ES2910000T3 - Transmisión de mensajes de navegación por satélite en múltiples páginas codificadas para una recuperación óptima en el receptor de forma totalmente intercambiable - Google Patents
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Abstract
Un método de generación de un mensaje de navegación por satélite codificado, en forma de varias páginas, para su transmisión a al menos un receptor (110) de usuario a través de una pluralidad de satélites (120, 130, 140), el método que comprende las etapas de: a) dividir, en una estación terrestre, un mensaje de navegación por satélite M en k páginas; b) dividir, en la estación terrestre, cada página en j símbolos, el mensaje de navegación por satélite M que se divide en k × j símbolos; c) para cada posición de símbolo, codificar los símbolos de las k páginas en la estación terrestre; y d) generar, en la estación terrestre, un mensaje de navegación por satélite codificado M' para n páginas, caracterizado en que la etapa c) comprende codificar cada columna de los símbolos de las páginas por separado para un total de j códigos de bloque, en donde cada una de las n páginas comprende símbolos de j códigos paralelos, y en que el método comprende además las etapas de: e) asignar, en la estación terrestre, al menos un subconjunto de las n páginas del mensaje de navegación por satélite codificado a cada uno de la pluralidad de satélites (120, 130, 140) ; f) transmitir, por la estación terrestre, las páginas asignadas a los respectivos satélites de la pluralidad de satélites (120, 130, 140); y g) transmitir las páginas asignadas por la pluralidad de satélites al al menos un receptor (110) de usuario.
Description
DESCRIPCIÓN
Transmisión de mensajes de navegación por satélite en múltiples páginas codificadas para una recuperación óptima en el receptor de forma totalmente intercambiable
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la transmisión optimizada de mensajes de navegación por satélite y, más particularmente, se refiere a la codificación, transmisión y decodificación optimizadas de un mensaje digital desde una pluralidad de satélites a al menos un receptor de usuario.
Antecedentes de la invención
Los sistemas de navegación por satélite, tales como GPS, GLONASS o Galileo, generalmente transmiten mensajes de varios cientos de bits con las órbitas y los desfases de reloj de los satélites transmisores, de modo que un receptor de usuario pueda calcular su posición. También pueden necesitar transmitir mensajes más largos, posiblemente de más de mil bits, tales como almanaques, firmas digitales, datos satelitales de posicionamiento de puntos precisos, o información ionosférica precisa. La tasa de bits permitida por los satélites de navegación es generalmente baja, de modo que la transmisión de un mensaje largo requiere que el receptor de usuario reciba señales de satélite sin errores de bits durante varios segundos, o incluso minutos. Esto puede que no sea posible en condiciones de recepción y visibilidad degradadas, tales como, en cañones urbanos o bajo las copas de los árboles. Los edificios altos en las ciudades tienden a limitar el número de satélites a la vista de un receptor de usuario y el término "cañones urbanos" se refiere a la falta de señal debido a tales edificios altos que da como resultado una recepción de datos deficiente.
Sin embargo, para mejorar la recepción de datos en los canales con desvanecimiento debido a los cañones urbanos y debajo de las copas de los árboles, los mensajes de navegación por satélite modernos generalmente se codifican a través de diversos tipos de códigos convolucionales y de bloque.
El documento de referencia "Quasi-Zenith Satellite System Interface Specification Centimeter-Level Augmentation Service (IS-QZSS-L6-001) Draft Edition, 2017" describe la transmisión de un mensaje de alta precisión de 2000 bits por segundo. Un mensaje de este tipo comprende una cabecera de 49 bits, una parte de datos de 1695 bits, y un código Reed-Solomon (RS), que proporciona 256 bits de redundancia para corregir errores dentro de cada mensaje de forma independiente.
El documento de referencia "European GNSS (Galileo) Open Service Signal In Space Interface Control Document, (OS SIS ICD V1.3)", de la Comisión Europea, propone una codificación convolucional de corrección de errores hacia adelante de tasa = / y longitud de 7, que se aplica a cada página de dos segundos de Galileo. Mediante esta capa de codificación, los datos de Galileo de un mensaje de dos segundos dado se pueden demodular incluso si el mensaje se recibe con errores en el mismo. Este documento de referencia también propone la transmisión de un mensaje largo dentro de la constelación, que es el mensaje de Almanaque, dividido en varios fragmentos más cortos, donde los Tipos de Palabra 7, 8, 9 y 10 de la subtrama de I/NAV de Galileo transmiten el almanaque para 3 satélites del total de la constelación.
Si bien este enfoque es relativamente fácil de implementar, tiene algunos inconvenientes, el principal es que la falta de recepción de un fragmento pone en peligro la recepción del mensaje completo.
El documento WO-A-2017/216058 se refiere a un método de transmisión de un mensaje de navegación que comprende una codificación Reed-Solomon (RS) externa de datos de Reloj y Efemérides (CED), que implica además el uso de una comprobación de redundancia cíclica (CRC). En esta referencia, se aplica un solo código RS a un mensaje CED de unos cientos de bits, con una paridad baja. Por lo tanto, este método, si bien es útil para mensajes cortos de un solo satélite, no está optimizado para mensajes largos transmitidos desde varios satélites que tienen relaciones de paridad/datos altas.
El artículo "Packet transmission through navigation satellites: A preliminary analysis using Monte Carlo simulations" por Fernández-Hernández, I., et al., ENC 2017 propone desplazar la transmisión de páginas del mismo mensaje de navegación por satélite desde diferentes satélites. Sin embargo, el desplazamiento de página no permite una recuperación óptima del mensaje de navegación por satélite.
El artículo "Fountain Codes for GNSS" por Fernández-Hernández, I., et al., Actas de la 30a Reunión Técnica Internacional de la División de Satélites del Instituto de Navegación (ION GNSS+ 2017) páginas 1496 a 1507, describe el uso de códigos fuente para difundir mensajes grandes de una forma rápida y robusta usando señales del sistema de navegación global por satélite GNSS. Tales mensajes se dividen en K paquetes y cada paquete se codifica con un elemento de una matriz binaria aleatoria G' que tiene K filas y un número potencialmente ilimitado de columnas. Después de recibir N paquetes, donde N > K en todos los casos, un receptor construye una matriz G' con las columnas de G' correspondientes a los paquetes recibidos para reconstituir el mensaje original.
El documento WO-A-2012/174933 describe un método de codificación de un codificador RS en el que los datos de entrada se dividen en un número predeterminado de canales paralelos de datos y se codifican realizando simultáneamente un paralelismo de múltiples palabras de código en el número predeterminado de canales de datos.
Después de la codificación, se determina un estado de habilitación de la señal de control de entrada y, si está habilitada, los datos codificados se insertan en las posiciones designadas del flujo de datos precodificados con el uso de una operación de relleno con ceros. El procesamiento de puesta a cero se realiza en los datos después del procesamiento en serie del número predeterminado de canales de datos en paralelo.
El documento US-A-2016/0056920 se dirige a un método para la codificación de redes que incluye la codificación de una pluralidad de paquetes de mensajes para producir una pluralidad de paquetes codificados que incluyen, por ejemplo, los paquetes de mensajes y uno o más paquetes de paridad. Cada paquete de mensajes y cada paquete codificado incluye una pluralidad de símbolos que tienen un índice, y cada símbolo de los paquetes codificados se genera aplicando un código Reed-Solomon a los símbolos de los paquetes de mensajes que tienen el mismo índice que el símbolo de los paquetes codificados. La longitud de los paquetes codificados es la misma que la longitud de los paquetes de mensajes. También se describe un dispositivo de comunicación inalámbrica que incluye un codificador de red para codificar una pluralidad de paquetes de mensajes para producir una pluralidad de paquetes codificados y una capa física para transmitir los paquetes codificados a través de una antena inalámbrica.
Por lo tanto, no se ha encontrado en la literatura ningún método que permita la recuperación óptima de un mensaje de navegación por satélite compuesto por varias páginas, de varias fuentes, de forma totalmente intercambiable y con un coste de decodificación asequible en el receptor de usuario.
Compendio de la invención
Por lo tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un método para permitir la recuperación óptima de un mensaje de navegación por satélite codificado que comprende varias páginas, recibido de varias fuentes, de una manera totalmente intercambiable.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un sistema de navegación por satélite que implementa el método de recuperación óptima de un mensaje de navegación por satélite codificado que comprende varias páginas.
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un método de generación de un mensaje de navegación por satélite codificado, en forma de varias páginas, para su transmisión a al menos un receptor de usuario a través de una pluralidad de satélites, el método que comprende las etapas de:
a) dividir, en una estación terrestre, un mensaje de navegación por satélite M en k páginas;
b) dividir, en la estación terrestre, cada página en j símbolos, el mensaje de navegación por satélite M que se divide en k x j símbolos;
c) para cada posición de símbolo, codificar los símbolos de las k páginas en la estación terrestre codificando cada columna de los símbolos de las páginas por separado para un total de j códigos de bloque, en donde cada una de las n páginas comprende símbolos de j códigos paralelos;
d) generar, en la estación terrestre, un mensaje de navegación por satélite codificado M’ para n páginas;
e) asignar, en la estación terrestre, al menos un subconjunto de las n páginas del mensaje de navegación por satélite codificado a cada uno de la pluralidad de satélites;
f) transmitir, por la estación terrestre, las páginas asignadas a los respectivos satélites de la pluralidad de satélites; y g) transmitir las páginas asignadas por la pluralidad de satélites al al menos un receptor de usuario.
De esta forma, se puede lograr la generación de un mensaje de navegación por satélite codificado en forma de varias páginas que, cuando se transmite por una pluralidad de satélites a un receptor de usuario, se puede decodificar de forma totalmente intercambiable y a un coste de decodificación asequible en el receptor de usuario.
En una realización, la etapa c) puede comprender además el uso de un esquema de codificación de bloques que permite usar cualquiera k símbolos de las n páginas en la recuperación del mensaje de navegación por satélite original. En una realización, los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
En una realización, la etapa d) puede comprender además adjuntar una comprobación de redundancia cíclica a cada página para simular un canal de borrado binario.
Esto asegura que la recepción de la página en un receptor de usuario se trate como si estuviera en un canal de borrado binario.
Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método de decodificación de un mensaje de navegación por satélite codificado en al menos un receptor de usuario, el mensaje de navegación por satélite codificado que se genera como se describió anteriormente, el método que comprende las etapas de:
i) recibir, en al menos un receptor de usuario, páginas transmitidas por la pluralidad de satélites dentro del campo de
visión del al menos un receptor de usuario; y
ii) decodificar, en el al menos un receptor de usuario, el mensaje de navegación por satélite codificado de las páginas recibidas de la pluralidad de satélites aplicando recursivamente un proceso de decodificación al mismo decodificando cada columna por separado para un total de j códigos de bloque.
Esto permite decodificar el mensaje de navegación por satélite codificado de forma totalmente intercambiable.
En una realización, los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
En una realización, la etapa i) puede comprender además recibir diferentes páginas desde diferentes de la pluralidad de satélites.
Esto tiene la ventaja de que un mensaje se puede recibir más rápido que si todas las páginas se reciben desde el mismo satélite.
En una realización, la etapa i) comprende además recibir las páginas secuencialmente a lo largo del tiempo.
Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un receptor de usuario configurado para decodificar un mensaje de navegación por satélite codificado transmitido como páginas diferentes desde una pluralidad de satélites en su campo de visión, el mensaje de navegación por satélite codificado que se genera y se codifica según el método que se describió anteriormente, cada receptor de usuario que está configurado para:
recibir páginas transmitidas por la pluralidad de satélites dentro de su campo de visión; y
decodificar el mensaje de navegación por satélite codificado de las páginas recibidas de la pluralidad de satélites aplicando recursivamente un proceso de decodificación al mismo decodificando cada columna por separado para un total de j códigos de bloque.
Una configuración de este tipo de un receptor de usuario proporciona una recuperación óptima de un mensaje de navegación por satélite codificado de una forma totalmente intercambiable y con un coste de descodificación asequible para el receptor de usuario.
En una realización, los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
Según otro aspecto más de la presente invención, se proporciona un sistema de navegación por satélite para generar, transmitir y decodificar un mensaje de navegación por satélite codificado en forma de varias páginas, el sistema que comprende:
una pluralidad de satélites;
una estación terrestre configurada para generar un mensaje de navegación por satélite codificado, en forma varias páginas, para su transmisión a la pluralidad de satélites, el mensaje de navegación por satélite codificado que se genera por:
dividir un mensaje de navegación por satélite M en k páginas;
dividir cada página en j símbolos, el mensaje de navegación por satélite M que se divide en k x j símbolos; para cada posición de símbolo, codificar los símbolos de las k páginas codificando cada columna de los símbolos de las páginas por separado para un total de j códigos Reed-Solomon;
generar un mensaje de navegación por satélite codificado M' para n páginas, en donde cada una de las n páginas comprende símbolos de j códigos paralelos;
asignar al menos un subconjunto de las n páginas del mensaje de navegación por satélite codificado a cada uno de la pluralidad de satélites; y
transmitir las páginas asignadas a los respectivos satélites de la pluralidad de satélites; y
al menos un receptor de usuario como se describió anteriormente.
Un sistema de este tipo permite la transmisión de mensajes o datos de navegación por satélite que tienen una alta relación paridad/datos.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la presente invención, ahora se hará referencia, a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 ilustra un esquema de transmisión de mensajes de navegación por satélite convencional en el que un mensaje de navegación por satélite dado se divide en bloques (denominado “división de mensajes”);
La figura 2 ilustra un esquema de transmisión de mensajes de navegación por satélite convencional basado en desplazamiento de página en el que cada satélite transmite el mismo mensaje de navegación por satélite con un desplazamiento diferente;
La figura 3 ilustra un método de transmisión en el que todos los símbolos en una posición dada en una página se codifican en un código separado;
La figura 4 ilustra el proceso de recepción en canales con desvanecimiento en los que un mensaje de navegación por satélite de 4 páginas se codifica en 12 páginas y se transmite por 3 satélites, y el receptor del usuario recompone el mensaje de navegación por satélite recibiendo solo 4 páginas.
La figura 5 ilustra implementaciones Reed-Solomon de la presente invención;
La figura 6 ilustra una comparación entre el coste de decodificación del método de la presente invención y el coste de decodificación de los métodos convencionales;
Las figuras 7a, 7b y 7c ilustran respectivamente una comparación entre el tiempo de recepción del método de la presente invención (indicado por asteriscos "*" en negro) y el tiempo de recepción de un método estándar (indicado por cruces "+" en gris) para un escenario "Cielo Abierto (Open Sky)", un escenario "Urbano Suave (Soft Urban)" y un escenario "Urbano Duro (Hard Urban)"; y
La figura 8 ilustra un esquema para definir el Identificador, ID, de página del mensaje de navegación por satélite basado en el ID de satélite del satélite transmisor y la hora, ambos conocidos a priori por el receptor de usuario.
Descripción de la invención
La presente invención se describirá con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invención no se limita a ellos. Los dibujos que se describen son solo esquemáticos y no limitativos. En los dibujos, el tamaño de algunos de los elementos puede estar exagerado y no estar dibujado a escala con fines ilustrativos.
Cabe señalar que la presente invención está dirigida a resolver problemas específicos asociados con el campo de la navegación por satélite y que pueden no ocurrir en el campo de las comunicaciones por satélite. En particular, los datos de navegación por satélite, codificados según la presente invención, son generalmente más difíciles de recibir que las señales de comunicación por satélite puras. Generalmente, las señales de comunicación por satélite se reciben a una potencia mucho mayor (donde las señales de navegación por satélite se reciben a aproximadamente -155 dBW, es decir, por debajo del nivel de ruido térmico). Debido a esto, la tasa de datos típica de las señales de navegación por satélite es del orden de 100 bps (50 bps para la señal L1 C/A de GPS), que es mucho menor que las tasas de datos habituales usadas en los sistemas de comunicación por satélite. Además, los mensajes de comunicación por satélite generalmente se transmiten desde una sola fuente, y las señales y los datos de navegación por satélite tienen que estar disponibles a dicha baja potencia para usuarios tanto estáticos como dinámicos en todos los entornos, que incluyen el aire, el mar, y la tierra, este último incluye copas de los árboles y cañones urbanos.
Con bajas tasas de recepción de datos en los sistemas de navegación por satélite, la presente invención resuelve el problema de transmitir mensajes largos, por ejemplo, del orden de miles o decenas de miles de bits, necesitando estas señales ser recibidas en entornos degradados a través de una redundancia de datos muy alta pero sin sobrecarga y baja complejidad de decodificación, que de otro modo no se puede lograr con métodos del estado de la técnica. Las implementaciones de código estándar RS (o similar) proporcionan una paridad muy baja con respecto a lo que se requiere para resolver el problema de la presente invención. Típicamente, la presente invención requiere una relación paridad/datos entre 1/10 y 1/6, para un mensaje que ya es largo. Si bien esto se puede lograr con códigos RS (o similares) con símbolos más largos, por ejemplo, 16 bits, estas implementaciones no son estándar y son más difíciles de decodificar en el receptor de usuario. En particular, el método de la presente invención se aplica a mensajes largos con una alta relación paridad/datos como se requiere para resolver el problema específico de navegación por satélite de la transmisión de mensajes largos con señales débiles en entornos degradados, es decir, con tasas de error potencialmente muy altas.
Además, una diferencia fundamental con respecto a la técnica anterior es que el método de la presente invención utiliza un procesamiento paralelo a un nivel de "intersímbolo", es decir, para varios símbolos, no a un nivel "intrasímbolo", es decir, a nivel de bits. Actuando a nivel de símbolo completo, es posible paralelizar tantos códigos como sea necesario. El método de la presente invención utiliza una paralelización de 54, es decir, (448-16)/8 vectores, que no es viable con los métodos conocidos de la técnica anterior.
Utilizando la paralelización intersímbolo, se puede obtener un método más flexible para decodificar mensajes o señales de navegación por satélite.
Además, en comparación con los sistemas de comunicación por satélite, los sistemas de navegación por satélite
necesitan transmitir mensajes con una tasa de redundancia muy alta para hacer frente a las altas tasas de error y transmitir esos mensajes desde más de una fuente o satélite.
El término "Cielo Abierto", como se usa en la presente memoria, se refiere a un entorno donde las señales de cuatro satélites transmisores se reciben con una tasa de error de página del 0,5 % para cada satélite.
El término "Urbano Suave" tal como se usa en la presente memoria se refiere a un entorno donde las señales de cuatro satélites transmisores se reciben con tasas de error de página del 0,5 %, 1 %, 10 % y 20 % respectivamente para los cuatro satélites.
El término "Urbano Duro" como se usa en la presente memoria se refiere a un entorno donde las señales de dos satélites transmisores se reciben con una tasa de error de página del 10 % y el 20 % respectivamente para los dos satélites.
El término "canal con desvanecimiento" se refiere a una comunicación que experimenta una variación en la atenuación de una señal con múltiples variables, tal como el tiempo, la posición geográfica y la frecuencia de radio.
El término "C/NAV" se refiere a los mensajes de navegación comerciales emitidos por los satélites Galileo en la frecuencia E6.
El término “I/NAV” se refiere a los mensajes de navegación de integridad emitidos por los satélites Galileo en las frecuencias E1 y E5.
El término “relación paridad/datos” se refiere a la cantidad de bits de paridad frente a la cantidad de bits de información en el mensaje codificado.
Los términos "códigos de bloque" o "esquemas de codificación de bloque" se refieren a códigos o esquemas de codificación en los que se puede lograr la paralelización. La presente invención se describe con referencia a los códigos Reed-Solomon pero no se limita a ellos. Por ejemplo, también se puede implementar el esquema de codificación Bose-Chaudhuri-Hocquengem (BCH).
El término "canal de borrado binario" o "BEC" se refiere a un modelo de canal de comunicaciones común en el que un transmisor envía un bit (un "0" o un "1") y el receptor recibe el bit o recibe un mensaje de que el bit no fue recibido o fue "borrado". En realidad, el transmisor transmite paquetes de bits y el receptor recibe el paquete o el paquete se borra. En el presente método, se comprueba el CRC de la página C/NAV y la página se descarta si falla el CRC.
El enfoque propuesto en el artículo "European GNSS (Galileo) Open Service Signal In Space Interface Control Document, (OS SIS ICD V1.3)" se muestra en la figura 1. En la figura 1, se muestra un sistema 10 de navegación por satélite que comprende un receptor 12 de usuario y tres satélites 14, 16, 18. Como se muestra, cada satélite 14, 16, 18 transmite un mensaje de navegación por satélite al receptor 12 de usuario en dos fragmentos de cuatro páginas. Esto se conoce como división de mensajes. Los dos fragmentos de cuatro páginas se indican como 14a y 14b, 16a y 16b, y, 18 a y 18b de los respectivos satélites 14, 16 y 18. Aquí, los datos del bloque se codifican de manera intercambiable para que cualquier página contribuya a ello; sin embargo, debido a las deficiencias del canal, el receptor 12 de usuario solo recibe los bloques mostrados en gris. En este ejemplo, el receptor 12 de usuario no podría recibir todos los fragmentos 14a, 14b, 16a, 16b, 18a y 18b de uno cualquiera de los satélites 14, 16, 18 y, por lo tanto, no podrían decodificar el mensaje de navegación por satélite. Sin embargo, si las páginas fueran completamente intercambiables como se describe a continuación, sería posible decodificar el mensaje de navegación por satélite como se describirá con más detalle a continuación.
Como se describió anteriormente, el desplazamiento de página no permite una recuperación óptima del mensaje de navegación por satélite. La figura 2 ilustra un sistema 20 de navegación por satélite que es similar al sistema 10 de la figura 1 y comprende un receptor 22 de usuario y tres satélites 24, 26, 28. Sin embargo, en este caso, cada satélite 24, 26, 28 transmite un mensaje de navegación por satélite de 4 páginas con un desplazamiento de página de 0, 1,2 respectivamente. En este ejemplo, el receptor de usuario recibe solo la mitad de las páginas (mostradas en gris) de cada uno de los satélites y, por lo tanto, no podría recibir el mensaje de navegación por satélite completo. Como se mencionó anteriormente con referencia a la figura 1, si todas las páginas son intercambiables, el mensaje de navegación por satélite se podría recibir en 2 segundos.
Sin embargo, el desplazamiento de página por sí solo no permite la recepción ya que el receptor de usuario debería esperar la retransmisión del mensaje de navegación por satélite, si es posible, con su retardo asociado. El sistema no puede controlar qué satélites ve cada receptor de usuario y siempre habrá usuarios que reciban una combinación de páginas que no permita una decodificación o demodulación exitosa del mensaje de navegación por satélite.
El problema que resuelve la presente invención se puede definir matemáticamente de la siguiente manera: Sea un mensaje de navegación por satélite M del servicio de alta precisión (HAS) compuesto por k páginas (M1 , ..., Mk) que tiene que ser transmitido por varios satélites de navegación en un momento dado a través de un canal de borrado binario, el BEC que supone que una página C/NAV se recibe correctamente o se descarta. El BEC se modela comprobando el CRC de la página C/NAV y descartando la página si el CRC falla.
El mensaje de navegación por satélite M se codifica en un mensaje de navegación por satélite codificado C, de n páginas, (C1, Cn) donde n > k, y transmitido al mismo tiempo por múltiples satélites para que cualquiera k páginas recuperadas de C recibidas de cualquier satélite permita decodificar el mensaje de navegación por satélite original M, permitiendo la intercambiabilidad páginas completa en la recepción de mensajes de navegación por satélite. El método debe ser válido para diferentes longitudes de mensajes, y el proceso de decodificación debe ser asequible en un receptor de usuario.
El método de la presente invención se basa en las siguientes etapas y usa un procesamiento paralelo a nivel intersímbolo para que no haya restricción:
• Dividir un mensaje de navegación por satélite M en k páginas (M1, ..., Mk)
• Dividir cada página en j símbolos para que el mensaje de navegación por satélite completo M se divida en k x j símbolos (w1,1, ..., Wk,j)
• Para cada posición de símbolo C = 1, ..., j, codificar los símbolos de la k páginas (W1,c, ..., Wk,c) en (w'1,c, ..., w ’n,c) con un esquema de codificación de bloques que tiene la propiedad de que se puede usar cualquiera k símbolos de los n símbolos codificados en la recuperación del mensaje de navegación por satélite original
• Generar un mensaje de navegación por satélite codificado completo M' (w'1,1, ..., w'n,j), de n páginas, donde cada página se compone de símbolos de j códigos paralelos
• Adjuntar un CRC o comprobación similar a cada página para que la recepción de la página se trate como en un canal de borrado binario
• Asignar las n páginas de M’, o un subconjunto de ellas, a diferentes satélites, y transmitir el mensaje de navegación por satélite a través de los satélites, para que cada satélite transmita diferentes páginas
• En el lado del receptor de usuario, cuando k páginas de M’ se reciben con éxito de cualquiera de los satélites visibles, decodificar el mensaje de navegación por satélite M aplicando el proceso de decodificación recursivamente j veces
En la figura 3 se muestra un proceso de codificación y asignación de mensaje a satélite, donde n páginas (C1, ..., Cn) se codifican en los símbolos w 1,1 para wn,j con j que es el número total de símbolos en una página C/NAV. Por ejemplo, j puede ser 52 para 448 bits menos la cabecera de 16 bits. En lugar de usar el mismo código RS para todos los símbolos en el mensaje de navegación por satélite, cada columna (w1,1, ..., wn,1 ; w 1,2, ..., wn,2 ; etc.) se codifica y decodifica por separado para un total de j códigos RS. Las páginas Ci=1,n, o un subconjunto de los mismas, se transmiten secuencialmente a lo largo del tiempo por diferentes satélites, lo que permite que el receptor de usuario identifique cada Ci. Cuando el receptor de usuario recibe k páginas, j códigos se decodificarán para proporcionar el mensaje de navegación por satélite usando paralelización en el nivel intersímbolo.
Se muestra en la figura 4 el proceso de recepción en canales con desvanecimiento, donde un mensaje de navegación por satélite de 4 páginas se codifica en 12 páginas y se transmite por 3 satélites, y el receptor recompone el mensaje de navegación por satélite recibiendo solo 4 páginas. En la figura 4, se muestra un sistema 100 de navegación por satélite que comprende un receptor 110 de usuario y tres satélites 120, 130, 140. Cada satélite 120, 130, 140 transmite cuatro páginas al receptor 110 de usuario. Sin embargo, debido a los canales con desvanecimiento, solo las páginas indicadas en gris se reciben por el receptor 110 de usuario y estas páginas se usan para decodificar y recomponer el mensaje de navegación por satélite original de 4 páginas.
Los códigos Reed-Solomon tienen la propiedad de permitir la recuperación de un mensaje de navegación por satélite con cualquiera k símbolos de los n símbolos transmitidos. Por lo tanto, una realización de la presente invención se basa en la codificación Reed-Solomon. Para lograr la intercambiabilidad de páginas completa con múltiples satélites, n tiene que ser mucho más grande que k, es decir, el mensaje de navegación por satélite tiene que codificarse con muchos datos de paridad de modo que diferentes satélites no transmitan las mismas páginas. Esto se describe por Westall et al. en "An introduction to Galois Fields and Reed-Salomon Coding", Escuela de Informática de la Universidad de Clemson, SC (2010): 29634-1906.
Basado en las estimaciones actuales del tamaño máximo de mensaje para un mensaje de posicionamiento de punto preciso (PPP) transmitido en las señales E6B de Galileo a 448 bps, se puede suponer que:
• Una longitud máxima del mensaje de navegación por satélite (kmax) de 20 páginas, o 8640 bits, o 1080 bytes (por ejemplo, un mensaje de iono), donde cada página puede proporcionar 432 bits (54 bytes), más 16 bits para una cabecera usada para identificar la información contenida en la página, para un total de 448 bits. •
• Un máximo de 20 satélites transmisores, según las capacidades de la constelación de Galileo, lo que requeriría una relación paridad/datos de 20/1.
Sin embargo, para reducir la cantidad de relación paridad/datos de 20/1, se puede suponer que los satélites en una franja opuesta de una órbita no se pueden observar por el mismo receptor de usuario. Esto ya reduce la redundancia a la mitad (de 20 a 10). Otras suposiciones son que los satélites se pueden distribuir uniformemente en el cielo y que, con un cielo limpio, un receptor en la Tierra puede ver como máximo 1/3 de los 20 satélites conectados a Galileo. En este caso, un mensaje RS puede tener una relación paridad/datos de 6/1 para un total (datos paridad) de 7560 bytes. Sin embargo, la mayoría de los enfoques de codificación RS estándar se basan en Campo Galois (GF) (2m), donde m = 8, lo que implica que no se pueden codificar más de 256 bytes. Son posibles otras implementaciones con m = 16 o m = 32, pero complican la aritmética de campo de Galois (especialmente la multiplicación de polinomios para m = 32), lo que aumenta el coste de decodificación del receptor y los requisitos de almacenamiento.
En la figura 5 se proporcionan algunos ejemplos con diferentes longitudes de mensajes, hasta 20 páginas. En el primer ejemplo, un mensaje de 20 páginas se transmite a una tasa de código de 1/5, es decir, garantiza la intercambiabilidad de páginas para hasta 5 satélites a la vista del receptor de usuario. Se codifican mensajes 100 de símbolos de 8 bits, con 20 símbolos de datos y 80 símbolos de paridad, que encajan bien en muchos códigos RS, como por ejemplo, RS(255,161,8) como se describe por Cheung et al. en "End-to-End system consideración of Galileo image compression system" (Simposio internacional de Geociencia y Teledetección, Vol. 2, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, INC (IEE), 1996). Los símbolos de información sobrantes se rellenarían con ceros (por ejemplo, en el ejemplo de 20 páginas, de los 161 símbolos de datos, solo se usarían 20, y 141 se rellenarían con ceros) como se describe por B.E. Schotsch en "Encoding of the CED in the Galileo E1 I/NAV Message", 2017.
En el segundo ejemplo, un mensaje de navegación por satélite de 16 páginas se transmite a una tasa de código de 1/6. Los mensajes de 96 símbolos de 8 bits se codifican con 16 símbolos de datos y 80 símbolos de paridad con los símbolos de información sobrante que se rellenan con ceros. En el tercer ejemplo, un mensaje de navegación por satélite de 10 páginas se transmite a una tasa de código de 1/8. Los mensajes de 80 símbolos de 8 bits se codifican con 10 símbolos de datos y 70 símbolos de paridad con los símbolos de información sobrante que se rellenan con ceros.
En el cuarto ejemplo con menos redundancia, como se propone en el artículo de Schotsch mencionado anteriormente, se transmite un mensaje de navegación por satélite de 18 páginas a una tasa de código de 1/4 con un código RS I/NAV, RS(255,195,8), que proporciona paridad de 60 símbolos.
Una de las ventajas del método de la presente invención, en comparación con una codificación RS estándar en un solo código, es el coste de decodificación significativamente menor. Repitiendo j veces el proceso de decodificación aumenta linealmente el coste de decodificación con respecto a una sola iteración del decodificador, pero como el mensaje de navegación por satélite es mucho más corto, el coste de decodificación disminuye exponencialmente. El coste de decodificación se estima como el coste de invertir una matriz de k x k y el coste de resolver un sistema lineal de k x k. El coste de inversión de la matriz generalmente se estima como O(k3), que es el coste del método de Eliminación Gaussiana. El coste de resolver el sistema lineal se estima como O(k2).
En la figura 6 se muestra una comparación con los métodos estándar. La comparación se basa en una página de datos de 432 bits de longitud y un tamaño de mensaje de k = 20 y k = 4. Se seleccionan tres implementaciones:
• Un solo código RS para todo el mensaje de navegación por satélite. La m = 8 para un mensaje corto (n = 216 < 28), y m = 16 para un mensaje largo (28 < n < 216). Esto se denomina "Estándar 1".
• Una implementación basada en dividir el mensaje de navegación por satélite en 5 fragmentos de 4 páginas, donde cada fragmento se codifica por separado. Esto se denomina "Estándar 2".
• El método de la presente invención se denomina "MRSC" (codificación RS múltiple).
En la figura 6, m representa el tamaño del símbolo (el tamaño de GF es 2m), "máx páginas/código" representa el número de páginas C/NAV que están (total o parcialmente, en el caso de MRSC) codificadas con un código RS; "códigos/mensaje en paralelo" es el número de códigos RS que codifican un mensaje de navegación por satélite dado en paralelo; "fragmentos" es el número de códigos RS que codifican un mensaje de navegación por satélite dado; "códigos" es el número total de códigos para el mensaje de navegación por satélite, "k" es el número total de bytes codificados por código; y "operaciones decodificación/código" es el número de operaciones de decodificación por código (O(k3)+O(k2)). Como se muestra, la implementación de la presente invención (MRSC) tiene un coste de decodificación mucho menor que las otras implementaciones ("Estándar 1" y "Estándar 2") para el mismo mensaje de navegación por satélite.
Otra ventaja del método de la presente invención es la capacidad de recepción mejorada en condiciones con desvanecimiento. En las figuras 7a a 7c se muestra la recepción de un mensaje de navegación por satélite de 20 páginas a través de MRSC en comparación con un método convencional equivalente en cinco fragmentos de 4 páginas. Cada una de las figuras 7a a 7c se modelaron usando una simulación de Monte-Carlo ejecutada con 5000 instancias, midiendo el tiempo para decodificar el mensaje de navegación por satélite en cada caso.
La figura 7a ilustra una comparación entre el tiempo de recepción en el método de la presente invención, indicado como "*" en negro, y el tiempo de recepción de un método de 4 páginas/5 fragmentos, indicado como "+" en gris, para
un caso de "cielo abierto" con cuatro satélites a la vista del receptor de usuario. En el método convencional, la secuencia de fragmentos se optimiza para que los satélites transmitan secuencias de fragmentos complementarias para el receptor de usuario. Se obtuvo una tasa de error de página del 0,5% para cada uno de los cuatro satélites. La figura 7b es similar a la figura 7a pero para un caso "urbano suave" con cuatro satélites a la vista del receptor de usuario. Se obtuvieron tasas de error de página del 1%, 5%, 10% y 20% para los respectivos satélites.
La figura 7c es similar a las figuras 7a y 7b pero para un caso "urbano duro" con solo dos satélites a la vista del receptor de usuario. Se obtuvieron tasas de error de página del 10% y 20% para los respectivos satélites.
Como se muestra en las figuras 7a a 7c, el método de la presente invención mejora significativamente la solidez de la recepción de mensajes y el mensaje de navegación por satélite se recibe mucho más rápidamente.
Una implementación específica del método de la presente invención puede basarse en que cada página incluya una cabecera, con un campo de ID de mensaje, un campo de longitud de mensaje, y un campo de ID de Página.
Otra implementación específica, en la que se reduce el tamaño de la cabecera, puede basarse en definir una matriz satélite/tiempo para varios satélites y tiempo dado, para que el campo ID de Página se pueda definir desde la matriz, en lugar de ocupar espacio en la cabecera, permitiendo así la posibilidad de tener mensajes de navegación por satélite codificados largos. Esto se ilustra en la figura 8.
La figura 8 ilustra cómo identificar las páginas de un mensaje compuesto por un máximo de (n+1 )*T páginas con solo identificar la identificación del satélite (n) y el tiempo (entre 1 y T) sin tener que transmitir necesariamente esta información en la cabecera.
Otra implementación específica puede incluir una cabecera de página donde el esquema de codificación que está codificando el mensaje de navegación por satélite se define en la cabecera, permitiendo así múltiples esquemas. Otra implementación específica incluye la codificación de un mensaje de alta precisión basado en agrupar subtipos de mensajes en 3 mensajes: un mensaje para la máscara del satélite, correcciones de órbita, sesgos y precisión de alcance del usuario (URA); un mensaje para correcciones ionosféricas; y un mensaje para las correcciones del reloj del satélite compuesto de 1 a 3 páginas, dependiendo de la cantidad de satélites en la máscara del satélite.
Otras implementaciones incluyen otros códigos de bloque diferentes a RS, u otras longitudes de símbolo diferentes a 8 bits (por ejemplo, 16 bits o 32 bits, ya que ambos están disponibles para RS).
En otra implementación, el mensaje de navegación por satélite codificado no es un mensaje de alta precisión, sino otro mensaje de navegación por satélite común transmitido por una constelación GNSS, tal como una firma digital o un almanaque.
Otra implementación permite el intercalado de varios mensajes de navegación por satélite diferentes de diferentes satélites en el tiempo. Esto significa que, en lugar de transmitir un mensaje en un intervalo de tiempo dado, el sistema puede transmitir varios mensajes durante ese intervalo de tiempo, y, la cabecera de un mensaje en particular identifica ese mensaje con un ID de mensaje en particular.
Claims (12)
1. Un método de generación de un mensaje de navegación por satélite codificado, en forma de varias páginas, para su transmisión a al menos un receptor (110) de usuario a través de una pluralidad de satélites (120, 130, 140), el método que comprende las etapas de:
a) dividir, en una estación terrestre, un mensaje de navegación por satélite M en k páginas;
b) dividir, en la estación terrestre, cada página en j símbolos, el mensaje de navegación por satélite M que se divide en k x j símbolos;
c) para cada posición de símbolo, codificar los símbolos de las k páginas en la estación terrestre; y
d) generar, en la estación terrestre, un mensaje de navegación por satélite codificado M' para n páginas, caracterizado en que la etapa c) comprende codificar cada columna de los símbolos de las páginas por separado para un total de j códigos de bloque, en donde cada una de las n páginas comprende símbolos de j códigos paralelos, y en que el método comprende además las etapas de:
e) asignar, en la estación terrestre, al menos un subconjunto de las n páginas del mensaje de navegación por satélite codificado a cada uno de la pluralidad de satélites (120, 130, 140) ;
f) transmitir, por la estación terrestre, las páginas asignadas a los respectivos satélites de la pluralidad de satélites (120, 130, 140); y
g) transmitir las páginas asignadas por la pluralidad de satélites al al menos un receptor (110) de usuario.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde la etapa c) comprende además usar un esquema de codificación de bloques que permite usar cualquiera k símbolos de las n páginas en la recuperación del mensaje de navegación por satélite original.
3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en donde los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
4. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la etapa d) comprende además adjuntar una comprobación de redundancia cíclica a cada página para simular un canal de borrado binario.
5. Un método de decodificación de un mensaje de navegación por satélite codificado en al menos un receptor (110) de usuario, el mensaje de navegación por satélite codificado que se genera y se transmite según el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, el método que comprende las etapas de:
i) recibir, en cada uno de los al menos un receptor (110) de usuario, páginas transmitidas por la pluralidad de satélites (120, 130, 140) dentro del campo de visión de dicho cada uno de los al menos un receptor (110) de usuario; y ii) decodificar, en dicho cada uno de los al menos un receptor (110) de usuario, el mensaje de navegación por satélite codificado de las páginas recibidas de la pluralidad de satélites (120, 130, 140) aplicando recursivamente un proceso de decodificación al mismo decodificando cada columna por separado para un total de j códigos de bloque.
6. Un método según la reivindicación 5, en donde los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
7. Un método según la reivindicación 5 o 6, en donde la etapa i) comprende además recibir diferentes páginas desde diferentes de la pluralidad de satélites (120, 130, 140).
8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde la etapa i) comprende además recibir las páginas secuencialmente a lo largo del tiempo.
9. Un receptor (110) de usuario configurado para decodificar un mensaje de navegación por satélite codificado transmitido como páginas diferentes desde una pluralidad de satélites (120, 130, 140) en su campo de visión, el mensaje de navegación por satélite codificado que se genera y se transmite según el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, el receptor (110) de usuario que comprende:
medios para recibir páginas transmitidas por la pluralidad de satélites (120, 130, 140) dentro de su campo de visión; y medios para decodificar el mensaje de navegación por satélite codificado de las páginas recibidas de la pluralidad de satélites (120, 130, 140), los medios para decodificar el mensaje de navegación por satélite codificado que comprenden medios para aplicar recursivamente un proceso de decodificación al mismo, los medios para aplicar recursivamente un proceso de decodificación que se configuran para decodificar cada columna por separado para un total de j códigos de bloque.
10. Un receptor (110) de usuario según la reivindicación 9, en donde los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
11. Un sistema (100) de navegación por satélite para generar, transmitir y decodificar un mensaje de navegación por satélite codificado en forma de varias páginas, el sistema que comprende:
una pluralidad de satélites (120, 130, 140) ;
al menos un receptor (110) de usuario según la reivindicación 9 o 10; y
una estación terrestre que comprende medios para generar un mensaje de navegación por satélite codificado, en forma de varias páginas, para su transmisión a la pluralidad de satélites, los medios para generar el mensaje de navegación por satélite codificado que comprenden:
medios para dividir un mensaje de navegación por satélite M en k páginas;
medios para dividir cada página en j símbolos, el mensaje de navegación por satélite M que se divide en k x j símbolos; medios para, para cada posición de símbolo, codificar los símbolos de las k páginas codificando cada columna de los símbolos de las páginas por separado para un total de j códigos de bloque;
medios para generar un mensaje de navegación por satélite codificado M' para n páginas, en donde cada una de las n páginas comprende símbolos de j códigos paralelos;
medios para asignar al menos un subconjunto de las n páginas del mensaje de navegación por satélite codificado a cada uno de la pluralidad de satélites; y
medios para transmitir las páginas asignadas a los respectivos de la pluralidad de satélites,
en donde la pluralidad de satélites (120, 130, 140) comprende medios para transmitir las páginas asignadas al al menos un receptor de usuario.
12. Un sistema (100) de navegación por satélite según la reivindicación 11, en donde los códigos de bloque comprenden códigos Reed-Solomon.
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