ES2713148T3

ES2713148T3 - Método y aparato para procesar señales de radionavegación para la monitorización atmosférica

Info

Publication number: ES2713148T3
Application number: ES15712637T
Authority: ES
Inventors: James Curran; Michele Bavaro; Joaquim Fortuny-Guasch
Original assignee: European Union represented by European Commission
Current assignee: European Union represented by European Commission
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2019-05-20
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: RU2680711C2; US10663601B2; CA2940330A1; CA2940330C; BR112016022524A2; BR112016022524B1; EP3123201B1; CN106415314B; WO2015144914A1; AU2015238231A1; JP2017514146A; EP3123201A1; EP2924468A1; KR102299105B1; KR20160147775A; RU2016142308A; RU2016142308A3; AU2015238231B2; US20170139050A1; CN106415314A

Abstract

Un sistema de medición para generar mediciones del centelleo de fase ionosférico en base a al menos una señal de un Sistema de Navegación por Satélite Global (GNSS) de un transmisor de satélite de un GNSS, comprendiendo el sistema de medición, en un receptor basado en tierra: un módulo (31) de adquisición de datos, un módulo (32) demodulador y un módulo (33) de algoritmos de monitorización atmosférica dispuestos en una configuración de bucle abierto; en donde el módulo (31) de adquisición de datos se adapta para recibir dicha señal GNSS e incluye un reloj (418) de referencia y un conversor (416) analógico a digital (ADC) acoplado al reloj (418) de referencia, estando el ADC adaptado para generar una pluralidad de muestras (r) de frecuencia intermedia (IF) bajo la temporización del reloj (418) de referencia, teniendo cada muestra de IF una etiqueta de tiempo (TOW) asociada derivada de dicho reloj (418) de referencia; en donde el módulo (32) demodulador se adapta para recibir dichas muestras (r) de IF y asociar las etiquetas de tiempo (TOW) y los datos (35) auxiliares relacionados con dicho sistema de satélite, los datos (35) auxiliares incluyen información (ATM) de efemérides, y se adaptan para generar los valores (Yi) de correlador del mismo; y en donde el módulo de algoritmo de monitorización atmosférica se adapta para recibir dichos valores (Yi) de correlador y generar a partir de estos dichas mediciones (σδ) de centelleo; y en donde el módulo (33) de algoritmos de monitorización atmosférica incluye un algoritmo de reconstrucción del proceso de fase, comprendiendo el algoritmo de reconstrucción del proceso de fase: des voltear los valores actuales (Yi) de correlador por la anterior estimación de fase; estimar la fase (Φ) residual usando un discriminador; y calcular la fase (θ) actual como la suma de la fase anterior y la fase (Φ) residual actual,

Description

DESCRIPCION

Método y aparato para procesar senales de radionavegacion para la monitorizacion atmosferica

Campo tecnico

La presente invencion se relaciona con la medicion de la atmosfera usando receptores en tierra del sistema de navegacion por satelite global y en concreto con la medicion de estadfsticas que pertenecen a la ionosfera y a la actividad ionosferica.

Antecedentes

Las senales de radio en el espacio se usan de manera extensiva para la monitorizacion atmosferica. Ya que estas senales se propagan desde sus transmisores en el espacio hasta la tierra, la atmosfera induce desplazamientos de fase, retardos de grupo, y variaciones de amplitud. Un receptor que procesa estas senales de una manera apropiada puede extraer una estimacion de estas variaciones de fase, retardo y amplitud y puede, a su vez, inferir alguna informacion sobre la atmosfera. Las senales del Sistema de Navegacion por Satelite Global (GNSS) son ampliamente usadas para este proposito, debido a tanto su abundancia, su cobertura mundial, como el hecho de que se transmiten a mas de una frecuencia. La ionosfera y la troposfera se monitorizan usando estas senales ya que ambas inducen unos cambios en la velocidad y direccion de propagacion a las senales transmitidas en la banda L. Para medir estos efectos, se emplean receptores GNSS. Estos receptores siguen la frecuencia y la fase de la portadora y el codigo de intervalo modulado de estas senales y producen mediciones de la potencia de la senal, la fase de la portadora y el retardo del codigo de intervalo. Estos valores, de aqrn en adelante referidos como mediciones de la senal en bruto, se usan despues para calcular diversas propiedades relacionadas con la propagacion de la senal a traves de la atmosfera, de aqrn en adelante seran referidos como mediciones atmosfericas. De manera convencional, para producir estas mediciones de la senal en bruto el receptor realiza un seguimiento de bucle cerrado de los parametros de interes, y los sistemas tfpicos incluyen el uso de un Bucle de Bloqueo de Retardo (DLL) para el codigo de intervalo y un Bucle de Bloqueo de Fase (PLL) para la portadora. Aunque hay disponibles muchos otros sistemas, en general, los receptores se basan en algun tipo de mecanismo recursivo de retroalimentacion/alimentacion hacia delante para producir las mediciones de la senal en bruto.

El calculo de las mediciones atmosfericas es dependiente de tanto la disponibilidad como la calidad de las mediciones de la senal en bruto. Por tanto, cuando los algoritmos de seguimiento del receptor experimentan alguna dificultad para seguir de manera precisa los parametros de la senal, se reduce la calidad de las mediciones atmosfericas resultantes. La implementacion concreta del algoritmo de seguimiento tiene tambien un impacto sobre las mediciones atmosfericas resultantes; por ejemplo, los efectos del filtrado o los errores de transicion dentro de loa algoritmos de seguimiento pueden producir artefactos en las mediciones atmosfericas.

Las anomalfas atmosfericas (por ejemplo, el centelleo ionosferico) pueden producir dificultades para el algoritmo de seguimiento del receptor, y cuando se usa un receptor para medir esta anomalfa se pueden degradar de manera significativa la calidad de las mediciones atmosfericas, debido a bien la calidad degradada de las mediciones de la senal en bruto o debido a su indisponibilidad, cuando fallan los algoritmos de seguimiento. Muchas tecnicas usadas para mejorar la robustez del seguimiento del receptor y la disponibilidad de la medicion, tales como los tiempos de integracion extendidos y los anchos de banda de seguimiento reducidos, contribuyen tambien a la degradacion de las mediciones de la senal en bruto, y por ultimo, resultan en artefactos en las mediciones atmosfericas.

La generacion de ciertas mediciones atmosfericas que incluyen, por ejemplo, la medicion ionosferica conocida como la sigma-phi (o<^p), necesita un filtrado de las mediciones de la senal en bruto. Esta etapa de filtrado, a menudo conocida como de eliminacion de tendencia, tiene un tiempo de convergencia significativamente largo. Cuando se produce una indisponibilidad intermitente de la senal en bruto, la indisponibilidad resultante de las mediciones atmosfericas puede ser mucho mas larga.

Una debilidad en los enfoques contemporaneos es la etapa de estimacion. Los parametros de la senal en bruto son estimados o seguidos por el receptor antes de ser usados para calcular las mediciones atmosfericas. Esta etapa de seguimiento es problematica cuando imperan unas condiciones no ideales. Los inconvenientes de los sistemas convencionales se discutiran en relacion con las Fig. 1 y 2 (TECNICA ANTERIOR), a la vez que se abordan algunos factores tecnicos.

Normalmente la senal GNSS recibida en la antena de un receptor en tierra se modela como:

Donde Ssen es el conjunto de senales satelitales en vista, si (t) denota la i-esima senal recibida desde los satelites visibles y n (t) denota el ruido termico aditivo. Los diversos parametros en la Ec. (1) representan las siguientes propiedades de la senal: Pi es la potencia de senal recibida total en vatios; w es la frecuencia portadora RF nominal en unidades de rad/s; di (t) representa la senal de datos bipodal o el codigo secundario; c (t) es la secuencia de difusion de la senal y la sub portadora; 0i (t) es el proceso de fase total recibida que incluye los retardos de propagacion, las dinamicas satelite-a-usuario; los efectos atmosfericos y los efectos del reloj del satelite; el proceso Ti (t) representa el retardo total observado en el receptor, incluyendo el retardo de propagacion, los efectos del reloj del satelite y los retardos atmosfericos.

En concreto, el termino de fase de la portadora, 0i (t) en la Ec. (1) representa un numero de procesos de fase distintos. Matematicamente, se puede representar como la combinacion lineal:

Donde 0^orepresenta alguna fase inicial arbitraria, 0^{l o s}(t) representa el proceso de fase inducido por la geometria/dinamicas de la lmea de vision entre el satelite y el receptor; 0^{s v Rlj.}(t) representa el proceso de fase inducido por los errores en el reloj del satelite, y 0^Atm.(t) representa el proceso de fase inducido por la atmosfera a traves de la cual se propaga la senal.

La FIG. 1 (TECNICA ANTERIOR) es un diagrama de bloques del Filtro 102-1 Adaptado Digital de un receptor n

convencional, que ilustra como la estimacion local de la fase de la portadora (°>) y el retardo del codigo de intervalo (1') se usan para generar los valores de correlador Yi [n],

Un receptor GNSS implementara, generalmente, una conversion descendente de la senal RF recibida a una IF cero o no cero y posteriormente muestrea la senal. Estas muestras (r) de la senal son procesadas despues por un Filtro 102-1 Adaptado Digital (DMF) que implementa la siguiente operacion:

j-donde las variables y son las estimaciones del receptor de las variables ii y 0j, tal como se definen en la Ec. (1), y el termino Yi [n] es conocido como el valor correlador.

La operacion descrita por la Ec. (3) se implementa en el receptor en su algoritmo de seguimiento como parte de los bucles de seguimiento de la fase de la portadora y de la fase del codigo de intervalo.

La FIG. 2 (TECNICA ANTERIOR) es un diagrama de bloques de una arquitectura de seguimiento de bucle cerrado que describe un bucle para tanto un bucle 104 de seguimiento de la portadora como un seguimiento 106 del codigo de intervalo. Como se apreciara por las personas expertas en la tecnica, un banco 102 DMF incorpora una pluralidad de casos 102-1, 102-2, 102-3 (esto es, uno por canal, aqrn, solo se muestran tres).

Una implementacion tfpica sigue al diagrama de bloques presentado en la FIG. 2, mediante el cual los valores de correlador, Yi [n], son procesados por el bloque 104 de seguimiento de la portadora y el bloque 106 de seguimiento del codigo de intervalo para producir estimaciones de los parametros de serial '» (mTs) y { (mTs), que, a su vez, se usan para generar el siguiente conjunto de valores de correlador Yi [n].

Los algoritmos concretos que se usan para estimar las propiedades y atributos de la atmosfera a traves de la cuales se han propagado las senales GNSS se implementan en el bloque titulado ‘Algoritmos de Monitorizacion Atmosferica’ 108. Estos algoritmos operan en las siguientes cantidades: Yi [n], como generado por el DMF 102 y y ‘ que son estimados por los algoritmos de seguimiento. El rendimiento de los algoritmos de monitorizacion esta directamente influenciado por la calidad de las mediciones de la senal en bruto y por tanto el correcto funcionamiento de ambos algoritmos de seguimiento de la portadora y del codigo de intervalo es crucial para los receptores de monitorizacion atmosferica. Un problema es que bajo altas variaciones en las condiciones de la actividad atmosferica en el canal de propagacion el desempeno de estos algoritmos de seguimiento puede ser pobre o fallar.

YORK J ET AL:” Desarrollo de un Prototipo de Receptor de Tierra Ionosferico Texas (TIGR)”, ITM 2012 - ACTAS DE LA REUNION TECNICA INTERNACIONAL DE 2012 DEL INSTITUO DE NAVEGACION, EL INSTITUTO DE NAVEGACION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, EE.UU., 1 de Febrero del 2012 (01-02 2012), paginas 1526-1556, XP056000936, describe un receptor software disenado para hacer mediciones de la ionosfera a partir de las senales de satelite, los datos RF se muestrean de manera directa a traves de un ADC de dos Giga muestras/s y se pasan a una FPGA, donde se filtra digitalmente, y se muestrea de manera descendente en tres bandas sintonizables, cada una con un ancho de banda de 20MHz. Se pasa un flujo de datos digitales reducido a una segunda FPGA, donde los canales individuales se filtran en multiples bandas de senal estrechas, centradas en la frecuencia de la senal de satelite ajustada para compensar el desplazamiento Doppler predicho. La estimacion de la fase y amplitud de la senal en estos datos se logra mediante el uso de un software a bordo ejecutado en una CPU de proposito general.

LULICJ T D ET AL: “Seguimiento de Bucle Abierto de Senales de Ocultacion Radio desde una plataforma aerotransportada”, GNSS 2010 - ACTAS DE LA 23 REUNION TECNICA INTERNACIONAL DE LA DIVISION DE SATELITES DEL INSTITUTO DE NAVEGACION (ION GNSS 2010), EL INSTITUO DE NAVEGACION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, EE.UU., 24 de Septiembre del 2010 (24-09-2010), paginas 1049-1060, XP056000217, describe la ocultacion radio (RO) basada en la tecnica de deteccion remota que usa senales del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para determinar la densidad de electrones en la ionosfera, usando un metodo de seguimiento por bucle abierto (OL) que emplea una estimacion de la frecuencia Doppler basada en modelo y un registro de los bits de datos del GPS.

G. BEYERLE ET AL: “Observaciones y simulaciones de sesgos de refractividad inducidos por el receptor en la ocultacion de radio por GPS”, DIARIO DE INVESTIGACION GEOFfSICA, vol. 111, n° D12, 1 de Enero del 2006 (01 01-2006), XP055158431, ISSN: 0148-0227, DOI: 10.1029/2005J D006673 describe las observaciones y simulaciones de sesgos de refractividad inducidos por el receptor en la ocultacion de radio por GPS.

NIU F ET AL: “Métodos de eliminacion de la tendencia de la fase de Portadora en GPS y Actuaciones para los Estudios del centelleo de la Ionosfera”, ITM 2012 - ACTAS DE LA REUNION TECNICA INTERNACIONAL DE 2012 DEL INSTITUO DE NAVEGACION, EL INSTITUO DE NAVEGACION, 8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS, VA 20109, EE.UU., 1 de Febrero del 2012 (01-02-2012), paginas 1462-1467, XP056000934, describe los metodos de eliminacion de la tendencia de fase de portadora del GPS y las actuaciones para los estudios del centelleo de la ionosfera. La eliminacion de tendencia hace uso de un filtro Butterworth de 6° orden.

La presente invencion busca ademas producir mediciones atmosfericas derivadas de las mediciones de la senal en bruto de las senales de radionavegacion (por ejemplo, GNSS) que son generadas de una manera puramente de bucle abierto.

La presente invencion busca generar las mediciones atmosfericas incluso en circunstancias de mediciones de senal en bruto de pobre calidad y/o de gran actividad atmosferica.

Compendio de la invencion

Segun un aspecto de la invencion se proporciona un sistema de medicion para generar mediciones atmosfericas basadas en al menos una senal de radionavegacion de un transmisor de satelite de un sistema de radionavegacion, comprendiendo el sistema de medicion: un modulo de adquisicion de datos, un modulo demodulador y un modulo de algoritmos de monitorizacion atmosferica dispuestos en una configuracion de bucle abierto; en donde el modulo de adquisicion de datos incluye un reloj de referencia, estando el modulo de adquisicion de datos adaptado para recibir dicha senal de radionavegacion y generar una pluralidad de muestras (r) de IF, teniendo cada muestra una etiqueta de tiempo asociada (TOW) derivada desde dicho reloj de referencia; en donde el modulo demodulador se adapta para recibir dichas muestras (r) de IF y asociar etiquetas de tiempo (TOW) y de manera auxiliar relacionar los datos a dicho sistema de satelite, y se adapta para generar valores (Yⁱ) de correlador del mismo; y en donde el modulo de algoritmo de monitorizacion atmosferico se adapta para recibir dichos valores (Yⁱ) de correlador y generar a partir de los mismos las mediciones de centelleo de fase tal como se define en las reivindicaciones adjuntas 1 y 2.

El modulo de adquisicion de datos se puede adaptar para emitir dicha muestra (r) de IF como una muestra (r) de IF etiquetada, comprendiendo cada muestra (r) de IF etiquetada una muestra (r) de IF etiquetada con una respectiva etiqueta de tiempo (TOW).

El modulo demodulador se puede adaptar para recibir dichas muestras (r) de IF, a traves de las cuales cada valor (Yⁱ) de correlador generado por el modulo (32) demodulador se asocia con una respectiva etiqueta de tiempo (TOW). El modulo de adquisicion de datos puede comprender un conversor analogico a digital (ADC) para generar las muestras (r) de IF, estando el ADC acoplado al reloj (418) de referencia y generando las muestras (r) de IF bajo la temporizacion de este.

El modulo de adquisicion de datos puede comprender un modulo de etiquetado de tiempo adaptado para emitir dichas etiquetas de tiempo (TOW) de manera smcrona con las respectivas muestras (r) de IF.

El modulo de adquisicion de datos puede comprender un modulo de etiquetado de tiempo acoplado al reloj de referencia, estando el modulo de etiquetado de tiempo adaptado para funcionar como un contador local que representa el tiempo local, siendo el contador local incrementado segun se genera cada muestra (r) de IF.

El modulo de adquisicion de datos puede comprender un conversor descendente adaptado para generar las senales de IF analogicas a partir de las senales de radionavegacion, funcionando el conversor descendente en base a una senal de conversion derivada desde la salida del reloj de referencia.

El modulo de adquisicion de datos puede comprender un PLL acoplado para recibir la salida del reloj de referencia, en donde el PLL lleva un VCO que proporciona la senal de conversion al conversor descendente.

El reloj de referencia puede tener un grado de alineamiento con una trama de tiempo de la senal de radionavegacion de menos de una decima parte del periodo de un chip de codigo de intervalo de la senal de radionavegacion.

El reloj de referencia puede tener un grado de alineamiento con una trama de tiempo de la senal de radionavegacion de manera tal que se pueda usar para propagar una estimacion de tiempo, para la generacion de etiquetas de tiempo, con una precision de aproximadamente 1 nanosegundo.

El reloj de referencia se puede adaptar para propagarse desde un punto de sincronizacion inicial, correspondiente a una etiqueta de tiempo inicial, hacia delante en el tiempo.

En una realizacion, el reloj de referencia comprende un reloj perfectamente modelado, en donde dichas etiquetas de tiempo se derivan de las senales de tiempo propagadas desde un punto de sincronizacion de senal en el pasado usando un periodo de muestreo predeterminado.

En otra realizacion, el reloj de referencia comprende un oscilador disciplinado, incluyendo el oscilador disciplinado un oscilador interno y estando adaptado para recibir una senal de reloj de control de un estandar de frecuencia externo. El sistema se puede hacer funcionar en una fase de iniciacion y una fase de adquisicion de datos, en donde el reloj de referencia se puede hacer funcionar de manera tal que el control del oscilador disciplinado este activo durante la fase de iniciacion y deshabilitado durante la fase de adquisicion de datos. El estandar de frecuencia externo puede estar proporcionado por una de entre una senal GNSS y una senal del Oscilador Disciplinado GPS (GPSDO).

En otra realizacion, el reloj de referencia comprende un reloj de funcionamiento libre sobre el que se realiza el modelado en vivo de sus parametros desconocidos usando un algoritmo de estimacion de reloj. El reloj de referencia se puede hacer funcionar para medir los parametros de reloj estimados, y propagar de manera precisa las etiquetas de tiempo desde un punto de sincronizacion inicial basado en los parametros de reloj estimados. Los parametros de reloj estimados se pueden medir a partir de las senales de radionavegacion de un primer conjunto de transmisores en satelite y en donde la senal o senales de radionavegacion recibidas por dicho modulo de adquisicion de datos son de uno o mas transmisores de satelite, de un segundo conjunto de transmisores de satelite.

Los datos auxiliares pueden incluir un parametro (Rec.)relacionado con el receptor, representando el parametro relacionado con el receptor una trayectoria continua a trozos de la antena del receptor en una trama fija de tierra, centrada en la tierra.

Los datos auxiliares pueden incluir los parametros (S.V.) orbitales de un satelite en el cual se monta el transmisor. Los parametros (S.V.) orbitales pueden comprender efemerides de difusion. Las efemerides de difusion pueden comprender las efemerides GNSS o las efemerides precisas.

Los datos auxiliares pueden incluir la informacion (ATM) de efemerides.

El modulo demodulador puede incluir un modelo de receptor de usuario para recibir una etiqueta de tiempo (TOW) y el parametro (Rec.) relacionado del receptor, y para emitir el retardo (StRx) de tiempo relacionado con el receptor. El modulo demodulador puede incluir un modelo (506) de vehnculo en el espacio, estando el modelo de vehnculo en el espacio adaptado para recibir una etiqueta de tiempo (TOW) y los parametros (S.V.) orbitales, y para generar un retardo (5tSv) de tiempo relacionado con el vehnculo en el espacio.

El modulo demodulador puede incluir un modelo atmosferico, estando el modelo atmosferico adaptado para recibir la etiqueta de tiempo (TOW), el retardo (StRx)de tiempo relacionado al receptor, el retardo (5tSv) de tiempo relacionado con el vehnculo en el espacio y la informacion (Atm.) de efemeride y emitir un diferencial (5tA) de tiempo relacionado con la atmosfera.

El modulo demodulador se adapta para genera una primera suma que comprende la suma del diferencial (StRx) de tiempo relacionado con el receptor y el diferencial (StSv) de tiempo relacionado con el vehnculo en el espacio, y para generar una segunda suma que comprende la suma de la primera suma y del diferencial (5tA) de tiempo relacionado con la atmosfera para generar un retardo (tSiG) de tiempo relacionado con la senal.

El modulo demodulador puede incluir ademas un MCO de codigo y portadora, adaptado para recibir el retardo (tsiG) de la serial, y para generar una estimacion C®i) para la entrada a un DMF.

El modulo de algoritmos de monitorizacion atmosferica puede incluir un algoritmo de reconstruccion del proceso de fase, comprendiendo el algoritmo de reconstruccion del proceso de fase:

des voltear los valores actuales (Yi) de correlador por la anterior estimacion de fase;

estimar la fase (<£) residual usando un discriminador; y

calcular la fase (0) actual como la suma de la fase anterior y la fase ($) residual actual.

El modulo de algoritmo de monitorizacion atmosferica puede incluir un algoritmo de proceso de diferencia de fase, siendo posible hacer funcionar el algoritmo de proceso de diferencia de fase para reconstruir la diferencia de fase usando

En una realizacion, en donde o9 se puede calcular a partir de los valores A [n] usando un filtro dado por

para generar valores para $.

En una realizacion, o9 se obtiene de o92 usando la funcion

Segun otro aspecto de la invencion se proporciona un metodo de medicion para generar mediciones atmosfericas basadas en al menos una serial de radionavegacion de un transmisor de satelite de un sistema de radionavegacion, comprendiendo el metodo: proporcionar un modulo de adquisicion de datos, un modulo demodulador y un modulo de algoritmos de monitorizacion atmosferica dispuestos en una configuracion de bucle abierto, en donde el modulo de adquisicion de datos incluye un reloj de referencia; recibir, usando el modulo de adquisicion de datos, dicha senal de radionavegacion y generar a partir de la misma una pluralidad de muestras (r) de IF, teniendo cada muestra una etiqueta de tiempo (TOW) asociada derivada de dicho reloj de referencia; recibir, usando el modulo demodulador, dichas muestras (r) de IF y las etiquetas de tiempo (TOW) asociadas y los datos auxiliares relacionados con dicho sistema de satelite, y generar los valores (Yⁱ) de correlador del mismo; y recibir, usando el modulo de algoritmo de monitorizacion atmosferica, dichos valores (Yⁱ) de correlador y generar a partir de ellos las mediciones de centelleo de fase tal como se define en las reivindicaciones adjuntas 12 y 13.

Segun otro aspecto de la invencion se proporciona un medio registrable, regrabable o almacenable que tenga registrado o almacenado en este los datos que definen o que se pueden transformar en instrucciones para su ejecucion por la circuiteria de procesamiento y que corresponden a al menos los pasos de la reivindicacion 32 de las reivindicaciones adjuntas.

Segun otro aspecto de la invencion se proporciona un ordenador servidor que incorpora un dispositivo de comunicaciones y un dispositivo de memoria y que se adapta para la transmision bajo demanda o de cualquier otra forma de los datos que definen o se pueden transformar en instrucciones para su ejecucion por la circuiteria de procesamiento y que corresponden a al menos los pasos de la reivindicacion 32 de las reivindicaciones adjuntas. Una ventaja es que mediante el uso apropiado de alguna informacion de ayuda relacionada al tiempo y la posicion del receptor, y modificando el metodo de calculo de las mediciones atmosfericas, la etapa de seguimiento se puede evitar por completo, produciendo asf un sistema de monitorizacion mas robusto.

Una ventaja adicional es que, operando en un modo de bucle abierto y evitando la necesidad de una estimacion de fase continua y completa, las realizaciones de la invencion proporcionan resistencia a los ambientes de senales debiles, un seguimiento robusto bajo una muy severa actividad ionosferica, y una mayor disponibilidad de mediciones que con las arquitecturas tradicionales de receptor.

Breve descripcion de los dibujos

Las realizaciones de la invencion se describiran ahora a modo de ejemplo en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La FIG. 1 (TECNICA ANTERIOR) es un diagrama de bloques del Filtro 102-1 Emparejado Digital de un receptor a y convencional, que ilustra como se usan las estimaciones locales de la fase ( ‘ ) de portadora y del retardo ( >) de del codigo de intervalo para generar los valores Yi [n] de correlador;

La FIG. 2 (TECNICA ANTERIOR) es un diagrama de bloques de una arquitectura de seguimiento de bucle cerrado tipica que representa un bucle para tanto un bucle 104 de seguimiento de portadora como un seguimiento 106 del codigo de intervalo;

La FIG. 3 es un diagrama de bloques de la arquitectura de sistema del sistema de medicion segun una realizacion de la invencion;

La FIG. 4 es un diagrama de bloques del modulo 31 de adquisicion de datos de la Fig. 3;

La FIG. 5 es un diagrama de bloques del modulo 32 de demodulacion de bucle abierto de la Fig.3;

La FIG. 6 es un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, de calculo del valor de S4 dada una serie de valores de correlador, Yi;

La FIG. 7 es un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, de calculo del n

valor de o<p dada una serie de estimaciones de fase, ;

La FIG. 8 es un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, de reconstruccion de fase a partir de los valores de correlador, Yi, que calculan la fase actual;

La FIG. 9 es un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, de calculo del valor de o<p dada una serie de estimaciones de diferencia de fase de correlador, Zk;

La FIG. 10 es una trama de S4 en el tiempo calculada mediante tanto el Método 1 como el Método 2, usando el algoritmo representado en la FIG. 6, y comparada con un valor de referencia proporcionado por un receptor de monitorizacion atmosferica comercial; y

La FIG. 11 es una trama de o<p en el tiempo calculada mediante tanto el Método 1 como el Método 2, llevada a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, usando los algoritmos representados en la FIG. 7 y la FIG. 9, y comparado con un valor de referencia proporcionado por un receptor de monitorizacion atmosferica comercial.

Descripcion detallada de las realizaciones

La arquitectura de sistema se puede organizar en tres bloques principales: la Adquisicion 31 de Datos (DAQ), el Demodulador 32 de Bucle Abierto (OLD) y los Algoritmos 33 de Monitorizacion Atmosferica (AMA).

Para superar los problemas y desventajas asociados con las arquitecturas de seguimiento de bucle cerrado de alimentacion hacia delante o de retroalimentacion en los receptores GNSS, las realizaciones de la presente invencion utilizan una arquitectura de bucle abierto. Una realizacion de la invencion se compone, como se representa en la FIG. 3, de los siguientes componentes: un modulo 31 de adquisicion de datos (DAQ), un demodulador 32 de bucle abierto (OLD) y un modulo 33 de algoritmos de monitorizacion atmosferica (AMA) que incorporan un conjunto de algoritmos de monitorizacion atmosferica. Como se discutira en mas detalle mas adelante, el modulo 31 DAQ recibe las senales (por ejemplo GNSS) en bruto y emite muestras (r) de IF, teniendo cada una asociada una etiqueta de tiempo (TOW). El demodulador 32 recibe la r y la TOW y, en base a estos y a los datos auxiliares (generalmente designados 35), genera los valores Yi de correlador, que se emiten al modulo 33 AMA. La FIG. 4 es un diagrama de bloques del modulo 31 de adquisicion de datos de la Fig. 3.

El modulo 33 DAQ, representado en la FIG. 4, realiza las tareas de adquisicion de las muestras (r) de frecuencia intermedia para una o mas bandas GNSS desde la antena 402. Las senales recibidas en la antena 402 son amplificadas por un amplificador 404 de bajo ruido (LNA), pasadas a traves de un filtro 406 RF de paso banda y un amplificador 408 adicional, hasta un conversor 410 descendente, que las convierte a IF. Las senales IF emitidas desde el conversor 410 descendente se someten a una amplificacion adicional en el bloque 412 de ganancia, y se pasan a traves de un filtro 414 IF paso banda, antes de ser convertidas en muestras (r) digitales (de IF) en el ADC 416. Se usa un reloj 418 preciso para realizar la conversion descendente y digitalizar las muestras de manera tal que se proporcione una etiqueta de tiempo que se alinee de manera precisa con UTC o un sistema de tiempo GNS^s, denotado aqrn como TOW 420, para cada muestra r de IF. La senal 422 de reloj del reloj 418 de referencia se suministra al PLL 424, que forma un bucle con el VCO 426, siendo la salida 426 del VCO aplicada al conversor 410 descendente para la generacion de las senales de IF. (Como sera apreciado por las personas expertas en la tecnica, si los datos de IF se pueden transmitir directamente al modulo 32 OLD (Fig. 3) para su procesamiento en tiempo real o se pueden transmitir a un disco de almacenamiento para su procesado posterior). Una caractenstica clave de la DAQ es el reloj 418 de referencia. Preferiblemente, el reloj 418 de referencia se sincroniza de manera precisa con UTC o un sistema de tiempo concreto de GNSS o es bien conocida su compensacion. Sin embargo, en las realizaciones preferidas, es necesario que el reloj 418 de referencia no sea controlado directamente desde el sistema GNSS durante la adquisicion de datos, ya que esto violana el principio de bucle abierto sobre el cual funcionan las realizaciones del sistema. Las realizaciones concretas del reloj 418 de referencia de la DAQ 31 se discutira con mas detalle mas adelante.

Volviendo a la Fig. 3, el modulo 32 OLD acepta como entradas las muestras r de IF y las etiquetas de tiempo asociadas, (TOW y r) de la DAQ 31, y tambien la informacion 35 auxiliar; en la presente realizacion, esto ultimo incluye las efemerides satelitales, la informacion de posicion del receptor y la informacion atmosferica, respectivamente denotadas como S.V., Rec. y Atm. en la FIG. 3, aunque una, algunas o todas estas se pueden usar. Preferiblemente, para cada muestra de r, la TOW correspondiente se usa en conjuncion con la informacion 35

S.V., Rec. y Atm. para predecir los valores de los parametros de serial recibidos, denotados como y Esencialmente, esta informacion se puede usar para predecir el canal de propagacion consistente en el rango geometrico, el efecto relativista, cualquier efecto atmosferico conocido y/o determinista, el reloj del satelite y los sesgos de hardware y cualquier sesgo de receptor conocido. Estos parametros de senal se pasan entonces a un DMF, que puede ser un DMF 102 estandar como se representa en la FIG. 1 para producir los valores de correlador, Y [n]. El DMF 102 realiza el borrado de portadora y de codigo de intervalo y despues la operacion de integracion y descarga para producir los valores Y[n] de correlador. Referente al proceso de fase descrito en la Ec. (2), los procesos 0^{l o s}(t) y 0^{s v Rlj.}(t) se eliminan, dejando solo aquellos que corresponden a los errores de atmosfera y residuales que provienen de los errores en las efemerides satelitales. Al menos se produce un valor Y[n] de correlador para cada senal que se captura dentro de los datos de IF, para cada satelite visible, aunque se pueden generar valores de correlador extras, correspondientes a las compensaciones particulares en ya sea uno o ambos de entre el retardo de codigo de intervalo y la fase de portadora.

El modulo 33 AMA acepta como entrada los valores Y[n] de correlador generados por el modulo 32 OLD y los usa para producir diversas mediciones de la atmosfera. El modulo puede implementar una variedad de algoritmos que proporcionan informacion sobre el estado de la atmosfera o los niveles de actividad atmosferica. En concreto, el modulo 33 AMA puede realizar la generacion de mediciones que se relacionan con la actividad ionosferica, incluyendo aquellas que describen o cuantifican el centelleo. Aunque muchos receptores usan tanto los valores Y[n] de correlador como una estimacion de fase completa, explotando las caractensticas de los algoritmos, el modulo 33 AMA puede implementar los algoritmos de medicion ionosferica estandar con solo Yⁱ.

Referente a la Fig. 4, el modulo 31 DAQ incorpora la antena 402 receptora y procesa las senales GNSS RF recibidas. La salida de este bloque es un flujo etiquetado en el tiempo de manera precisa de datos GNSS digitales (r, TOW). La ultima es esencialmente una representacion digital de la senal GNSS, como es recibida por la antena, donde cada muestra r esta emparejada con una etiqueta en el tiempo TOW precisa. El tiempo se puede expresar en la trama de tiempo local (receptor) o en la trama de tiempo remota (vetuculo espacial, transmisor). En cada caso, un contador local, que representa el tiempo actual, se puede incrementar segun cada muestra r de la senal de IF es registrada por el conversor 416 analogico a digital. El valor de este contador se empareja con esta muestra r, que representa la etiqueta de tiempo TOW.

Preferiblemente, se usa un reloj 418 suficientemente preciso para recopilar los datos de IF y generar las etiquetas de tiempo (TOW). Mas preferiblemente, para monitorizar el centelleo, el reloj 418 necesita presentar un muy bajo ruido de fase. Las realizaciones de la presente invencion tambien imponen un segundo requisito sobre la deriva del reloj y las caractensticas de la tasa de deriva, que necesita ser suficientemente estable para ajustarse al modelo conocido durante la duracion completa de la operacion de adquisicion de datos. El grado de alineamiento con una trama de tiempo GNSS dada que es necesaria esta determinado por las caractensticas de la senal que se monitoriza y de manera nominal se toma para ser menor que una decima parte del periodo del chip de codigo de intervalo. Segun las realizaciones, se puede emplear una implementacion diferente, como se expone mas adelante.

Por ejemplo, una implementacion en vivo de la invencion usa una interfaz GNSS y un digitalizador. Normalmente dicho sistema esta compuesto de un bloque de pre condicionamiento de senal (pre amplificadores y filtros), uno o mas sintetizadores y mezcladores, filtros de anti solapamiento y un Conversor Analogico a Digital (ADC). El reloj usado para sintonizar los osciladores locales debena abarcar tambien el ADC. Una implementacion posterior a la mision involucra la transmision de datos desde un archivo que fue capturado anteriormente con un digitalizador GNSS.

El proceso de etiquetado del tiempo de un flujo de muestras GNSS es conducido por un unico reloj 418, como se representa en la FIG. 4. Es importante que este reloj este alineado con una trama de tiempo GNSS y que se pueda usar para propagar una estimacion del tiempo, para la generacion de etiquetas de tiempo, con una precision muy alta (“ 1.- nanosegundo).

En una realizacion, se usa un reloj 418 perfecto (esto es, perfectamente modelado). En este caso el modulo 31 DAQ simplemente propaga el tiempo desde un punto de sincronizacion unico en el pasado usando el periodo de muestreo predecible.

Otra realizacion implica confiar en un Oscilador Disciplinado (DO). En este caso el modulo 31 DAQ requiere que el oscilador de referencia mantenga el alineamiento durante el periodo de tiempo durante el que se adquieren los datos. Los osciladores disciplinados generalmente contienen un oscilador interno y explotan un estandar de frecuencia externo para proporcionar correcciones, o modificaciones, al oscilador interno. Una fuente comun de estandar de frecuencia externo es una senal GNSS. En el caso en que el control no venga de un GNSS (esto es usando un Oscilador Disciplinado GPS (GPSDO)), se debe asegurar que el control se realiza antes de que comience el proceso de adquisicion de datos. Ademas, se debe asegurar que el dispositivo tiene un suficientemente bueno rendimiento de retencion para mantener el alineamiento a lo largo de todo el proceso de recogida de datos. Por supuesto, dicha implementacion puede emplear un estandar, fuera de plataforma, GPSDO como reloj de referencia, y elegir deshabilitar la accion de control durante el periodo de adquisicion de datos.

En otra realizacion, en la que se usa un reloj de funcionamiento libre, se realiza el modelado en vivo de sus parametros desconocidos (esto es la deriva y la tasa de deriva) usando un algoritmo de estimacion del reloj a medida. En esencia, esto es equivalente a la realizacion del parrafo anterior, en el sentido de que se usa el sistema GNSS como una referencia, contra la cual se estiman los parametros desconocidos del reloj de referencia. Sin embargo, mas que intentar modificar, o disciplinar el oscilador, los parametros de reloj estimados simplemente se miden, y se usan para propagar de manera mas precisa las etiquetas de tiempo desde un punto de sincronizacion inicial. Un caso especial de esto es el post procesamiento de los datos previamente adquiridos. Los datos se procesan posteriormente y una (o mas) senales de satelite que parecen no estar afectadas, o solo estar afectadas de manera leve, por la anomalfa atmosferica bajo prueba se pueden utilizar para estimar los parametros de reloj desconocidos. Observe que el conjunto de satelites usados para estimar los parametros de reloj desconocidos y aquellos usados para monitorizar la atmosfera deben ser mutuamente exclusivos. Este enfoque se ha usado extensamente para validar los resultados en contra de los archivos de centello almacenados anteriormente en el tiempo sin usar una caractenstica de etiquetado de tiempo precisa.

Las tres realizaciones anteriormente mencionadas del reloj 418 de referencia representan un medio de propagacion de un punto de sincronizacion inicial, desde una etiqueta de tiempo inicial, hacia delante en el tiempo. En todos los casos se debe lograr esta sincronizacion de tiempo inicial. En las realizaciones, esto se hace procesando la salida, r, de la DAQ 31. Estas muestras se pueden procesar como se hace en un receptor GNSS tfpico, se aplican los algoritmos de bucle cerrado a las muestras r y se calcula una posicion y tiempo fijos. Este tiempo fijo proporcionara el punto de sincronizacion inicial para el proceso de etiquetado de tiempo.

La FIG. 5 es un diagrama de bloques del modulo 32 de demodulacion de bucle abierto de la Fig. 3.

El modulo 32 Demodulador de Bucle Abierto (OLD) procesa las muestras r de IF producidas por el modulo 31 DAQ para producir los valores Yi de correlador. Las entradas necesarias al modulo 32 OLD incluyen preferiblemente: un flujo etiquetado de tiempo de manera precisa de los datos GNSS (r, TOW); dinamicas de usuario, dinamicas de vetnculo espacial (incluyendo el reloj de abordo), y los retardos atmosfericos. Observe que los retardos inducidos en el lado del receptor son modelados por/absorbidos en las etiquetas de tiempo TOW de la muestra de IF. El modulo produce como salidas los valores Yi de correlador para cada una de las senales de satelite visibles. Un periodo de integracion coherente tfpico es de 1 ms, sin embargo una implementacion mas general puede usar periodos mas cortos o mas largos.

El OLD 32, como se representa en la FIG. 5, esta compuesto de dos sub bloques principales: un sintetizador 502 de senal GNSS y un DMF 102. El sintetizador reproduce las senales de satelite tal como se debenan observar en la antena 402 receptoras (Fig. 4) en la ubicacion y en el tiempo espedficos del usuario. Para hacer esto, la trayectoria de la antena 402 de usuario necesita ser bien cero o conocida de manera precisa. Esto se logra proporcionando la entrada, denotada como 'Rec.' en la FIG. 5, que representa una trayectoria continua a trozos de la antena 402 receptores en una trama fija de tierra, centrada en la tierra. El OLD 32 comprende de manera adecuada un modelo de receptor de usuario para recibir una etiqueta de tiempo (TOW) y la entrada Rec; y el modulo 504 receptor de usuario emite un retardo A(t)Rx de tiempo.

Las dinamicas de la senal del satelite se generan usando parametros orbitales y correcciones de reloj combinadas con la referencia de tiempo precisa. Los parametros de este modelo de trayectoria se denotan en la FIG. 5 por la variable 'S.V.'. Estos parametros orbitales son referidos a menudo como efemerides y pueden tener la forma de un conjunto de efemerides de difusion, como son proporcionadas por el GNSS, un conjunto de asf llamadas efemerides precisas de una tercera parte, o cualquier otro modelo de trayectoria adecuado. Los ejemplos tfpicos son los conjuntos de difusion de parametros Keplerianos usados para GPS, Galileo y BeiDou, o las posiciones Cartesianas y el modelo de derivadas usado para GLONASS, otras opciones incluyen los modelos de efemerides precisas proporcionados por terceras partes tales como el Servicio GNSS Internacional (IGS). El OLD 32 tambien incluye de manera adecuada un modelo 506 de vehfculo espacial; y el modelo 506 de vehfculo espacial se adapta para recibir una etiqueta de tiempo (TOW) y los parametros (S.V.) orbitales y para generar un retarde 8tSv de tiempo relacionado con el vehfculo espacial. Finalmente, las estimaciones de los retardos atmosfericos se producen cada una usando otro modelo, parametrizado de manera adecuada que usa valores conocidos o informacion de efemerides auxiliares, esta informacion se denota en la FIG. 5 por la variable 'Atm.'. Los modelos tipicos incluyen los modelos Klobuchar o NeQuick para la ionosfera y el modelo Saastamoinen para la troposfera, por citar solo algunos. El modelo 508 atmosferico se adapta para recibir la etiqueta de tiempo (TOW), el retardo (St^Rx) de tiempo relacionado con el receptor, y el retardo (5t^{s v}) de tiempo relacionado con el vehfculo espacial y la informacion (Atm.) de efemerides. A partir de estos, el modelo 508 atmosferico genera un retardo (5t^A) de tiempo relacionado con la atmosfera.

El OLD 32 incluye un primer elemento 510 de suma para generar una primera suma 512 que comprende la suma del retardo (St^{R x}) relacionado con el receptor y el retardo (5t^{s v}) relacionado con el vef^uculo espacial. Ademas, un segundo elemento 514 de suma se adapta para generar una segunda suma que comprende la suma de la primera suma 512 y el retardo (5t^A) de tiempo relacionado con la atmosfera, para generar un retardo (t^{s iG}) de tiempo relacionado con la serial. El retardo (tsiG) de tiempo relacionado con la serial se introduce a un MCO 516 de codigo y portador para generar una estimacion (*£) para la entrada a un DMF 102.

El DMF 102 realiza la concentracion y acumulacion del flujo de senal de entrada contra la senal replica simulada, como se representa en la FIG. 1. Este paso es muy similar al que hace un motor correlador en un receptor GNSS de bucle cerrado tfpico, como se representa en la FIG. 2, con la distincion de que no hay operacion de retroalimentacion. De manera ventajosa, la presente invencion se basa en la medicion precisa de las variaciones de amplitud, retardo y fase observables en la senal recibida sin confiar en ningun mecanismo de retroalimentacion que observe las salidas Yⁱde correlador que pueden, en si, estar afectadas por estas anomahas. En una realizacion del DMF 102, solo se usa un correlador por senal de satelite, pero el concepto es mas general y se podria usar un numero mas arbitrario. En otra realizacion, se implementan muchos correladores, espaciados tanto en frecuencia como en retardo alrededor del correlador alineado nominalmente, para proporcionar una estimacion mas robusta y precisa de los parametros de senal recibidos. En las realizaciones, la implementacion involucra un procesamiento clasico en tiempo real o un post procesamiento.

Dentro del OLD 32 la interfaz entre los dos sub bloques (el sintetizador 502 de senal y el DMF 102) es una secuencia de retraso de codigo y fase de portadora adecuadamente temporizado, respectivamente y 0i. Ambos se relacionan con el rango geometrico de la Lrnea de Vision (LOS) entre el usuario y las antenas del satelite de navegacion, pero existen sustanciales diferencias debido a, entre otros factores, la atmosfera que es un medio dispersivo. Usando el tiempo de flujo preciso el acumulador se puede desechar en cualquier momento, pero normalmente de una forma sincronizada con los bordes de codigo de propagacion. Ademas, dado el acceso a los mensajes de navegacion de difusion, se puede predecir una parte significativa de los mensajes de navegacion, permitiendo realizar el borrado de bits en la senal recibida. Cuando es posible, esto mejora significativamente la reconstruccion de fase, como se discute en la siguiente seccion.

El modulo 33 de algoritmos de Monitorizacion Atmosferica (AMA) (Fig. 3) acepta como entradas los valores complejos de correlador, Y[n], desde el modulo 32 OLD y produce como salidas las mediciones atmosfericas. A continuacion, se discuten las realizaciones de un modulo de monitorizacion del centello ionosferico que produce los indices de centelleo comunes, incluyendo S⁴y o⁹, como se define mas adelante.

Los parametros ampliamente aceptados para la caracterizacion del centelleo son S4 para la amplitud y o<p para la fase de portadora. Generalmente, el calculo de S4 requiere el calculo de un parametro intermedio, denotado a partir de los valores de correlador, Y [n]. En muchos casos esto se implementa a menudo a traves de variables intermedias adicionales, denotadas como Potencia de Banda Estrecha (NBP) y Potencia de Banda Ancha (WBP). De manera alternativa, otras implementaciones calculan esto directamente a partir de los valores de correlador, como se representa en la FIG. 6. Se realiza la eliminacion de la tendencia de los valores ^ usando un filtro paso bajo Butterworth de 6° orden con un ancho de banda de 0,1 Hz que, por razones de estabilidad numerica, se implementa como una serie en cascada de filtros de 2° orden y es denotado por LPF 62 en la FIG. 6.

La FIG. 7 muestra un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, de calculo del valor de o<p, dada una serie de estimaciones de fase, .

El metodo convencional de calculo de o^<pinvolucra tres pasos, tal y como sigue. En primer lugar la fase de la senal GNSS recibida se reconstruye y se muestrea con una tasa de muestreo fija, para producir el proceso equivalente 0 [n] = 0 (nT-ⁱ). En segundo lugar, se realiza la eliminacion de la tendencia usando un filtro paso alto Butterworth de 6° orden con un ancho de banda de 0,1 Hz. Finalmente, la varianza del proceso de eliminacion de la tendencia de fase se calcula (bloque 74) sobre un numero finito de bloques que no se solapan de periodo 7~ segundos. Por tanto, se usan las salidas del correlador complejo de replica rapida (o mas bien sus sub productos) para evaluar las anomahas de amplitud donde se usen las mediciones de pase de la portadora para medir las anomalfas de fase. Como se representa en la FIG. 7, se implementa el filtro paso alto como la diferencia (a traves del elemento 76 de suma) entre la senal y el componente de paso bajo, generada a traves del filtrado del LPF 72.

Se observa que un receptor GNSS estandar deriva las observaciones de la fase de la portadora a traves de un algoritmo de seguimiento de fase de bucle cerrado, tal como un PLL. Al contrario, en la realizacion de la presente invencion, se emplean dos enfoques novedosos para calcular a<p. Las ventajas del no seguimiento de la fase de la senal recibida con un bucle cerrado incluyen: aislar el calculo del mdice de centelleo de los artefactos del filtro de bucle de seguimiento, y evitar los problemas de los fallos del seguimiento de fase (por ejemplo los deslices de ciclo) bajo condiciones de senal muy pobres.

Ambas realizaciones de los metodos para calcular a<p explotan el hecho de que se elimina de manera inmediata la tendencia de la fase reconstruida. Como se observa aqu anteriormente, el modulo 32 OLD, a traves de la síntesis de senal, elimina todas las contribuciones determimsticas conocidas a la fase de portadora, incluyendo la dinamica de lmea de vision (LOS), el reloj del satelite y las contribuciones atmosfericas conocidas. Lo que queda son los errores residuales provenientes de las efemerides y los modelos atmosfericos y una contribucion de fase adicional del oscilador local. Un objetivo del proceso de eliminacion de la tendencia es eliminar la contribucion de todos los factores distintos de 0Atm. (t) y, por lo tanto, el proceso de reconstruccion de fase solo necesita representar este termino. Las dos realizaciones son como siguen:

Método 1: Reconstruccion del proceso de fase.

La FIG. 8 muestra un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la Fig. 3, de reconstruccion de fase desde los valores de correlador, Yi, que calcula la fase actual como la suma de la fase anterior y la fase residual observada cuando se des voltea el correlador actual por la estimacion de fase anterior. La notacion A

c representa un vector unitario en el piano complejo que tiene un angulo - 0 en relacion al eje real y la notacion z-1 representa un retardo de muestra unico. En este caso, la parte util del proceso de fase es reconstruida por una suma acumulativa de las diferencias de fases calculadas entre las parejas sucesivas de valores de correlador (esto es Y [n-1] y Y[n]). Como se muestra en la FIG. 8, los valores Yi de correlador se des voltean (a traves de la entrada del bloque 82 al primer elemento 84 de multiplicacion) por la estimacion de fase anterior y se mide el error de fase residual. Un bloque 84 discriminador representa la funcion del discriminador de fase, descrita en la Ec. 4. La estimacion da fase total, 0, es proporcionada acumulando estas mediciones de fase residual. El proceso de fase resultante se puede procesar de una manera similar a la producida por un receptor GNSS tfpico. La contribucion mas significativa a la medicion de la fase de la frecuencia portadora es debida a la velocidad de la LOS entre el usuario y la antena del satelite asf como la diferencia entre la deriva del reloj del usuario y del satelite. Generalmente, al usar mediciones de fase de un receptor tradicional, esta contribucion es filtrada por el filtro de eliminacion de tendencia a costa de un tiempo de convergencia no despreciable. En efecto, este tiempo de convergencia de dicho filtro puede estar en el orden de los minutos. Esta tecnica elimina de manera natural esta contribucion de fase. Los resultados muestran que, en condiciones de ruido nominales, el mismo filtro de eliminacion de tendencia produce exactamente los mismos resultados en el proceso de fase convencional y en el del Método 1, pero converge mucho mas rapido en el ultimo caso.

Espedficamente, el proceso de fase se reconstruye como sigue. En primer lugar, los valores de correlador actuales se des voltean por la estimacion de fase anterior (que se inicializa a cero para la primera muestra). En segundo lugar, la fase residual $ es estimada por bien un discriminador 86 coherente (arco tangente de cuatro cuadrantes) o no coherente (arco tangente), dependiendo de si se conoce el signo de los bits de datos correspondientes a la muestra actual. EL valor de la fase $ residual se calcula despues como la suma (a traves del elemento 87 de suma) de la fase anterior (derivada mediante la aplicacion del bloque 88) y la fase $ residual actual. Matematicamente, este proceso se puede representar por:

donde d [n] es el valor de los bits de datos actuales y suponemos que el proceso de fase se puede descomponer en una suma recursiva de diferencia de fase, como:

0 [n] = 0 [n-1] A[n], la notacion 311x1 denota respectivamente las partes real e imaginaria de x, y las funciones atan (x) y atan2 (y,x), denotan respectivamente las funciones arco tangente y arco tangente de cuatro cuadrantes. Al procesamiento de esta estimacion de fase para producir la medicion de la a<p despues sigue el algoritmo estandar representado en la FIG. 7.

Método 2: Filtro de eliminacion de tendencia modificado.

La FIG. 9 es un diagrama de bloques del proceso, llevado a cabo en el modulo 33 AMA de la FIG. 3, de calculo del valor de a<p dadas una serie de estimaciones de diferencia de fase, A . El segundo enfoque aprovecha el hecho de que un filtro de paso alto de 6° orden con un ancho de banda de 0,1 Hz esencialmente elimina todas las dinamicas que vanan lentamente de la fase de portadora. Esto sugiere que la reconstruction del proceso de fase se puede evitar en su totalidad y usar las diferencias de fase en lugar de la fase absoluta. El orden del filtro de elimination de tendencia puede ser reducido en uno y un filtro equivalente pero mas simple genera exactamente los mismos resultados obtenidos siguiendo el enfoque convencional. Este nuevo filtro se encuentra como sigue. Suponga un filtro Butterworth paso alto de 6° orden convencional que tiene una funcion de transferencia en el dominio z dada por:

donde la salida de la Ec. (5) es el proceso de eliminacion de tendencia de la fase, denotada aqu por 0D [n], es encontrada mediante la aplicacion de H (z) a la fase reconstruida, 0 [n]. Este filtro es identicamente equivalente al proceso en cascada de aplicar un filtro B (z) a 0 (t) y posteriormente aplicar el filtro 1/A (z) al resultado. Por lo tanto, el proceso de fase, 0 [n], solo es operado por B (z).

En el momento n, la salida del filtro B (z) aplicada a 0 [n], denotado aqu como 0^b[n], esta dado por:

De nuevo, suponiendo una descomposicion del proceso de fase en una suma de diferencias de fase, entonces la Ec. (6) esta dada por:

Observando que ya que H (z) es un filtro paso alto y tiene una ganancia DC cero, entonces H (1) = 0 y por lo tanto

y (7) se reduce a:

donde

renombrando (8), encontramos que C6 = 0 y por lo tanto

Por lo tanto se muestra que el proceso de eliminacion de tendencia de fase, 0D, obtenido procesando el proceso de fase original 0 usando el filtro H (z), es identicamente equivalente que el obtenido procesando el proceso de diferencia de fase A[n] = 0 [n] - 0 [n-1], usando un nuevo filtro dado por:

La implicacion de (12) es que ningun proceso de fase necesita ser reconstruido y que solo es necesaria la estimacion de la diferencia de fase entre dos valores adyacentes de correlador. Esto simplifica enormemente la generacion de ct9, y resulta en un algoritmo de monitorizacion mas robusto. Espedficamente, en una realizacion, la reconstruccion del proceso de diferencia de fase implica:

donde se usa cualquiera de los dos estimadores de fase, dependiendo de si son conocidos o no los bits de datos de ambos valores de correlador. Habiendo generado este proceso de diferencia de fase, se puede aplicar el filtro modificado y, finalmente, se puede calcular una estimacion de o9. El proceso de calculo de o9 a partir de los valores A[n] se representa en la FIG. 9 en donde el bloque etiquetado ‘M-FLT’ representa el filtro modificado descrito aqd. Aunque se supone a continuacion la estimacion directa simple de la diferencia de fase, como se da en la Ec. (13), en realizaciones alternativas se puede hacer un procesamiento adicional de los valores de correlador para mejorar la estimacion de A[n]. Por ejemplo, la estimacion puede estar condicionada en modelos estadfsticos a priori para el proceso de fase; se puede implementar un esquema para rechazar o corregir las estimaciones que parecen ser atipicas, o erroneas; se pueden observar tambien multiples valores de correlador sucesivos, tres o mas.

En la FIG. 10 y la FIG. 11 se presenta una comparacion de o9, y de S4 segun son calculados por el Método 1 y el Método 2 y un receptor de monitorizacion (Referencia) atmosferica comercial, respectivamente, en donde se puede ver que el algoritmo de monitorizacion de bucle abierto es capaz de reproducir perfectamente la del receptor de bucle cerrado tradicional.

Aunque las realizaciones se han descrito en referencia a realizaciones que tienen diversos componentes en sus respectivas implementaciones, se apreciara que otras realizaciones hacen uso de otras combinaciones y permutaciones de estos y otros componentes.

Ademas, algunas de las realizaciones se describen en la presente memoria como un metodo o combinacion de elementos de un metodo que pueden ser implementados por un procesador de un sistema informatico o por otros medios para llevar a cabo la funcion. Por tanto, un procesador con las instrucciones necesarias para llevar a cabo dicho metodo o elemento de un metodo forma un medio para llevar a cabo el metodo o elemento de un metodo. Ademas, el elemento descrito en la presente memoria de una realizacion de un aparato es un ejemplo de un medio para llevar a cabo la funcion realizada por el elemento con el proposito de llevar a cabo la funcion.

En la descripcion proporcionada en la presente memoria, se exponen numerosos detalles espedficos. Sin embargo, se entiende que las realizaciones de la invencion se pueden poner en practica sin estos detalles espedficos. En otros casos, los metodos, estructuras y tecnicas bien conocidas no se han mostrado en detalle para no complicar el entendimiento de esta descripcion.

Por tanto, aunque se han descrito las que se creen las realizaciones preferidas de la invencion, aquello expertos en la tecnica reconoceran que otras y adicionales modificaciones se pueden hacer a la misma sin salir del alcance de la invencion.

Se pueden anadir o eliminar funcionalidades de los diagramas de bloques y se pueden intercambiar las operaciones entre bloques funcionales. Se pueden anadir o eliminar pasos a los metodos descritos dentro del alcance de la presente invencion.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de medicion para generar mediciones del centelleo de fase ionosferico en base a al menos una senal de un Sistema de Navegacion por Satelite Global (GNSS) de un transmisor de satelite de un GNSS, comprendiendo el sistema de medicion, en un receptor basado en tierra:

un modulo (31) de adquisicion de datos, un modulo (32) demodulador y un modulo (33) de algoritmos de monitorizacion atmosferica dispuestos en una configuracion de bucle abierto;

en donde el modulo (31) de adquisicion de datos se adapta para recibir dicha senal GNSS e incluye un reloj (418) de referencia y un conversor (416) analogico a digital (ADC) acoplado al reloj (418) de referencia, estando el ADC adaptado para generar una pluralidad de muestras (r) de frecuencia intermedia (IF) bajo la temporizacion del reloj (418) de referencia, teniendo cada muestra de IF una etiqueta de tiempo (TOW) asociada derivada de dicho reloj (418) de referencia;

en donde el modulo (32) demodulador se adapta para recibir dichas muestras (r) de IF y asociar las etiquetas de tiempo (TOW) y los datos (35) auxiliares relacionados con dicho sistema de satelite, los datos (35) auxiliares incluyen informacion (ATM) de efemerides, y se adaptan para generar los valores (Yⁱ) de correlador del mismo; y en donde el modulo de algoritmo de monitorizacion atmosferica se adapta para recibir dichos valores (Yⁱ) de correlador y generar a partir de estos dichas mediciones (o⁹) de centelleo; y

en donde el modulo (33) de algoritmos de monitorizacion atmosferica incluye un algoritmo de reconstruccion del proceso de fase, comprendiendo el algoritmo de reconstruccion del proceso de fase:

des voltear los valores actuales (Yⁱ) de correlador por la anterior estimacion de fase;

estimar la fase ($) residual usando un discriminador; y

calcular la fase (0) actual como la suma de la fase anterior y la fase ($) residual actual,

2. Un sistema de medicion para generar las mediciones de centelleo de la fase ionosferica en base a al menos una senal del sistema de Navegacion por Satelite Global (GNSS) a partir de un transmisor de satelite de un GNSS, comprendiendo el sistema de medicion, en un receptor de tierra:

un modulo (31) de adquisicion de datos, un modulo (32) demodulador y un modulo (33) de algoritmos de monitorizacion atmosferica dispuestos en una configuracion de bucle abierto,

en donde el modulo (32) demodulador se adapta para recibir dichas muestras (r) de IF y las etiquetas de tiempo (TOW) asociadas y los datos (35) auxiliares relacionados con dicho sistema de satelite, los datos (35) auxiliares incluyen la informacion de efemeride (ATM), y se adapta para generar los valores (Yⁱ) de correlador a partir de la misma; y

en donde el modulo de algoritmo de monitorizacion atmosferica se adapta para recibir dichos valores (Yⁱ) de correlador y generar a partir de estos dichas mediciones (o⁹) de centelleo de fase;

en donde el modulo (33) de algoritmo de monitorizacion atmosferica incluye un algoritmo de proceso de diferencia de fase, siendo el algoritmo de proceso de fase operable para reconstruir los valores A[n] del proceso de diferencia de fase, en donde cada valor A[n] del proceso de diferencia de fase es una diferencia de fase entre dos valores adyacentes de correlador (Y[n], Y[n-1]) y los valores del proceso de diferencia de fase A[n] se reconstruyen usando

y en donde a9 se calcula a partir de los valores A[n] del proceso de diferencia de fase usando un filtro aplicado para esto dado por

3. El sistema de la reivindicacion 1 o 2, en donde el modulo (31) de adquisicion de datos (i) se adapta para emitir cada muestra (r) de IF como una muestra (r) de IF etiquetada, comprendiendo cada muestra (r) de IF una muestra (r) de IF etiquetada con una etiqueta de tiempo (TOW) respectiva, (ii) comprende un modulo (420) de etiquetado de tiempo adaptado para emitir dichas etiquetas de tiempo (TOW) de manera smcrona con unas respectivas muestras (r) de IF, y/o (iii) comprende un modulo (420) de etiquetado acoplado al reloj (418) de referencia, estando el modulo (420) de etiquetado de tiempo adaptado para funcional como un contador local que representa la hora local, siendo la cuenta del contador local aumentada segun se genera cada muestra (r) de IF.

4. El sistema de la reivindicacion 1, 2 o 3, en donde el modulo (32) demodulador se adapta para recibir dichas muestras (r) de IF etiquetadas, mediante lo cual cada valor (Yi) de correlador generado por el modulo (32) demodulador se asocia con una respectiva etiqueta de tiempo (TOW).

5. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el modulo (31) de adquisicion de datos (i) comprende un conversor (410) descendente adaptado para generar senales de IF analogicas a partir de las senales de radionavegacion, funcionando el conversor (410) descendente en base a una senal de conversion derivada a partir de la salida del reloj (418) de referencia, mas preferiblemente en donde el modulo (31) de adquisicion de datos comprende un PLL (424) acoplado para recibir la salida del reloj (418) de referencia, en donde el PLL (424) dirige un VCO (426) que proporciona la senal de conversion al conversor (410) descendente.

6. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el reloj (418) de referencia (A) tiene un grado de alineamiento con una trama de tiempo de la senal de radionavegacion (i) de menos de una decima parte del periodo de un chip de codigo de intervalo de la senal de radionavegacion, y/o (ii) tal que se puede usar para propagar una estimation del tiempo, para la generation de etiquetas de tiempo, con una precision de aproximadamente 1 nanosegundo, y/o en donde el reloj (418) de referencia se adapta para propagarse desde un punto de sincronizacion inicial, correspondiente a una etiqueta de tiempo inicial, adelante en el tiempo, y/o en donde el reloj (418) de referencia comprende un reloj perfectamente modelado, en donde dichas etiquetas de tiempo se derivan de las senales de tiempo propagadas desde un punto de sincronizacion de senal en el pasado usando un periodo de muestreo predeterminado, (B) comprende un oscilador disciplinado, incluyendo el oscilador disciplinado un oscilador interno y estando adaptado para recibir una senal de reloj de control de un estandar de frecuencia externo, en donde mas preferiblemente el sistema se puede operar en una fase de initiation y una fase de adquisicion, en donde el reloj (418) de referencia se puede operar de manera tal que el control por el oscilador disciplinado este activo durante la fase inicial y deshabilitado durante la fase de adquisicion de datos, en donde mas preferiblemente se proporciona el estandar de frecuencia externo por una de entre una senal GNSS y una senal de Oscilador Disciplinado de GPS (GPSDO), o (C) comprende un reloj de funcionamiento libre sobre el que se realiza el modelado en vivo de sus parametros desconocidos usando un algoritmo de estimacion de reloj, en donde mas preferiblemente el reloj (418) de referencia se puede operar para medir los parametros de reloj estimados, y propagar de manera precisa las etiquetas de tiempo desde un punto de sincronizacion inicial basado en los parametros de reloj estimados, en donde mas preferiblemente los parametros de reloj estimados se pueden medir a partir de las senales de radionavegacion a partir de un primer conjunto de transmisores en satelite y en donde la senal o senales de radionavegacion recibidas por dicho modulo (31) de adquisicion de datos son de uno o mas transmisores de satelite, no teniendo el primer conjunto y el segundo conjunto un transmisor de satelite en comun.

7. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los datos (35) auxiliares incluyen un parametro (Rec.) relacionado con el receptor, representando el parametro relacionado con el receptor una trayectoria continua a trozos de la antena (402) del receptor en una trama fija de tierra, centrada en la tierra.

8. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los datos (35) auxiliares incluyen los parametros (S.V.) orbitales de un satelite sobre el que se monte el transmisor, en donde mas preferiblemente los parametros (S.V.) orbitales comprenden efemerides de difusion, en donde mas preferiblemente las efemerides de difusion comprenden efemerides GNSS o efemerides precisas.

9. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el modulo (32) demodulador (i) incluye un modelo (504) de receptor de usuario para recibir una etiqueta de tiempo (TOW) y el parametro (Rec.) relacionado con el receptor, y para emitir un retardo (5tRx) de tiempo relacionado con el receptor, y/o (ii) incluye un modelo (506) de vehiculo espacial, estando el modelo de vehiculo espacial adaptado para recibir una etiqueta de tiempo (TOW) y los parametros (S.V.) orbitales, y para generar un retardo (5tSv) relacionado con el vehiculo espacial.

10. El sistema de la reivindicacion 9, en donde el modulo (32) demodulador (i) incluye un modelo (508) atmosferico, estando el modelo atmosferico adaptado para recibir la etiqueta de tiempo (TOW), el retardo (5tRx) de tiempo relacionado con el receptor, el retardo (5tSv) relacionado con el vehiculo espacial y la information (Atm.) de efemeride, y para emitir un diferencial (5tA) de tiempo relacionado con la atmosfera, y/o (ii) se adapta para generar una primera suma (512) que comprende la suma del diferencial (StRx) de tiempo relacionado con el receptor y el diferencial (5tsv) de tiempo relacionado con el vetuculo espacial, y para generar una segunda suma que comprende la suma de la primera suma (512) y del diferencial (5tA) de tiempo relacionado con la atmosfera para generar un retardo (tsiG) de tiempo relacionado con la senal.

11. El sistema de la reivindicacion 10, en donde el modulo demodulador incluye ademas a un MCO de codigo y portadora, adaptado para recibir el retardo (tsiG) de la serial y para general una estimacion (a t) para la entrada a un DMF (102).

12. Un metodo de medicion para generar mediciones del centelleo de fase ionosferico basado en al menos una senal del Sistema de Navegacion por Satelite Global (GNSS) de un transmisor de satelite de un GNSS, comprendiendo el metodo:

proporcionar un modulo (31) de adquisicion de datos , un modulo (32) demodulador y un modulo (33) de algoritmos de monitorizacion atmosferica dispuestos en una configuracion de bucle abierto en un receptor en tierra, en donde el modulo (31) de adquisicion de datos incluye un reloj (418) de referencia y un conversor (416) analogico a digital (ADC) acoplado al reloj (418) de referencia;

recibir, usando el modulo (31) de adquisicion de datos, dicha senal GNSS, estando el ADC adaptado para generar a partir de la misma una pluralidad de muestras (r) de frecuencia intermedia (IF) bajo la temporizacion del reloj (418) de referencia, teniendo cada muestra de IF una etiqueta de tiempo (TOW) asociada derivada de dicho reloj (418) de referencia;

recibir, usando el modulo (32) demodulador, dichas muestras (r) de IF y etiquetas de tiempo (TOW) asociadas y datos (35) auxiliares relacionados con dicho sistema de satelite, los datos (35) auxiliares incluyen la informacion (ATM) de efemerides, y generar los valores (Yi) de correlador a partir de estos; y

recibir, usando el modulo (33) de algoritmo de monitorizacion atmosferica, dichos valores (Yi) e correlador y generar a partir de ellos dichas mediciones (o9) del centelleo de fase; y

en donde el modulo (33) de algoritmos de monitorizacion atmosferica incluye un algoritmo de reconstruccion del proceso de fase, estando adaptado el algoritmo de reconstruccion del proceso de fase para:

des voltear los valores (Yi) actuales de correlador por la anterior estimacion de fase;

estimar la fase ($) residual usando un discriminador; y

calcular la fase actual (0) como la suma de la fase anterior y la fase (^).residual actual

13. Un metodo de medicion para generar mediciones del centelleo de fase ionosferica basado en al menos una senal del Sistema de Navegacion por Satelite Global (GNSS) de un transmisor de satelite de un GNSS, comprendiendo el metodo:

en donde el modulo (33) de algoritmos de monitorizacion atmosferica incluye un algoritmo de proceso de diferencia de fase, siendo el algoritmo de proceso de diferencia de fase operable para reconstruir los valores A[n] del proceso de diferencia de fase, en donde cada valor A[n] del proceso de diferencia de fase es una diferencia de fase entre dos valores de correlador adyacentes (Y[n], Y[n-1]) y los valores A[n] del proceso de diferencia de fase se reconstruyen usando

14. Un medio registrable, regrabable o almacenable que tenga registrado o almacenado en este datos legibles por ordenador que definen las instrucciones que, al ser ejecutadas por un ordenador, provocan que el ordenador lleve a cabo al menos los pasos de las reivindicaciones 12 y 13.

15. Un ordenador servidor que incorpora un dispositivo de comunicacion y un dispositivo de memoria y que se adapta para la transmision bajo demanda o de cualquier otra forma de los datos legibles por ordenador que definen las instrucciones que, al ser ejecutadas por un ordenador, provocan que el ordenador lleve a cabo al menos los pasos de las reivindicaciones 12 y 13.