ES2927027T3 - Método y sistema para el procesamiento de señales de satélite - Google Patents

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Abstract

Un método para rastrear una pluralidad de señales de un solo satélite comprende recibir una primera señal (s1) transmitida por un satélite (2); recibir al menos una segunda señal (s2) transmitida por el mismo satélite; aplicar un proceso de filtrado previo para determinar los componentes acumulativos en fase y en cuadratura de las señales primera, segunda y, opcionalmente, cualquier otra señal; y aplicar un proceso de filtrado a los componentes acumulados en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal para determinar un alcance (r) y una tasa de alcance (v) del satélite; en el que el proceso de filtrado comprende aplicar un filtro de Kalman. El método da como resultado una determinación del alcance y la tasa de alcance de un solo satélite con una relación señal/ruido mejorada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y sistema para el procesamiento de señales de satélite
La presente invención se refiere a un método y sistema para rastrear una pluralidad de señales de un solo satélite, donde la primera y la segunda señal enviadas por el mismo satélite se reciben y filtran para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite.
Los sistemas de navegación por satélite utilizan una serie de satélites en una posición de órbita terrestre media (MEO) que proporcionan información de posicionamiento geoespacial autónoma. Dichos satélites típicamente están a una altitud de 20000 km, con un período orbital de aproximadamente 12 horas. Los receptores electrónicos, comúnmente conocidos como "navegadores por satélite", usan dichos satélites para establecer la ubicación con una precisión de unos pocos metros, tomando las señales horarias transmitidas a lo largo de una línea de visión desde los satélites hasta el receptor para determinar la longitud, la latitud y la altitud. Las señales horarias también permiten la sincronización horaria con una alta precisión mediante el cálculo de la hora local actual. Un sistema de navegación por satélite con cobertura global generalmente se denomina sistema global de navegación por satélite o GNSS. Hay (a partir de 2013) dos GNSS que son GNSS de operación global: NAVSTAR (un GPS estadounidense o sistema de posicionamiento global) y GLONASS (un sistema ruso), con sistemas en China (Beidou) y Europa (Galileo) en varias etapas de desarrollo, al igual que otros sistemas regionales.
Los receptores GNSS usan una pluralidad de bucles de seguimiento de señales, cada uno de los cuales está dedicado a un tipo de señal y/o satélite diferente. Cada señal transmitida por el satélite comprende información de tiempo (la hora a la que se transmite la señal) e información de posición (la posición a la que se transmite la señal). Típicamente, se recibe una señal, con componentes en fase y en cuadratura (90° o n/2 desfasadas) que luego se filtran y los datos de tiempo/posición se usan como base para determinar el alcance del satélite (distancia entre el satélite y el receptor) y la velocidad de alcance del satélite (velocidad a la que viaja el satélite con relación al receptor).
Sin embargo, las señales recibidas del mismo satélite donde el alcance entre el satélite y el receptor es el mismo llegarán en momentos diferentes debido a las diferencias de retardo en el procesamiento dentro del receptor. Por ejemplo, estos pueden deberse al paso a través de filtros de diferentes anchos de banda, o varios factores externos, tales como el retardo ionosférico o troposférico. El retardo ionosférico depende de la frecuencia y se ve afectado tanto por el ángulo de elevación del satélite (sobre el plano tangente del usuario local) como por el recuento total de electrones a lo largo de la trayectoria de la señal entre el satélite y el receptor. El retardo troposférico comprende un componente que depende del paso de la señal a través de una atmósfera seca y un componente, menos fácil de determinar, que depende del paso de la señal a través de una atmósfera húmeda. En consecuencia, se han propuesto soluciones para eliminar el componente de retardo ionosférico en el procesamiento de señales para múltiples señales de un solo satélite, por ejemplo, tal como en el documento US 7,151,486, y aunque tiene éxito hasta cierto punto, funciona sobre la base de dos señales portadoras. También está la cuestión del retardo de coherencia en cualquier estimación del retardo ionosférico, que puede ser importante. Las soluciones alternativas implican el uso de una tercera señal portadora que permite una resolución rápida de cualquier ambigüedad de la fase de la portadora, pero en la práctica presentan una relación señal/ruido deficiente. El ángulo en el que se recibe una señal también determinará en parte los errores debido al retardo ionosférico o troposférico. El ángulo afecta la distancia en cada medio que la señal ha viajado antes de llegar al receptor y, por lo tanto, contribuye a la cantidad de retardo que ha experimentado la señal.
La solicitud de patente de Estados Unidos US2007/0211791 describe una técnica para procesar señales GNSS de un satélite mediante la cual se combinan diferentes códigos enviados en la misma banda de frecuencia, y se usa un filtro de Kalman para combinar señales de navegación obtenidas a partir de la información obtenida de los códigos combinados.
En la mayoría de las situaciones, un solo receptor recibirá una pluralidad de señales de diferentes tipos en cualquier momento. Para poder producir una sola estimación de posición, velocidad y tiempo (PVT) o posición, navegación y tiempo (PNT), un receptor convencional debe poder procesar un único tipo de señal deseado (tal como una señal GPS L1 C/A) recibida de una pluralidad de satélites. La combinación de muchas señales provoca un aumento de los errores, ya que los errores debido al retardo ionosférico y troposférico y la relación señal/ruido, entre otros, variarán con la posición relativa (ángulo y distancia) del receptor y el satélite. Por tanto, cada señal de interés tendrá sus propios errores inherentes, que serán diferentes a cualquier otra señal de ese tipo recibida de otros satélites. Las técnicas de filtrado se usan para reducir estos errores cuando se combina una pluralidad del mismo tipo de señal, donde se aplica una función de filtrado matemático a la señal combinada y los datos de error. Por ejemplo, las técnicas de filtrado de mínimos cuadrados se usan comúnmente, y también pueden usarse filtros de Kalman. Los datos filtrados dan como resultado una estimación de la señal mucho más precisa que la que estaría disponible de cualquier otra manera. Dichos métodos matemáticos se prestan bien a este tipo de filtrado de un solo tipo de señal de una pluralidad de fuentes.
Ni la eliminación del componente ionosférico ni el uso de una tercera señal portadora tienen en cuenta el problema de los entornos en los que se puede denegar la señal GNSS, por ejemplo, mediante interferencias. Esas señales aún requieren seguimiento, suponiendo que no todas las señales GNSS se interfieran simultáneamente. Esto, junto con el problema de la degradación de la relación señal/ruido, que es un problema fundamental de las técnicas conocidas, conduce a la necesidad de poder rastrear múltiples señales desde una sola fuente de satélite, independientemente del entorno.
La presente invención pretende abordar estos problemas al proporcionar un método para rastrear una pluralidad de señales de un solo satélite, que comprende: recibir una primera señal transmitida por un satélite; recibir al menos una segunda señal transmitida por el mismo satélite; aplicar un proceso de filtrado previo para determinar las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal; caracterizado porque el método comprende además aplicar un proceso de filtrado a las componentes acumuladas en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite; en donde el proceso de filtrado comprende aplicar un filtro de Kalman;
y además en donde el método se repite mediante el uso de señales de una pluralidad de satélites diferentes para producir alcance y velocidad de alcance para cada satélite, y se calcula la posición de un objeto mediante el uso de los datos de alcance y velocidad de alcance así generados.
La salida del filtro de Kalman comprende una estimación del alcance al satélite individual y una estimación de la velocidad de alcance. El alcance y la velocidad de alcance, cuando se extraen de manera similar de una pluralidad de satélites (generalmente se requieren al menos cuatro), pueden usarse para producir una sola estimación para PVT o PNT. Por tanto, el método anterior se repite ventajosamente mediante el uso de una pluralidad de satélites.
El uso de un filtro de Kalman para procesar una pluralidad de señales de un solo satélite proporciona una capacidad de navegación mejorada porque, como un resultado de la acción del filtro de Kalman, se mejora la relación señal/ruido de las estimaciones de alcance y velocidad de alcance al satélite en cuestión. Una consecuencia es que las señales que tienen una relación señal/ruido más alta pueden usarse para compensar las señales que tienen una relación señal/ruido más baja recibidas del mismo satélite. El problema de la interferencia de la señal se vuelve menos problemático debido a esta capacidad.
La primera y al menos la segunda señal pueden tener frecuencias diferentes.
Preferentemente, la primera y al menos la segunda señal tienen la misma frecuencia. En esta situación, la primera y al menos la segunda señal pueden transmitirse en momentos diferentes.
El método se repite mediante el uso de señales de una pluralidad de satélites diferentes para producir el alcance y la velocidad de alcance para cada satélite, y se calcula la posición de un objeto mediante el uso de las estimaciones de alcance y velocidad de alcance de una multiplicidad de satélites. Las estimaciones de alcance y velocidad de alcance obtenidas de un solo satélite, como se describe en la presente descripción, mejoran en precisión mediante el proceso de filtro de Kalman. Por lo tanto, se puede obtener una posición de navegación mejorada cuando se usan estos datos más precisos. Aunque el método se emplea preferentemente con cada satélite que se usa para proporcionar una posición de navegación, aún proporciona beneficios cuando se usa con solo uno, o un subconjunto más grande de los satélites en uso.
En otro aspecto, la presente invención también proporciona un sistema para rastrear una pluralidad de señales de un solo satélite, que comprende: una unidad receptora adaptada para recibir una primera señal transmitida por un satélite y al menos una segunda señal transmitida por el mismo satélite; y un microprocesador adaptado para aplicar un proceso de filtrado previo para determinar las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal, caracterizado porque además está adaptado para aplicar un proceso de filtrado a las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite; en donde el proceso de filtrado comprende aplicar un filtro de Kalman, y además en donde el sistema se dispone para repetir el proceso mediante el uso de señales de una pluralidad de satélites diferentes para producir el alcance y la velocidad de alcance para cada satélite, y calcular a partir de ahí la posición de un objeto mediante el uso de los datos de alcance y velocidad de alcance así generados.
La presente invención se describirá ahora, a manera de ejemplo solamente, y con referencia a los dibujos acompañantes; en los cuales:
La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de una unidad de satélite y receptor configurada para funcionar como parte de una red GNSS dentro de una primera modalidad de la presente invención;
La Figura 2 es una representación esquemática de una unidad receptora usada en la red de la Figura 1; y La Figura 3 muestra un diagrama esquemático de una unidad de satélite y receptor configurada para funcionar como parte de una red GNSS como parte de una segunda modalidad de la presente invención.
La presente invención adopta el enfoque de usar un filtro de Kalman como base de una arquitectura de seguimiento para una pluralidad de señales recibidas por un receptor desde el mismo satélite. Al recibir una primera señal transmitida por un satélite y recibir una segunda señal transmitida por el mismo satélite, se puede aplicar un proceso de filtrado previo para determinar las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera y la segunda señal. Esto permite entonces que se aplique un proceso de filtrado a las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera y la segunda señale para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite. El proceso de filtrado es un filtro de Kalman, que ofrece una serie de ventajas cuando se usa en relación con las señales de un solo satélite, como se describe con más detalle a continuación.
La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de una unidad de satélite y receptor configurada para funcionar como parte de una red GNSS dentro de una primera modalidad de la presente invención. La red 1 comprende un satélite 2 (no se muestran satélites adicionales dentro de la red) y una unidad receptora 3. El satélite 2 está en una órbita 4 sobre la superficie de la Tierra 5, y la unidad receptora 3 está posicionada en la superficie de la Tierra 5. El satélite 2 está posicionado de manera que está separado de la unidad receptora 3 por un alcance r, y la velocidad relativa entre el satélite 2 y la unidad receptora 3 es una velocidad de alcance v. En el momento ti, el satélite 2 transmite una primera señal si que tiene una frecuencia fi a la unidad receptora 3. En el momento t2, el mismo satélite 2 transmite una segunda señal S2 que tiene también una frecuencia fi a la unidad receptora 3.
La Figura 2 es una representación esquemática de una unidad receptora usada en la red de la Figura 1. La unidad receptora 3 comprende un receptor 6, un microprocesador 7 y una salida de visualización 8. La salida de visualización 8 puede ser integral con la unidad receptora 3 (tal como una pantalla de cristal líquido u otra pantalla visual) o puede estar conectada directa o indirectamente a una pantalla (tal como a través de un bus u otro dispositivo de conexión similar, con o sin hardware adicional o medios de procesamiento conectados en el medio). La primera señal si y la segunda señal S2 se reciben en el receptor 6. El microprocesador 7 comprende medios de prefiltrado para seleccionar en primer lugar las componentes en fase y en cuadratura de la primera si y la segunda S2 señal y, en segundo lugar, para sumar las componentes similares, lo que forma salidas acumulativas en fase y en cuadratura. Las componentes acumulativas en fase y en cuadratura se someten luego a un proceso de filtrado para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite 2. El proceso de filtrado comprende el uso de un filtro de Kalman.
Un filtro de Kalman es un estimador cuadrático lineal que usa un modelo dinámico de un sistema, tal como leyes físicas de movimiento, entradas de control conocidas al sistema y múltiples mediciones secuenciales para formar una estimación de las cantidades variables del sistema que es más precisa que una estimación obtenida mediante el uso de cualquier medida sola. El filtro de Kalman promedia una predicción del estado de un sistema mediante el uso de promedios ponderados, de manera que el resultado del cálculo del promedio ponderado es un estado que se encuentra entre un estado medido y un estado estimado, pero es más preciso que cualquiera de ellos solo debido a su incertidumbre estimada. El proceso es un proceso iterativo recursivo, ya que solo la nueva estimación y su covarianza (usada en el sistema de ponderación como una estimación de la incertidumbre en el estado previsto) se usan en la siguiente iteración. La incertidumbre de las medidas puede ser difícil de cuantificar, por lo que el rendimiento del filtro se analiza a menudo en términos de ganancia. Una ganancia de Kalman baja enfatiza las predicciones, lo que suaviza el ruido en los datos, y una ganancia de Kalman alta enfatiza las mediciones.
El modelo de filtro de Kalman asume que el verdadero estado de un sistema en el momento k evoluciona desde el estado en el tiempo k-i, de acuerdo con la Ecuación 1:
xk — Fkxk- 1 Bkuk + wk Ecuación 1
Donde Fk es el modelo de transición de estado aplicado al estado anterior en xk-i
Bk es el modelo de entrada de control aplicado al vector de control Uk
Wk es el ruido basado en una distribución normal de covarianza Qk, Wk~N(0, Qk)
En el momento k una observación de Zk del verdadero estado Xk se hace de acuerdo con la Ecuación 2:
zk = Hkxk + vk Ecuación 2
Donde Hk es el modelo de observación que mapea el espacio de estado verdadero en el espacio observado y Vk es el ruido de observación que se supone que es una distribución gaussiana de media cero con covarianza Rk, Vk~N(0, Rk). Se supone que el estado inicial y los vectores de ruido en cada etapa son independientes.
Una vez aplicado el filtro de Kalman a la primera si y la segunda S2 componente de señal y se ha determinado el alcance y la velocidad de alcance, estos se introducen en el algoritmo ejecutado por el microprocesador 7 que determina la posición de la unidad receptora 3 mediante la triangulación de señales de varios satélites. Esto permite la determinación precisa de longitud, latitud y altitud. El enfoque del filtro de Kalman puede usarse para una pluralidad de señales recibidas de cada satélite individual usado en el proceso de triangulación, o para una o más en dependencia de las condiciones ambientales y/o la intensidad de la señal.
Utilizar el filtro de Kalman para determinar el alcance y la velocidad de alcance y, por lo tanto, rastrear las señales de un solo satélite ofrece muchas ventajas. Al combinar el seguimiento de varias señales de satélite en un solo filtro de seguimiento, pueden usarse señales más fuertes para ayudar al seguimiento de las más débiles. La readquisición de señales después de interrupciones de señal se realiza más rápidamente ya que las estimaciones del alcance y la velocidad de alcance se mantienen mediante el seguimiento de las señales restantes, por ejemplo, si una señal de frecuencia en particular está bloqueada o un satélite en particular no está disponible. El ruido en la estimación presentada al algoritmo de generación de medidas que determina la posición de la unidad receptora 2 también se reduce ya que se utilizan más señales, lo que conduce a soluciones de navegación más precisas. Además, el filtro mantiene un modelo de retardos ionosféricos y troposféricos con un tiempo de correlación de minutos o más, nuevamente suficiente para mantener el rendimiento incluso con una interrupción significativa de la señal.
Las variaciones en la intensidad de la señal pueden ser causadas por una variedad de efectos, que incluyen los efectos de desvanecimiento lento (por ejemplo, señales de trayectos múltiples y oscurecimiento de la señal por objetos tales como edificios en operación de sitio fijo), o efectos de desvanecimiento rápido (problemas de señal de trayectos múltiples para operación de sitio móvil). Si las variaciones son rápidas, por ejemplo a frecuencias superiores a 10 -20 Hz, puede usarse el método de filtrado de Kalman para rechazar tales variaciones en la determinación de la posición. Si se interfieren una o dos señales, de forma intencionada o no, el método de la presente invención compensa la pérdida de señal utilizando cualquier otra señal de frecuencia restante que esté siendo transmitida por un satélite para mantener el rendimiento del filtro de seguimiento.
En una modalidad alternativa de la presente invención, este aspecto del filtro de Kalman se explora más. La Figura 3 muestra un diagrama esquemático de una unidad de satélite y receptor configurada para funcionar como parte de una red GNSS como parte de una segunda modalidad de la presente invención. La red 9 comprende un satélite 10 (no se muestran satélites adicionales dentro de la red) y una unidad receptora 11. El satélite 10 está en una órbita 12 sobre la superficie de la Tierra 13, y la unidad receptora 11 está posicionada en la superficie de la Tierra 13. El satélite 10 está posicionado de manera que está separado de la unidad receptora 11 por un alcance r, y la velocidad relativa entre el satélite 10 y la unidad receptora 11 es una velocidad de alcance v. En el momento ti, el satélite 10 transmite una primera señal si que tiene una frecuencia fi a la unidad receptora 11. En el momento ti, el mismo satélite 10 también transmite una segunda señal S2 que tiene una frecuencia f2 a la unidad receptora 11, donde fi±F2. Como se describió anteriormente con referencia a la Figura 2, la unidad receptora 11 comprende un receptor 6, un microprocesador 7 y una salida de visualización 8. La salida de visualización 8 puede ser integral con la unidad receptora 11 (tal como una pantalla de cristal líquido u otra pantalla visual) o puede estar conectada directa o indirectamente a una pantalla (tal como a través de un bus u otro dispositivo de conexión similar, con o sin hardware adicional o medios de procesamiento conectados en el medio). La primera señal si y la segunda señal s2 se reciben en el receptor 6. El microprocesador 7 comprende medios de prefiltrado para seleccionar en primer lugar las componentes en fase y en cuadratura de la primera si y la segunda s2 señal y, en segundo lugar, para sumar las componentes similares, lo que forma salidas acumulativas en fase y en cuadratura. Las componentes acumulativas en fase y en cuadratura se someten luego a un proceso de filtrado para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite 2. Como también se ha descrito anteriormente, el proceso de filtrado comprende el uso de un filtro de Kalman.
Otras modalidades que caen dentro del alcance de las reivindicaciones serán evidentes para los expertos en la técnica. Por ejemplo, la unidad receptora 3, 11 puede ser estacionaria (operación de sitio fijo), móvil (operación móvil), una unidad independiente o incorporada a otro dispositivo, puede estar en la superficie de la Tierra o en o sobre un objeto en movimiento sobre la superficie de la Tierra, tal como un avión.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    Método de seguimiento de una pluralidad de señales de un solo satélite, que comprende:
    recibir una primera señal (S1) transmitida por un satélite (2);
    recibir al menos una segunda señal (S2) transmitida por el mismo satélite (2);
    aplicar un proceso de filtrado previo para determinar las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal; aplicar un proceso de filtrado a las componentes acumuladas en fase y en cuadratura de la primera y al menos la segunda señal para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite (2);
    en donde el proceso de filtrado comprende aplicar un filtro de Kalman;
    y además en donde el método se repite mediante el uso de señales de una pluralidad de satélites diferentes para producir alcance y velocidad de alcance para cada satélite (2), y se calcula la posición de un objeto (3) mediante el uso de los datos de alcance y la velocidad de alcance así generados.
    Método de la reivindicación 1, en donde la primera (S1) y al menos la segunda (S2) señal tienen diferentes frecuencias.
    Método de la reivindicación 1, en donde la primera (S1) y al menos la segunda (S2) señal tienen la misma frecuencia.
    Método de la reivindicación 3, en donde la primera (S1) y al menos la segunda (S2) señal se transmiten en momentos diferentes.
    Sistema para el seguimiento de una pluralidad de señales de un solo satélite, que comprende:
    una unidad receptora (3) adaptada para recibir una primera señal (S1) transmitida por un satélite (2) y al menos una segunda señal (S2) transmitida por el mismo satélite (2); y
    un microprocesador (7) adaptado para aplicar un proceso de prefiltrado para determinar las componentes acumulativas en fase y en cuadratura de la primera (S1) y al menos la segunda (S2) señal, caracterizado porque además está adaptado para aplicar un proceso de filtrado a las componentes acumuladas en fase y en cuadratura de la primera (S1) y al menos la segunda (S2) señal para determinar un alcance y una velocidad de alcance del satélite (2);
    en donde el proceso de filtrado comprende aplicar un filtro de Kalman
    y además, en donde el sistema se dispone para repetir el proceso mediante el uso de señales de una pluralidad de satélites diferentes para producir alcance y velocidad de alcance para cada satélite (2), y para calcular a partir de ahí la posición de un objeto (3) mediante el uso de los datos de alcance y la velocidad de alcance así generados.
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