiento bifásico de frecuencia dual (BPSK) capaz de transmitir dos códigos individuales de 1023 bit C/A ajustado a una velocidad de 1,023 MHz, preferentemente en la banda ISM de 2,4 GHz. Cada frecuencia (706) tiene un mensaje de navegación de 1000 bps modulado en cada código C/A. Tal como se ha indicado anteriormente, la realización preferente de la estructura de señal NPS sigue íntimamente relacionada con la estructura de señal GPS para conseguir una compatibilidad óptima. Los datos de navegación de GPS estándar son transmitidos a una velocidad de 50 bps. Para mejorar la anchura de banda de comunicación, la realización NPS preferente utiliza un ancho de banda de 1000 bps por portadora. Esto facilita el acceso a un enlace de datos de 2000 bps por pseudolito. Además, se pueden utilizar técnicas de clave de desplazamiento por cuadratura de fase (QPSK) o de compresión de datos en otras realizaciones para ampliar adicionalmente el ancho de banda de comunicación.

-35 –

El pseudolito con dispositivo con unidad de posicionamiento que es la realización preferente, transmite dos frecuencias para la realización de la técnica de resolución de ambigüedad de entero por pista ancha (“wide-lane”). Estas frecuencias son transmitidas dentro de una banda ISM que está desplazada con respecto a la frecuencia GPS L1 de 1575,42 MHz. Esto asegura que las transmisiones del dispositivo con unidad de posicionamiento no interfieren con señales GPS estándar en L1. Otra ventaja de transmitir en una banda ISM es que los dispositivos con

unidad

de posicionamiento pueden ser utilizados sin

aprobación oficial específica.

El

dispositivo con unidad de posicionamiento

preferente es capaz de demodular mensajes de navegación estándar de GPS de 50 bits por segundos (bps) de satélites GPS, mensajes de navegación de 1000 bps de pseudolitos con dispositivo con unidad de posicionamiento y mensajes de navegación de 250 bps procedentes de satélites con Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS). Esto permite que los dispositivos con unidad de posicionamiento utilicen datos disponibles de todas las fuentes, proporcionando la integración más precisa posible sin interrupciones.

Dado que el hardware del dispositivo con unidad de posicionamiento estacionario no está limitado a necesidades de colocación especiales, sería posible fabricar el dispositivo con unidad de posicionamiento dentro de una envolvente que se acopla directamente a un enchufe de pared, por ejemplo. Suponiendo que existe ya una red

limitada a disposición, una vez enchufados, los

-36 –

dispositivos con unidad de posicionamiento se integrarían automáticamente en la red.

Inicialización de la red

Haciendo referencia nuevamente a la figura 5, un primer dispositivo (502-1) con unidad de posicionamiento, que consiste en un receptor de referencia (503-1) y un pseudolito (504-1) co-situado, accionado de forma pulsante con dispositivo con unidad de posicionamiento, investiga por sí mismo, con respecto a la constelación de GPS (501) y determina una posición promedio. De manera alternativa, el dispositivo con unidad de posicionamiento está colocado en una localización conocida de forma precisa. A continuación, el primer receptor de referencia (503-1) con dispositivo con unidad de posicionamiento determina mediciones LADGPS/CDGPS para todas las señales GPS a vista (506) y para su trasmisor pseudolito co-situado, accionado de forma pulsante (504-1). La posición promedio y las mediciones LADGPS/CDGPS son transmitidas a continuación en el mensaje de navegación desde el transmisor pseudolito (504-1) accionado de forma pulsante, co-situado.

Un segundo dispositivo con unidad de posicionamiento (502-2) está situado dentro del alcance del primer dispositivo con unidad de posicionamiento (502-1). El receptor de referencia (503-2) del segundo dispositivo con unidad de posicionamiento recibe señales (506) de satélites GPS y señales del primer transmisor pseudolito (504-1) accionado de forma pulsante con dispositivo con unidad de posicionamiento. El segundo dispositivo (502-2) con unidad

de posicionamiento utiliza las mediciones LADGPS/CDGPS

-37 –

(507) del primer dispositivo (502-1) con unidad de posicionamiento y señales de distancia para determinar una posición exacta. A continuación, el segundo dispositivo (502-2) con unidad de posicionamiento determina mediciones LADGPS/CDGPS para todos los satélites GPS (501) y dispositivos con unidad de posicionamiento (502) a la vista. La posición y las mediciones LADGPS/CDGPS son transmitidas a continuación en el mensaje de navegación desde el transmisor pseudolito (504-2) accionado de forma pulsante co-situado.

Un tercer dispositivo (502-3) con unidad de posicionamiento es situado dentro del alcance del primer dispositivo con unidad de posicionamiento (502-1) y del segundo dispositivo (502-2) con unidad de posicionamiento y determina la posición de la misma manera que el primer dispositivo (502-1) con unidad de posicionamiento y el segundo dispositivo (502-2) con unidad de posicionamiento. Este tercer dispositivo (502-3) con unidad de posicionamiento tiene dos conjuntos de mediciones LADGPS/CDGPS para poder seleccionar.

Un cuarto dispositivo (502-4) con unidad de posicionamiento está situado dentro del alcance del primer dispositivo (502-1) con unidad de posicionamiento, el segundo dispositivo (502-2) con unidad de posicionamiento y el tercer dispositivo (502-3) con unidad de posicionamiento. El cuarto dispositivo (502-4) con unidad de posicionamiento determina ahora su posición de la misma forma que los otros tres dispositivos anteriores con unidad

de posicionamiento. Este cuarto dispositivo (502-4) con

-38 –

unidad de posicionamiento contiene ahora tres conjuntos de mediciones LADGPS/CDGPS entre los que puede seleccionar.

Con un mínimo de cuatro dispositivos con unidad de posicionamiento inicializados, la red puede empezar extensión y propagación sin requerir visión del espacio (“skiview”). Desde este momento en adelante, cualquier dispositivo con unidad de posicionamiento que se encuentre dentro del alcance de cualquier combinación de cuatro satélites GPS o dispositivos con unidad de posicionamiento puede determinar su posición y continuar propagando el NPS.

Se hará referencia a continuación a la figura 8. Con cuatro o más dispositivos estacionarios con unidad de posicionamiento (802-1, 802-2, 802-3, 802-4), situados razonablemente y en funcionamiento es posible recibir señales de cálculo de distancia en satélites situados en lugares con dificultad de visibilidad, tal como los llamados “cañones urbanos” y dentro de edificios (804). Esto permite que un dispositivo (803) con unidad de posicionamiento, cuya visión está obstaculizada con respecto a todas las señales (806) de satélite de GPS, pero que se encuentra a vista de, como mínimo, cuatro dispositivos con unidad de posicionamiento (802-1, 802-2, 802-3, 802-4) tenga la capacidad de determinar su posición. La penetración de la señal del dispositivo con unidad de posicionamiento puede estar limitada dentro de edificios (804). No obstante, una vez que un dispositivo (803) con unidad de posicionamiento situado en un espacio interior, tiene una solución de posición, otros dispositivos con

unidad de posicionamiento se ven capaces de autointegrase y

-39 –

propagarse desde este dispositivo (803) extendiendo el NPS con mayor profundidad dentro de la situación de interiores. Esto permite el desarrollo de una estructura “similar a una malla” de unidades con unidad de posicionamiento. Esta estructura de malla de la red asegura que el NPS consigue ventajas, tales como una geometría satisfactoria, altas potencias de señal, mayor número de observables para cálculo de distancia, resolución instantánea de la ambigüedad, lo cual conduce a una exactitud extremadamente elevada.

Una geometría satisfactoria es esencial para una determinación precisa de la posición y la propagación satisfactoria subsiguiente de dispositivos con unidad de posicionamiento. La geometría es medida con un término sin unidades conocido como “Dilución Geométrica de Precisión” (GDOP). Es preferible que los errores geométricos de propagación sean controlados estrictamente al inhabilitar la propagación de dispositivos con unidad de posicionamiento en condiciones de elevada GDOP. También es preferible que se inicie un umbral a efectos de no utilizar dispositivos con unidad de posicionamiento con valores GDOP excesivos.

Ejemplos de estructuras de red

La realización preferente del NPS permite que un dispositivo único de usuario con unidad de posicionamiento determine su posición de muchas formas distintas dependiendo de las circunstancias del medio circundante.

Un dispositivo de usuario con unidad de

posicionamiento puede ser utilizado como receptor GPS

-40 –

autónomo, capaz de calcular la distancia a partir de un mínimo de tres señales de satélite GPS. Esto facilitará una exactitud de posición aproximadamente de 100 metros 2dRMS.

Un dispositivo de usuario con unidad de posicionamiento es capaz de calcular la distancia a partir de un mínimo de dos señales de satélite GPS y asimismo de calcular una distancia a partir de un satélite de corrección diferencial WAAS facilitando una exactitud de posición diferencial de varios metros.

Un dispositivo de usuario con unidad de posicionamiento es capaz de calcular una distancias desde, como mínimo, dos señales de satélite GPS y también de calcular una distancias desde otro dispositivo con unidad de posicionamiento de tipo estacionario. El dispositivo estacionario con unidad de posicionamiento proporciona una fuente de cálculo de distancia adicional y proporciona asimismo correcciones LADGPS para conseguir una exactitud de posición a nivel de un metro. Un único dispositivo estacionario con unidad de posicionamiento puede proporcionar también correcciones CDGPS si se puede resolver la ambigüedad de ciclo entero inicial. Esto se puede conseguir por el cambio de satélites convencionales o geometría del dispositivo con unidad de posicionamiento de tipo móvil.

Un dispositivo de usuario con unidad de posicionamiento es capaz de calcular una distancia a partir de una serie de señales satélite GPS y también de calcular una distancia a partir de una serie de dispositivos por

unidad de posicionamiento de tipo estacionario, por

-41 –

ejemplo, en los llamados cañones urbanos. Este escenario proporciona amplias fuentes de cálculo de distancia con una geometría satisfactoria. Con acceso a cinco dispositivos con unidad de posicionamiento de frecuencia dual se puede llevar a cabo la resolución de ambigüedad de entero de fase portadora de ruta amplia en una época única, facilitando, de esta manera, una exactitud de centímetros.

Un dispositivo de usuario con unidad de posicionamiento es capaz de calcular una distancia a partir de una serie de dispositivos por unidad de posicionamiento de tipo estacionario únicamente. Esto tiene lugar en lugares en los que hay poca visibilidad de los satélites, tal como en el interior de edificios. Con acceso a cinco dispositivos con unidad de posicionamiento de frecuencia dual se puede llevar a cabo la resolución de ambigüedad de entero de fase portadora de ruta amplia en una época única, facilitando, de esta manera, una exactitud de centímetros.

Realizaciones alternativas

Los dispositivos con unidad de posicionamiento pueden incluir estándares de tiempo de precisión, tal como relojes atómicos, para permitir un posicionamiento absoluto autónomo. En esta realización, los relojes de los dispositivos con unidad de posicionamiento necesitarían ser

monitorizados

y se deberían implementar técnicas de

transferencia

de tiempo para mantener la integridad de

tiempo en la red.

Los dispositivos por unidad de posicionamiento pueden comunicar en base a pares, permitiendo, por lo tanto, que

tenga lugar un posicionamiento relativo entre dispositivos.

-42 –

Esta técnica de posicionamiento relativo se puede extender a una red de dispositivos con unidad de posicionamiento, permitiendo la creación de una estructura de tipo malla de dispositivos con unidad de posicionamiento relativo.

5 Los dispositivos con unidad de posicionamiento de tipo móvil pueden se configurados como dispositivos destinados solamente a recepción. En esta situación, los dispositivos con unidad de posicionamiento del tipo móvil requieren, como mínimo, otros cuatro dispositivos con unidad de

10 posicionamiento transmisores que se encuentran a la vista para la determinación de posición en 3 dimensiones. Se observará, desde luego, que si bien todo lo anterior se ha indicado mediante un ejemplo ilustrativo de la invención, todas las modificaciones y variaciones a la

15  misma que serían evidentes para los técnicos en la materia se considerarán que quedan comprendidas dentro del alcance amplio de la presente invención, tal como se define por las reivindicaciones.

-43 –

Claims (21)

1. REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para la creación de una red de dispositivos (402) con unidad de posicionamiento, en el que

   -cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento recibe señales de posicionamiento (405, 406) permitiendo cada una de dichas señales de posicionamiento la realización de un cálculo de distancia,

   -cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento determina su posición a partir de un mínimo de tres de dichas señales de posicionamiento (405, 406), comportando la determinación un cálculo de distancia llevado a cabo por cada señal de posicionamiento,

   caracterizado porque,

   -cada dispositivo con unidad de posicionamiento transmite una señal de posicionamiento (405, 406) que puede ser utilizada por otros dispositivos con unidad de posicionamiento, y

   -cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento determina su posición a partir de cualquier combinación de un mínimo de tres señales de posicionamiento (405, 406) recibidas de otros dispositivos (402) con unidad de posicionamiento y satélites (401) de un Sistema de Satélites de Navegación Global.
2. 2. Procedimiento, según la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los dispositivos (402) con unidad de posicionamiento acciona de forma pulsante la transmisión de dicha señal (405) de posicionamiento transmitida.

   -44 –

3. 3.

   Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las señales de posicionamiento (405) transmitidas por los dispositivos (402) con unidad de posicionamiento son de frecuencia dual.

4. 4.

   Procedimiento, según la reivindicación 3, caracterizado porque los dispositivos de posicionamiento

   (402) reciben dichas señales de frecuencia dual.

5. 5.

   Procedimiento, según la reivindicación 4, caracterizado porque los dispositivos (402) con unidad de posicionamiento utilizan dichas señales de frecuencia dual para resolver la ambigüedad de ciclo entero con fase portadora.

6. 6.

   Procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque cada uno de los dispositivos

   (402) con unidad de posicionamiento reduce datos de corrección diferencial a partir de señales (405) de posicionamiento recibidas desde otros dispositivos (402) con unidad de posicionamiento.

7. 7.

   Procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque las señales (405) de posicionamiento transmitidas por cada dispositivo (402) con unidad de posicionamiento contiene datos de red.

8. 8.

   Procedimiento, según la reivindicación 7, caracterizado porque todos los dispositivos con unidad de posicionamiento están sincronizados entre sí por tiempo de red distribuidos con intermedio de dichos datos de red.

9. 9.

   Procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque todos los dispositivos (402) con

   unidad de posicionamiento están sincronizados a un Sistema

   -45 –

   de Satélite de Navegación Global por señales (406) de posicionamiento recibidas desde dicho Sistema de Satélites de Navegación Global.
10. 10. Dispositivo (402) con unidad de posicionamiento para llevar a cabo el procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende

    -medios (403) para recibir señales de posicionamiento (405, 406) permitiendo cada una de dichas señales de posicionamiento la realización de un cálculo de distancia,

    -medios para determinar su posición a partir de un mínimo de tres señales de posicionamiento recibidas (405, 406), comportando la determinación un cálculo de distancia llevado a cabo por cada señal de posicionamiento,

    caracterizado porque,

    -comprende además medios (404) para transmitir una señal exclusiva de posicionamiento (405), que permite la realización de cálculo de distancia, y

    -en el que los medios para determinar la posición del dispositivo son adecuados para determinar dicha posición a partir de cualquier combinación de un mínimo de tres señales de posicionamiento (405, 406) transmitidas por dispositivos con unidad de posicionamiento (402) y satélites (401) de un Sistema de Satélites de Navegación Global.
11. 11. Dispositivo, según la reivindicación 10, caracterizado porque dichos medios (404) para transmitir una señal de posición (405) son adecuados para el accionamiento pulsante de la transmisión de dicha señal de

    posición.

    -46 –

12. 12.

    Dispositivo, según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque dichos medios (404) para transmitir una señal de posición (405) son adecuados para transmisión en frecuencia dual de dicha señal de posición.

13. 13.

    Dispositivo, según la reivindicación 12, caracterizado porque dichos medios (403) para recibir señales de posición (405) desde otros dispositivos (402) con unidad de posicionamiento son adecuados para la recepción en frecuencia dual de dichas señales de posición.

14. 14.

    Dispositivo, según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende además medios para resolución de ambigüedad de ciclo entero de fase portadora, utilizando señales de posicionamiento de frecuencia dual recibidas.

15. 15.

    Dispositivo, según una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado por comprender además medios para deducir datos de corrección diferencial a partir de señales de posición recibidas desde otros dispositivos con unidad de posicionamiento.

16. 16.

    Dispositivo, según una de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque la señal de posición (405) transmitida por el dispositivo (402) con unidad de posicionamiento contiene datos de red y porque el dispositivo con unidad de posicionamiento (402) comprende medios para procesar datos de red.

17. 17.

    Dispositivo, según la reivindicación 16, caracterizado porque comprende además medios para sincronizar dicho dispositivo (402) con unidad de

    -47 –

    posicionamiento a través de tiempo de red distribuido con intermedio de dichos datos de red.

18. 18.

    Dispositivo, según una de las reivindicaciones 10 a 17, caracterizado porque comprende además medios para su sincronización a un Sistema de Satélites de Navegación Global utilizando señales de posicionamiento (406) recibidas de los satélites (401) del Sistema de Satélites de Navegación Global.

19. 19.

    Procedimiento para la determinación de la posición de un usuario a partir de señales de posición transmitidas por una red de dispositivos (402) con unidad de posicionamiento, creada por el procedimiento, según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que

    -un receptor (403) recibe señales de posición (405, 406) y determina su posición a partir de, como mínimo, tres de dichas señales de posición, comportando la determinación un cálculo de distancia realizado en cada señal de posición,

    -el receptor (403) emite su posición determinada,

    caracterizado porque

    -el receptor (403) determina su posición a partir de

    cualquier combinación de un mínimo de tres señales (405, 406) de posición recibidas desde dispositivos (402) con unidad de posicionamiento y satélites de un Sistema de Satélites de Navegación Global (401).
20. 20. Procedimiento, según la reivindicación 19, caracterizado porque, como mínimo, algunas de dichas señales de posición (405, 406) recibidas por el receptor

    (403) son de frecuencia dual.

    -48 –
21. 21. Procedimiento, según la reivindicación 19 ó 20, caracterizado porque el receptor (403) deduce además datos de corrección diferencial desde señales de posición recibidas (405, 406).

    5  22. Procedimiento, según una de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado porque el receptor (403) procesa datos de red.