ITTO20100718A1 - Sistema di posizionamento geo-spaziale cooperativo operante con sistemi di navigazione globale satellitare e reti di telecomunicazione wireless, relativo procedimento e apparato di posizionamento geo-spaziale - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Sistema di posizionamento geo-spaziale cooperativo operante con sistemi di navigazione globale satellitare e reti di telecomunicazione wireless, relativo procedimento e apparato di posizionamento geo-spazialeâ€

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un sistema di posizionamento geo-spaziale configurato per operare in associazione a un sistema di navigazione globale satellitare GNSS comprendente una pluralità di satelliti trasmettenti segnali GNSS, detto sistema comprendendo un insieme di apparati di posizionamento geo-spaziale, comprendenti rispettivi ricevitori per segnali GNSS (Global Navigation Satellite System), e configurati per operare una stima del posizionamento dell’apparato elaborando dati in detti segnali GNSS ricevuti da satelliti visibili in detta pluralità di satelliti, detta stima del posizionamento comprendendo misurare un insieme di grandezze d’aiuto al posizionamento, detti apparati di posizionamento geospaziale comprendendo inoltre rispettivi mezzi di comunicazione wireless per operare da peer in una rete di comunicazione wireless peer-to-peer e scambiare dati wireless con uno o più altri peer di detta rete peer-topeer.

Si considera qui il caso di reti di comunicazione wireless paritarie, o peer-to-peer in cui vi siano dei nodi paritari o peer, dotati di capacità di posizionamento tramite un ricevitore GNSS.

Tipicamente un ricevitore GNSS à ̈ in grado di stimare la sua posizione solo se il rispettivo apparato di posizionamento geo-spaziale, ad esempio un terminale GPS (Global Positioning System), si trova in condizioni ottimali di visibilità dei satelliti (almeno quattro satelliti in vista, ossia almeno quattro segnali satellitari ricevuti con sufficiente potenza). Gli apparati di posizionamento si possono trovare in condizioni non ottimali di visibilità, ad esempio perché si trovano all’interno di un edificio, o sotto gli alberi, o dietro una finestra e ricevono segnali satellitari troppo deboli. Pertanto la fase di acquisizione dei segnali satellitari e di stima della posizione vengono rallentate, ove non rese impossibili. Per acquisizione dei segnali GNSS si intende in generale la prima operazione eseguita da un ricevitore GNSS che decide sulla presenza o assenza del segnale di un satellite e fornisce una misura grossolana del ritardo di codice e della frequenza Doppler del segnale in arrivo relativo a quel satellite.

Per ovviare a simili problemi sono note nello stato dell’arte delle procedure di assistenza denominate Assisted-GNSS (A-GNSS) dove informazioni che migliorano la velocità o l’accuratezza di posizionamento sono forniti agli apparati di posizionamento da una stazione base o server mediante un collegamento wireless dedicato. In tale ambito à ̈ correntemente operativo ad esempio l'Assisted-GPS (A-GPS).

Tale tecnologia presenta degli inconvenienti, in quanto le informazioni di tale stazione base centralizzata non sono sempre le più adatte a ciascun apparato di posizionamento e alla sua posizione: la distanza tra la stazione base o server che fornisce le informazioni e l'apparato di posizionamento che le riceve fa si che queste possano non essere sufficientemente precise da risultare utili, sia per la distanza sia perché la configurazione di satelliti vista dalla stazione base o server può essere diversa da quella vista localmente dall'apparato di posizionamento.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un sistema cooperativo di posizionamento geo-spaziale operante il posizionamento in associazione a sistemi GNSS che aumenti la velocità di acquisizione dei segnali GNSS, rendendo possibile una rapida stima della posizione anche per apparati di posizionamento geospaziale che si trovino in condizioni non ottimali di visibilità, fornendo informazioni locali che ne migliorano l’affidabilità, l’accuratezza, la precisione e/o velocità di posizionamento.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un sistema di posizionamento geospaziale avente le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.

L’invenzione riguarda anche un corrispondente procedimento di posizionamento geo-spaziale, nonché un apparato di posizionamento geo-spaziale del sistema di posizionamento geo-spaziale secondo l’invenzione.

Il sistema e procedimento di posizionamento geospaziale secondo l’invenzione permettono di fornire ad un determinato apparato di posizionamento geo-spaziale informazioni relative ai segnali dei satelliti in vista più specifiche in modo da migliorare l’accuratezza, l’affidabilità e/o la velocità di posizionamento.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta una vista schematica in sezione di un sistema secondo l’invenzione.

In breve, la soluzione proposta riguarda un sistema di posizionamento geo-spaziale operante il posizionamento in associazione a sistemi GNSS (Global Navigation Satellite System), dove una pluralità di satelliti GNSS trasmette dati GNSS a un insieme di apparati di posizionamento geospaziale, comprendenti un ricevitore per segnali GNSS e configurati per operare il posizionamento elaborando dati dei segnali GNSS ricevuti da satelliti a loro visibili, operando la misura da tali dati per il posizionamento, in particolare tramite elaborazione del segnale GNSS, un insieme di grandezze d’aiuto al posizionamento, tali apparati di posizionamento geospaziale comprendendo inoltre mezzi di comunicazione wireless per operare da peer in una rete di comunicazione wireless peer-to-peer, ricevendo dati wireless da uno o più altri peer di tale rete. Il sistema secondo l’invenzione prevede di eseguire procedure di acquisizione dei segnali GNSS e di operare sulla base di grandezze di aiuto, stimate dagli apparati di posizionamento geo-spaziale sulla base di valori di tali grandezze di aiuto che sono in grado di ricevere dagli altri peer delle rete wireless, le grandezze di aiuto stimate essendo calcolate tramite operazioni di media pesata su tali valori ricevuti da più altri peer, i coefficienti di peso per l’operazione di media pesata essendo trasmessi da tali altri peer o calcolati all’apparato di posizionamento.

Viene ora descritto più in dettaglio il sistema secondo l’invenzione.

In figura 1 à ̈ mostrato schematicamente un sistema di posizionamento secondo l’invenzione.

Con S à ̈ indicato nel complesso un sistema di satelliti, in figura 1 quattro satelliti S1, S2, S3e S4, che trasmettono segnali globali di navigazione satellitare D, ossia segnali GNSS, a un insieme di apparati di posizionamento geo-spaziale indicati nel complesso con U, ad esempio terminali utente; in particolare in figura 1 sono mostrati a titolo d’esempio cinque apparati di posizionamento geo-spaziale U1…U5.

Tali apparati di posizionamento U1…U5in generale ricevono tali segnali globali di navigazione satellitare D, indicati in figura 1 più specificamente con D1…D4, indicando tramite il pedice il rispettivo satellite S1…S4che trasmette il segnale satellitare, e acquisiscono tali segnali GNSS D elaborandoli per ottenere informazioni necessarie a calcolare la posizione. I dati GNSS trasmessi in tali segnali GNSS D comprendono usualmente, come contenuto del messaggio, informazioni necessarie per il posizionamento come, ad esempio, l’istante di trasmissione (stato dell'orologio di bordo) e le posizioni dei satelliti (più precisamente le effemeridi).

Tali segnali D trasmessi dai sistemi GNSS vengono anche elaborati all’apparato di posizionamento geo-spaziale per misurare delle grandezze, qui definite grandezze d’aiuto Axjial posizionamento ossia, parametri ulteriori rispetto alle informazioni immediatamente necessarie per il posizionamento come le effemeridi, che permettono, se inviate ad un altro peer che sta iniziando l’acquisizione dei segnali GNSS, detto peer aiutato, di rendere più rapida, più affidabile e/o più precisa la fase di acquisizione per il peer aiutato.

Tali apparati di posizionamento U1…U5rappresentano anche, tramite loro rispettivi moduli di comunicazione wireless, nodi peer, o paritari di una rete wireless peerto-peer W, ad esempio una rete Wi-Fi (WLAN) o Bluetooth o Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) o Ultra-Wideband (UWB), che scambia dati su rispettive connessioni wireless. In figura 1 sono mostrate alcune di tali connessioni, W12…W35, dove i pedici rappresentano gli apparati di posizionamento U1…U5fra cui operano.

Si noti dunque che con il termine apparato di posizionamento geo-spaziale ai fini della presente descrizione si intende un dispositivo dotato di un ricevitore P per segnali globali di navigazione satellitare (GNSS) e di un modulo di ricetrasmissione/comunicazione wireless T, tale categoria di apparati ricomprendendo diversi tipi di elaboratori, inclusi ad esempio notebook, tablet-PC, computer palmari, telefoni mobili, navigatori satellitari.

Il sistema prevede che tali apparati di posizionamento U rappresentino dei peer nell’ambito della rete wireless W peer-to-peer. Dato un satellite nell'insieme dei satelliti S, alcuni degli apparati U li vedono con un’ottima qualità di segnale ricevuto, tale qualità essendo nota come 'open sky', altri li vedono invece con una qualità di segnale ricevuto minore, detta qualità 'light indoor', perché si trovano ad esempio all’interno di edifici, o sotto degli alberi, o dietro una finestra.

Come si può osservare in figura 1, fra gli apparati U, vi sono degli apparati, come U2, U4, U5, che, nell’esempio colà mostrato, ricevono segnali globali di navigazione satellitare D di ottima qualità da tutti e quattro i satelliti S1…S4necessari, ossia li hanno tutti e quattro visibili in open sky, e pertanto sono in possesso di tutti i dati per effettuare rapidamente l’acquisizione dei segnali GNSS e la valutazione della posizione. Con U1à ̈ invece indicato un apparato che vede alcuni dei satelliti con una buona qualità di segnale (in open sky) e altri con qualità più bassa di segnale (light indoor, indicata tramite linea tratteggiata). L’apparato di posizionamento geospaziale U3, infine, non vede alcun satellite in open sky ma li vede tutti in condizioni di light indoor.

Gli apparati che vedono almeno quattro satelliti in open sky non hanno problemi ad acquisire i loro segnali in tempi molto brevi. Gli apparati che vedono alcuni dei 4 satelliti necessari in modalità light indoor, hanno delle difficoltà ad acquisire i loro segnali. In particolare i tempi necessari per acquisirli potrebbero essere molto lunghi, rendendo di fatto inutile o impossibile la procedura di posizionamento.

Nel sistema di posizionamento secondo l’invenzione à ̈ previsto che, dato un apparato di posizionamento peer, ad esempio U1, che sta iniziando l’acquisizione dei segnali GNSS, e che potrebbe non avere in vista open-sky un numero sufficiente di satelliti S1…S4, uno o più degli altri apparati peer che hanno già acquisito ed agganciato i segnali di un numero di satelliti sufficiente, ossia U2, U4, U5, operi da apparato peer aiutante, o aiding peer, verso tale apparato di posizionamento U1, peer rispetto alla rete wireless W, che viene quindi aiutato, ossia à ̈ un peer aiutato, o aided peer.

Ciascuno degli apparati di posizionamento U può costituire un peer aiutante, indicato in generale con il riferimento Ua,o un peer aiutato, indicato in generale con il riferimento Uu, secondo le condizioni di visibilità e di disponibilità di connessioni nella rete di comunicazione wireless W peer-to-peer.

Tale peer aiutante Ua, ad esempio U2, à ̈ configurato per misurare, trattando il segnale D ricevuto dal satellite tramite il proprio microprocessore e le proprie capacità di signal processing, una o più grandezze d’aiuto Axji, e inviarla a un peer aiutato Uu, o aided peer, ad esempio U1o U3, che non ha in vista open sky un numero sufficiente di satelliti.

Ai fini della presente descrizione, x à ̈ un indice, che varia da 1 a 3, che specifica il tipo di grandezza fra le grandezze d’aiuto impiegabili dal sistema secondo l’invenzione e descritte in dettaglio nel seguito; j à ̈ un indice che specifica a quale fra i segnali dei satelliti S visibili da tale peer aiutante Uasi riferisce la grandezza d’aiuto Axji; i à ̈ un indice che specifica il peer aiutante Uafra un numero N di peer aiutanti che, in base alla configurazione e allo stato della rete wireless W, sono in grado di aiutare un determinato peer aiutato, ad esempio perché si trovano entro una distanza limite, in generale determinata dalle caratteristiche e dalla topologia della rete wireless W utilizzata, trasmettendo la grandezza d’aiuto Axjia tale peer aiutato, come meglio dettagliato qui di seguito.

Dunque, un peer aiutante Ua, ad esempio U2, misura un insieme di grandezze d’aiuto {A1j2,A2j2, A3j2} relative al segnale del j-esimo satellite, trasmettendole sulla rete wireless W, ad un altro apparato di posizionamento geospaziale, corrispondente al peer aiutato Uu. Il peer aiutante U2ha infatti piena visibilità dei satelliti necessari e possibilità di elaborare i segnali GNSS D1, D2, D3e D4ricevuti dai satelliti S1…S4, per ottenere, ad esempio considerando il satellite S1, le grandezze A112,A212, A312, che invia sulla connessione wireless W23al peer aiutato U3, che sta iniziando la fase di acquisizione dei segnali GNSS.

Tali operazioni possono avvenire per uno o più dei seguenti scopi:

- abbreviare il tempo impiegato dal peer aiutato Uuper calcolare la sua posizione (Time to First Fix − TTFF), - permettere al peer aiutato Uudi stimare la sua posizione in condizioni sfavorevoli, laddove un normale ricevitore per segnali GNSS potrebbe non essere in grado di stimare la sua posizione,

- eventualmente, aumentare l’accuratezza e la precisione e/o l’affidabilità della posizione stimata dal peer aiutato Uu.

Secondo un aspetto rilevante dell’invenzione, il peer aiutante Uapuò opzionalmente inviare al peer aiutato Uu, assieme all’insieme di grandezze d’aiuto {A1ji, A2ji, A3ji} di un dato satellite j-esimo, anche dei corrispondenti parametri di affidabilità {β1ji, β2ji, β3ji}, dove βxjiindica un parametro di affidabilità calcolato dal peer aiutante Uaindicativo di quanto la corrispondente grandezza d’aiuto Axjitrasmessa possa essere ritenuta affidabile dagli altri peer U della rete.

Il peer aiutato Uu, ad esempio U3, riceve una o più delle grandezze d’aiuto {A1ji, A2ji, A3ji} da un numero N di peer aiutanti Ua; con riferimento all’esempio di figura 1, il peer aiutato U3riceve le grandezze d’aiuto dai tre peer U2, U4, U5che sono direttamente connessi, ma può anche ricevere tali grandezze d’aiuto tramite un cammino indiretto, che passa ad esempio attraverso il peer U1(modalità single hop o multi-hop).

Secondo un aspetto principale dell’invenzione, il peer aiutato Uu, ad esempio U3,inoltre, elabora quindi una o più delle grandezze d’aiuto ricevute Axjial fine di ottenere dei valori stimati delle grandezze di aiuto utili per migliorare le sue capacità di posizionamento, mediante una operazione di media pesata secondo la seguente relazione:

N

A xj<=>Ã¥a xji A xji (1)

i = 1

dove Axjià ̈ la x-esima grandezza d’aiuto stimata dal peer aiutante i-esimo, relativa al segnale del satellite jesimo, αxjià ̈ il coefficiente o peso corrispondente a tale grandezza d’aiuto Axji, da impiegare nel calcolo media

pesata, infine<A xj>à ̈ il valore di stima per la x-esima grandezza calcolato dal peer aiutato Uuimpiegando gli N valori di grandezza d’aiuto Axjiottenuti dagli N peer aiutanti Ua.

I coefficienti di peso αxjiimpiegati nella relazione (1) possono essere scelti secondo diversi criteri:

- come media uniforme rispetto al numero N di peer aiutanti Ua, ossia αxji=1/N; ciò ad esempio può applicarsi nel caso in cui i peer aiutanti Uaabbiano caratteristiche simili e si trovino in condizioni analoghe oppure nulla sia dato a sapere sulle loro condizioni;

- il coefficiente di peso αxjià ̈ calcolato a partire dal parametro di affidabilità βxjirelativo alla grandezza Axjimisurata al peer aiutante Uai-esimo, se disponibile; tale parametro di affidabilità βxjiin generale dà ad esempio informazioni sul grado di affidabilità del peer aiutante Uarelativa alla misura di quella grandezza d’aiuto: ad esempio, il parametro di affidabilità βxjipuò assumere valori atti a indicare quali segnali satellitari siano ricevuti con maggiore potenza e quindi minore varianza sui valori stimati e/o se il peer aiutante Uasia un peer con posizione fissa o nota a priori (“anchor peer†) oppure siano apparati dotati di un migliore hardware, come, ad esempio, un ricevitore GNSS professionale; in questo modo à ̈ possibile dare un peso maggiore ai valori ottenuti dai peer aiutanti che si trovino in migliori condizioni operative rispetto alla misura di una certa grandezza d’aiuto Axji. Secondo una possibile forma realizzativa, ad esempio, il coefficiente di peso αxjipuò essere scelto uguale al parametro di affidabilità βxji(αxji= βxji), legato al valore della deviazione standard σxjiper le misure della grandezza d’aiuto Axjial peer aiutante Ua, in base ad esempio a un’espressione del tipo:

1

b xji =N

s Y × å 1 (2) xji Y

n= 1 s xjn

dove la sommatoria a denominatore nella relazione (2) à ̈ inserita alla scopo di rendere unitaria la somma dei parametri di affidabilità βxjirelativi agli N peer aiutanti N

Ua, ossiaÃ¥<b xji = 1>, mentre Y à ̈ un esponente il cui valore i= 1

può venir scelto in modo da pesare in modo ottimale le misure in relazione alle caratteristiche del sistema considerato. Ad esempio, può essere determinato tramite simulazione o empiricamente, mediante campagne di misura usando peer con caratteristiche note, oppure à ̈ possibile usare la scelta Y=1, in modo da avere una dipendenza inversamente proporzionale alla deviazione standard βxjidelle stime al peer aiutante Ua;

- il coefficiente di peso αxjipuò essere calcolato a partire da un parametro di distanza, ossia un indicatore legato alla distanza difra il peer aiutante Uai-esimo e il peer aiutato Uu. Tale distanza diviene tipicamente calcolata dal peer aiutato Uu, ma potrebbe anche essere calcolata dal peer aiutante Ua. Tali misure di distanza dipossono essere effettuate sfruttando le capacità di comunicazione wireless tra i peer e usando tecniche di “radio ranging†, di per sé note, basate ad esempio su misure di Received Signal Strength (RSS), Time of Arrival (TOA), Time Difference of Arrival (TDOA) o Round Trip Time (RTT). Il coefficiente di peso αxjicalcolato a partire dai parametri di distanza diha un valore inversamente proporzionale alla distanza tra i peer. Detto M l’insieme dei peer aiutanti Uadi cui il peer aiutato Uuriesce a stimare la distanza, secondo una delle tecniche sopra menzionate, dove M≤N, il coefficiente di peso αxjiha la seguente espressione:

a<xji>=<M>

d 1

i<×>å<(3)>m = 1 dm

dove la sommatoria a denominatore nella relazione (3) Ã ̈ inserita alla scopo di rendere unitaria la somma dei pesi

M

αxjirelativi agli M peer, ossia å a xji<=>1

i = 1

- il coefficiente di peso αxjipuò essere calcolato a partire da un parametro di distanza in modo non lineare. In dettaglio il parametro αxjiavrà la seguente espressione:

1

a<xji>=<M>

dK1

i<×>å<(4)>

K

m = 1 dm

dove K à ̈ un esponente scelto in modo da pesare in modo ottimale le misure in relazione alle distanze tra i peer e in base alle caratteristiche del sistema considerato; può essere ad esempio determinato tramite simulazione o empiricamente, mediante campagne di misura usando peer con posizione nota. Ad esempio, scegliendo K=2 si ha una dipendenza inversamente quadratica con la distanza:

1

a<xji>=<M>

d 2 1

i<×>å<(5)>d 2

m = 1m

- il peso αxjipuò essere scelto eguale a un parametro composto, legato sia alla qualità delle stime, come il parametro di affidabilità βxji, sia alla distanza didel peer aiutato Uudal peer aiutante Uai-esimo, ad esempio secondo la seguente relazione fra i parametri:

b

a xji = xji

M1

d K<(6)>

i<×>åK

m = 1 dm

dove, in caso di M≤N, vengono considerate solo i valori di grandezza d’aiuto provenienti da peer di cui si riesce a stimare la distanza died i parametri di affidabilità βxjidevono essere rinormalizzati in modo da M

avere å<b>xji<= 1>.

i= 1

Come detto, le grandezze d’aiuto corrispondono a osservabili GNSS misurati al ricevitore tramite elaborazione o misura dal segnale GNSS, e sono quindi differenti dal contenuto dei messaggi di navigazione. In particolare, tali grandezze d’aiuto Axjicomprendono una o più delle grandezze qui di seguito descritte.

Una prima grandezza A1ji(x=1) corrisponde al rapporto segnale-disturbo C/N0, ossia il rapporto fra la potenza della portante C e la densità di potenza del rumore termico N0, (carrier-to-noise spectral density ratio) riferito ad un determinato j-esimo satellite in vista e stimato per peer i-esimo.

Secondo un primo aspetto del procedimento implementato dal sistema secondo l’invenzione, dunque viene fornita la grandezza d’aiuto corrispondente al rapporto segnale/disturbo C/N0. Dalla relazione (1) si ottiene

quindi una stima<A 1 j>del valore atteso del rapporto C/N0in ricezione per il peer aiutato Uuin relazione al satellite j-esimo, assumendo che i peer aiutanti Uasi trovino ad una distanza non eccessiva dal peer aiutato Uue quindi in condizioni simili per quanto riguarda la ricezione dei segnali satellitari. Di ciò può essere ulteriormente tenuto in conto calcolando i relativi coefficienti di peso usando le distanze dal peer aiutato Uu, secondo quanto indicato in

precedenza. La stima<A 1 j>del valore atteso del rapporto C/N0, può essere utilizzata dal peer aiutato Uuper ordinare i satelliti in base a tale valore di stima<A 1 j>ed iniziare ad elaborare, ossia acquisire e poi inseguire, i segnali ricevuti dai satelliti iniziando da quelli che

hanno i valori di stima<A 1 j>più grandi.

In questo modo, sfruttando informazioni provenienti da ricevitori vicini e quindi in condizioni analoghe per quanto riguarda i satelliti in vista e le potenze dei segnali ricevuti, Ã ̈ possibile ottenere una riduzione del tempo necessario per acquisire i segnali e quindi calcolare la posizione del peer aiutato Uu, con riduzione del TTFF.

In aggiunta, nel caso in cui le stime<A 1 j>dei valori attesi di rapporto C/N0per alcuni o tutti i satelliti siano bassi (ad esempio C/N0<40 dB-Hz), il peer aiutato Uupuò decidere di aumentare i tempi di integrazione coerente e/o il numero di accumulazioni non coerenti in modo da aumentare la probabilità di riuscire ad acquisire correttamente il segnale, determinando un’alta probabilità di detection e bassa probabilità di falso allarme. Ad esempio, à ̈ possibile fissare un certo valore per il rapporto segnale/rumore SNRCdefinito sulla Cross-Ambiguity Function (CAF), ossia all’uscita di correlatori usati, secondo una tecnica di per sé nota, in fase di acquisizione dei segnali GNSS dall’apparato di posizionamento aiutato, in grado di garantire un corretto funzionamento dell’acquisitore (ad esempio SNRC=10 dB). Si può dimostrare che il minimo tempo di integrazione coerente Tintal fine di garantire le prestazioni richieste può essere fissato dal peer aiutato Uuin base alla seguente formula:

p

SNR<é>

C ê2+(L -1 ) ù B

ë2 ú

ëT int f s û ³Ã»Ã—

C (7)L

N 0

dove fsrappresenta la frequenza di campionamento (in Hz) usata per il convertitore Analogico-Digitale (ADC) nel front-end del ricevitore P per segnali GNSS degli apparati di posizionamento U, SNRCindica il valore desiderato per il rapporto segnale/rumore definito sulla funzione CAF (in unità lineari), al fine di garantire le prestazioni richieste in termini di probabilità di detection e probabilità di falso allarme, L rappresenta il numero di accumulazioni non coerenti usate nel calcolo della funzione CAF, B à ̈ la banda del front-end del ricevitore P per C

segnali GNSS (in Hz),<= A>1<j>NÃ ̈ la stima del valore atteso

0

per il rapporto C/N0del satellite j-esimo (in unità lineari) al peer aiutato Uu.

Una seconda grandezza A2ji(x=2) impiegata dal sistema proposto corrisponde allo spostamento di frequenza dovuto all’effetto Doppler, o Doppler shift, relativo ad un dato j-esimo satellite in vista e stimato per peer i-esimo.

Secondo un secondo aspetto del procedimento implementato dal sistema secondo l’invenzione, à ̈ previsto di calcolare al peer aiutato Uuuna stima del Doppler shift<A 2 j>per il satellite j-esimo. Questa stima à ̈ tanto migliore quanto minore la distanza tra i peer aiutanti Uae quello aiutato Uue quanto più analoghe sono le loro velocità.

A questo riguardo, si sottolinea che il sistema e procedimento di posizionamento cooperativo proposti possono essere in linea di principio applicati a gruppi di peer di una rete W anche lontani tra loro, ma sono particolarmente vantaggiosi quando i peer sono tra loro vicini, quali ad esempio apparati di posizionamento su veicoli lungo un’autostrada, in centri urbani affollati, in centri commerciali con molti pedoni. In tutti questi casi il sistema di comunicazione à ̈ generalmente di tipo “shortrange†, ad esempio con una distanza dell'ordine di 10-1000 metri. I peer sanno usualmente qual à ̈ il raggio di copertura del proprio sistema di comunicazione e quindi hanno un’idea a priori delle distanze massime e quindi degli scostamenti massimi del Doppler shift tra peer e peer.

Il valore di stima<A 2 j>dello shift Doppler ottenuto tramite l’applicazione della media pesata secondo la relazione (1) può essere utilizzato ad esempio nel modo seguente.

Il ricevitore GNSS di un apparato di posizionamento geospaziale, come detto, calcola la Cross-Ambiguity Function (CAF) cioà ̈ la cross-correlazione tra il segnale ricevuto all’apparato e un segnale locale che rappresenta una replica del segnale trasmesso dal satellite j-esimo. A causa dell’incertezza sulla frequenza dovuta all’effetto Doppler e all’incertezza sul ritardo del codice pseudocasuale (Pseudo Random Noise − PRN) presente nel segnale ricevuto, tale funzione CAF viene calcolata su un certo spazio di ricerca bidimensionale, o search space, diviso in campi di frequenza, o frequency bin, relativi all’effetto Doppler e al ritardo del codice PRN, in modo da individuare il bin corrispondente al massimo di correlazione. Vista l’incertezza dovuta alla frequenza Doppler (dovuta al moto relativo tra il satellite e il ricevitore e all’incertezza sulla frequenza dell’oscillatore locale del ricevitore) il search space in un ricevitore GNSS autonomo tipicamente ha un’ampiezza di diversi kHz, perché deve tener conto del massimo campo possibile di incertezza Doppler (tipicamente ±5 kHz per applicazioni terrestri).

Il valore di stima<A 2 j>di spostamento Doppler ottenuto al peer aiutato Uurappresenta una stima del valore esatto dello spostamento Doppler. Di conseguenza può essere utilizzato dal peer aiutato Uuper ridurre in modo consistente il numero di frequency bin sui quali calcolare la funzione CAF, partendo dall’ipotesi che il vero valore dello spostamento Doppler sia nelle vicinanze di tale stima<A 2 j>di shift Doppler.

Tale riduzione del numero dei frequency bin può essere ancora ulteriormente rafforzata, ipotizzando anche che gli oscillatori locali presenti nei front-end dei ricevitori GNSS di tutti i peer U siano mantenuti sintoni, ossia portati ad avere frequenze simili, mediante metodi di sintonizzazione noti tra nodi di una rete wireless, o che almeno ogni peer sia in grado di stimare l’offset e il drift di frequenza del suo oscillatore rispetto ad un oscillatore ideale ad una frequenza nota.

La riduzione del numero di frequency bin porta dunque a ridurre il numero di operazioni e quindi la complessità delle procedure di acquisizione dei segnali GNSS, velocizzando la ricerca e riducendo il tempo per trovare il massimo della CAF (Mean Acquisition Time − MAT) e quindi il Time to First Fix (TTFF), cioà ̈ il tempo necessario al peer aiutato Uuper calcolare la sua posizione, una volta che i segnali di almeno quattro satelliti siano stati acquisiti.

Una terza grandezza A3ji(x=3) impiegata dal sistema proposto corrisponde al ritardo stimato per peer i-esimo dell’istante di inizio del codice secondario rispetto ad un riferimento temporale comune a tutti i peer, tale codice secondario essendo incluso nel segnale di un dato j-esimo satellite. Tale ritardo dell’istante di inizio del codice secondario va riferito al fatto che, tipicamente, i segnali GNSS (ad esempio nei sistemi GPS e Galileo) includono, come accennato, dei codici pseudo-casuali (Pseudo Random Noise − PRN) allo scopo di distinguere in modo univoco i segnali trasmessi dai vari satelliti, secondo il paradigma della multiplazione di codice (Code Division Multiple Access − CDMA), e per permettere al ricevitore di effettuare misure di distanza (ranging). Alcuni dei nuovi segnali GNSS (GPS modernizzati e Galileo) prevedono codici PRN con una struttura particolare, ottenuta come sovrapposizione, anche detta tiered code structure, tra un codice primario e un codice secondario diversi per ogni canale da trasmettere. Tale struttura di codici prevede di utilizzare successive ripetizioni di un codice primario, tipicamente con un periodo di durata breve (ad esempio 1 ms), su cui viene sovrapposto un codice secondario, in cui ogni simbolo binario del codice, o chip, corrisponde ad un intero periodo del codice primario. In questo modo si possono ottenere dei codici compositi molto lunghi (anche 100 ms o più), con ottime proprietà di correlazione, ma che rendono difficoltose le operazioni di acquisizione dei segnali GNSS. A titolo di esempio, si annoverano fra i segnali che adottano o prevedono di adottare una struttura con codici primari e secondari i seguenti: il canale pilota (senza dati di navigazione modulati) E1-C del sistema Galileo trasmesso in banda E1; i segnali Galileo in banda E5 (sia i canali dati E5a-I ed E5b-I, sia i canali pilota E5a-Q ed E5b-Q; il canale E1-A del sistema Galileo trasmesso in banda E1 ed il canale E6-A e il canale pilota E6-C trasmessi in banda E6; il canale pilota L1CPdel nuovo segnale L1C del sistema GPS previsto in banda L1;i segnali GPS in banda L5 (sia il canale dati I5, sia il canale pilota Q5, che presentano una codifica di Neuman-Hofman equivalente a un codice secondario).

Secondo un terzo aspetto del procedimento implementato dal sistema secondo l’invenzione, viene dunque calcolata quale grandezza d’aiuto stimata tramite la relazione (1)

una stima<A 3 j>dell’istante di inizio del codice secondario di un dato satellite j-esimo rispetto ad un riferimento temporale comune a tutti i peer della rete wireless W.

Tale stima<A 3 j>del valore dell’istante di inizio del codice secondario può essere utilizzata nel modo seguente.

Nel caso in cui i segnali ricevuti abbiano dei valori attesi di rapporto segnale-disturbo C/N0bassi (ad esempio valori di C/N0< 40 dB-Hz o anche C/N0< 35 dB-Hz, comunque valori che consentano ragionevolmente il funzionamento in modo light indoor), il peer aiutato Uu, come detto, può decidere di aumentare i tempi di integrazione coerente e/o il numero di accumulazioni non coerenti in modo da aumentare la probabilità di riuscire ad acquisire correttamente il segnale, come già accennato.

Su alcuni segnali GNSS, tipicamente canali pilota, tale procedura à ̈ ostacolata dalla presenza del codice secondario, che à ̈ costituito da una stringa binaria (di valori noti, uguali a 1 o -1) in cui ogni suo chip moltiplica un intero periodo del codice primario trasmesso dal satellite. Se si aumenta il tempo di integrazione in ricezione senza rimuovere la modulazione dovuta al codice secondario, il valore della correlazione può risultare ridotto. Infatti, se il periodo di integrazione comprende degli intervalli di tempo in cui i chip del codice secondario cambiano di segno (passando da 1 a -1 o viceversa), i corrispondenti valori di correlazione invece di sommarsi al valore corrente vengono sottratti. Diventa problematico aumentare i tempi di integrazione visto che risulta difficile prevedere a priori (in fase di acquisizione dei segnali GNSS) la presenza di transizioni e quindi il ritardo esatto del codice secondario nel segnale ricevuto.

Secondo un ulteriore aspetto inventivo della soluzione proposta,à ̈ previsto perciò di risolvere tale problema rimuovendo la modulazione del codice secondario, moltiplicando il segnale ricevuto per una copia il più possibile sincrona del codice secondario (si noti che -1 x -1 = 1). In questo modo risulta possibile aumentare il tempo di integrazione: ciò riduce l’impatto del rumore ed aumenta la probabilità di individuare correttamente il massimo della funzione CAF anche in caso di segnali deboli (rapporto C/N0basso), secondo una tecnica di “data wipeoff†, con riferimento alle tecniche impiegate per rimuovere nell’ambito dei ricevitori GNSS i dati di navigazione nel segnale GPS L1 C/A al fine di aumentare il tempo di integrazione.

Usando tale approccio à ̈ possibile estendere notevolmente i tempi di integrazione coerente Tint, gestendo in modo semplice il problema delle transizioni dovuto al codice secondario, e si semplifica notevolmente la complessità delle operazioni di acquisizione dei segnali GNSS. Infatti, se il ritardo dell’istante di inizio del codice secondario à ̈ noto con un’accuratezza ed una precisione sufficienti (ad esempio con un’incertezza dell’ordine di pochi microsecondi, o comunque inferiore alla durata di un periodo del codice primario), à ̈ possibile ridurre notevolmente la dimensione dello spazio di ricerca, velocizzando le procedure di acquisizione dei segnali GNSS.

Un importante requisito al fine di poter correttamente implementare la procedure di wipe-off del codice secondario à ̈ quindi la necessità di avere un riferimento temporale comune a tutti i peer, in modo da poter allineare la replica locale del codice secondario con il segnale ricevuto con una piccola incertezza.

L’invenzione può essere applicata ad esempio in questi casi:

- si considerano dei segnali con una struttura a codici PRN sovrapposti, dove viene usato un codice secondario sovrapposto ad un codice primario (tipicamente canali pilota). Galileo prevede dei segnali di questo tipo ed anche la versione modernizzata del sistema GPS,

- i peer concordano tra loro una scala dei tempi e una scala di frequenze comuni (con altri metodi di sincronizzazione e sintonizzazione ben noti e conosciuti nello stato dell’arte delle reti wireless) o, per lo meno, ogni peer deve essere in grado di stimare l’offset e il drift del suo oscillatore locale rispetto ad un oscillatore di riferimento,

- i peer aiutanti Uasi trovano ad una distanza non eccessiva dal peer aiutato Uu, in modo che il valore di

stima dell’istante d’inizio<A 3 j>rappresenti una stima significativa del ritardo del codice secondario (ad esempio, una distanza di 300 m può portare ad un errore di 1 Î1⁄4s nel caso peggiore).

In questo modo,<A 3 j>rappresenta una stima del ritardo dell’istante di inizio del codice secondario rispetto a questa scala dei tempi comuni: esso consente quindi di effettuare il wipe-off e di aumentare i tempi di integrazione.

La condivisione da parte dei peer U delle rete wireless W delle sopra descritte grandezze d’aiuto Axjie in particolare del grandezza d’aiuto A3jicorrispondente al ritardo del codice secondario può quindi risultare utile al fine di semplificare e velocizzare le operazioni di acquisizione dei segnali GNSS, rendendole al contempo più robuste alla presenza di transizioni dovute al codice secondario.

La soluzione qui sopra descritta presenta diversi vantaggi rispetto all’arte nota.

Il sistema di posizionamento secondo l’invenzione vantaggiosamente permette di ottenere, tramite grandezze d’aiuto fornite da peer che hanno piena visibilità dei satelliti a peer che stanno iniziando le procedure di acquisizione dei segnali GNSS o che non hanno visibilità open sky di un numero sufficiente di satelliti, un aumento della velocità di acquisizione (riduzione del tempo di acquisizione), rendendo possibile una rapida stima della posizione anche per apparati di posizionamento geospaziale che si trovino in condizioni tali da non permettere una stima veloce della loro posizione, fornendo informazioni che ne migliorano l’accuratezza, l’affidabilità e/o la velocità di posizionamento.

Le grandezze d’aiuto fornite dal sistema secondo l’invenzione, provengono da un utente o apparato vicino, piuttosto che da un server lontano come nel caso dell’AGNSS, il che comporta vantaggi in quanto tali grandezze hanno validità tanto maggiore quanto più sono locali, pertanto non possono essere facilmente fornite dall’AGNSS, ma possono invece essere ricevute da un apparato vicino come un peer di un rete wireless; inoltre il sistema secondo l’invenzione prevede un meccanismo di combinazione che vantaggiosamente unisce le informazioni provenienti da nodi diversi, permettendo anche di tenere conto della distribuzione dei nodi e delle condizioni operative.

Inoltre, vantaggiosamente lo scambio di informazioni previsto dal sistema secondo l’invenzione appare perfettamente integrato nella visione di reti di utenti cooperative in sviluppo, quali reti veicolari, internet of things, communities.

Inoltre, vantaggiosamente, lo scambio peer-to-peer permette forme in cui le informazioni vengono scambiate tra utenti gratuitamente, mentre ciò à ̈ più difficile, anche per i costi di gestione, nel caso di fornitura centralizzata di informazioni come nel caso Assisted-GNSS.

Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Possibili campi di applicazione del sistema proposto comprendono sia il posizionamento in scenari open sky dove il sistema secondo l’invenzione consentirebbe di calcolare la posizione più velocemente e/o migliorare l’accuratezza e/o l’affidabilità, sia scenari light indoor, dove il sistema secondo l’invenzione consentirebbe di calcolare la posizione in condizioni in cui ciò richiederebbe un tempo molto lungo, tanto da risultare a volte impossibile, e/o migliorare l’accuratezza e/o l’affidabilità.

Il sistema e procedimento secondo l’invenzione possono essere applicati a qualsiasi peer aiutato che sta iniziando l’acquisizione dei segnali GNSS, anche se ha quattro satelliti in open sky, anche se i miglioramenti più significativi si ottengono per peer aiutati che non hanno quattro satelliti open sky, perché altrimenti il tempo di acquisizione à ̈ già tipicamente breve. Il sistema e procedimento secondo l'invenzione non sono comunque da considerarsi limitati a peer con uno specifico numero di satelliti in vista con una determinata qualità del segnale ricevuto, potendo in generale contribuire a migliorare le prestazioni in fase di acquisizione dei segnali GNSS anche in casi in cui essa sia già rapida, rendendola ad esempio più affidabile, più accurata e/o precisa.

In aggiunta la trasmissione delle grandezze d’aiuto Axjiscambiate tra i peer può essere effettuata secondo diverse modalità, sfruttando le caratteristiche della rete di comunicazione disponibile, senza con questo limitare l’applicabilità della presente invenzione. Ad esempio le grandezze d’aiuto Axjipossono essere scambiate usando comunicazioni dedicate tra i peers della rete, oppure come overhead e/o in aggiunta ad altre grandezze usualmente scambiate tra i peers (ad esempio i messaggi per le procedure di sincronizzazione e sintonizzazione). Inoltre le trasmissioni possono avvenire su richiesta del peer aiutato oppure in modalità non sollecitata ma broadcast ad intervalli prefissati, in base anche al tipo di protocollo usato nella rete. Infine la rete di comunicazione potrebbe anche non essere necessariamente solo di tipo wireless: ad esempio alcuni apparati fissi (detti anchor peer) potrebbero essere collegati e comunicare tra di loro mediante reti cablate (doppini telefonici, cavi coassiali, fibre ottiche, etc.) ed usare inoltre trasmissioni di tipo wireless per comunicare con i peer mobili.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di posizionamento geo-spaziale cooperativo configurato per operare in associazione a un sistema di navigazione globale satellitare GNSS comprendente una pluralità di satelliti (S) trasmettenti segnali GNSS (D), detto sistema comprendendo un insieme di apparati di posizionamento geo-spaziale (U), comprendenti rispettivi ricevitori per segnali GNSS (P) e configurati per operare una stima del posizionamento dell’apparato (U) elaborando dati in detti segnali GNSS (D) ricevuti da satelliti visibili in detta pluralità di satelliti (S), detta stima del posizionamento comprendendo misurare un insieme di grandezze d’aiuto al posizionamento (Axji), detti apparati di posizionamento geospaziale (U) comprendendo inoltre rispettivi mezzi di comunicazione wireless (T) per operare da peer in una rete di comunicazione wireless peer-to-peer (W) e scambiare dati wireless con uno o più altri peer (Ua) di detta rete peer-to-peer (W), caratterizzato dal fatto che uno o più di detti apparati di posizionamento (Uu) peer nella rete di comunicazione wireless (W) sono configurati per operare in una modalità di posizionamento aiutato per ricevere da uno o più altri apparati peer (Ua) di detta rete wireless (W) dati wireless che comprendono valori di grandezze d’aiuto (Axji) misurate a detti uno o più altri peer (Uu) in base ai rispettivi segnali GNSS (D) ricevuti, dette grandezze d’aiuto (Axji) essendo adatte a ridurre un tempo di acquisizione di detti segnali GNSS (D), detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) essendo inoltre configurati per calcolare un corrispondente valore di grandezza d’aiuto stimata (<A xj>) applicando un’operazione di media pesata a detti valori di grandezze d’aiuto (Axji) misurati in detti dati wireless ricevuti da più altri peer (Ua) e impiegare detto valore di grandezza d’aiuto stimata (Axji) in operazioni di acquisizione di detti segnali GNSS (D), in particolare per ridurre il tempo di acquisizione e/o per migliorarne l’affidabilità, l’accuratezza e/o la precisione in detti apparati di posizionamento (Uu).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) sono configurati per applicare coefficienti di peso (αxji) in detta operazione di media pesata che sono funzione di parametri di affidabilità (βxji) ricevuti da detti uno o più altri peer (Ua) indicativi dell’affidabilità della grandezza d’aiuto ricevuta, in particolare funzione di una deviazione standard (σxji) per le misure della grandezza d’aiuto (Axji) a detti uno o più altri peer (Ua),
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) sono configurati per applicare coefficienti di peso (αxji) in detta operazione di media pesata che sono funzione di parametri dipendenti dalla distanza (di) rispetto al peer (Ua) da cui à ̈ ricevuto il rispettivo valore di grandezza d’aiuto, in particolare detti parametri di distanza essendo calcolati da detti apparati di posizionamento (Uu) tramite tecniche di radioranging.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti coefficienti di peso (αxji) in detta operazione di media pesata sono calcolati in modo inversamente proporzionale a detta distanza (di).
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i coefficienti di peso (αxji) in detta operazione di media pesata sono calcolati a partire dai parametri di distanza in modo non lineare rispetto a detta distanza (di), in particolare hanno una dipendenza inversamente quadratica da detta distanza (di).
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto coefficiente di peso (αxji) corrisponde a un parametro composto funzione di detto parametro di affidabilità (βxji) e di detto parametro di distanza (di), in particolare a un prodotto che coinvolge detti parametri.
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) sono configurati per applicare coefficienti di peso (αxji) in detta operazione di media pesata calcolati come media uniforme rispetto al numero (N) di altri peer (Ua) dai quali sono ricevute le grandezze d’aiuto (Axji).
8. 8. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette grandezze d’aiuto (Axji) comprendono uno o più fra: un rapporto segnale/disturbo (A1ji) riferito al segnale di un dato satellite fra i satelliti (S) visibili, uno spostamento di frequenza dovuto all’effetto Doppler (A2ji) riferito a un dato satellite fra i satelliti (S) visibili; un ritardo dell’istante di inizio di un codice secondario (A3ji) incluso nel segnale di un dato satellite fra i satelliti (S) visibili rispetto ad un riferimento temporale comune a tutti i peer di detta rete wireless (W),
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto apparato di posizionamento (Uu) à ̈ configurato per ricevere valori di rapporto segnaledisturbo (C/No) quale grandezza d’aiuto e ordinare rispetto all’esecuzione dell’operazione di acquisizione i satelliti in base ai rispettivi valori di stima di rapporto segnale- disturbo (<A 1 j>) calcolati.
10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) sono configurati per decidere di aumentare tempi di integrazione coerente (Tint) e/o un numero di accumulazioni non coerenti del segnale GNSS ricevuto (D) in funzione dei valori di stima di rapporto segnale-disturbo (<A 1 j>) calcolati per uno o più satelliti.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) sono configurati per ricevere valori di spostamento di frequenza dovuto all’effetto Doppler quale grandezza d’aiuto e impiegare una corrispondente stima di spostamento di frequenza dovuta all’effetto Doppler (<A 2 j>) come stima del valore esatto dello spostamento Doppler per ridurre uno spazio di ricerca nel calcolo di una Cross-Ambiguity Function (CAF).
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti uno o più apparati di posizionamento (Uu) sono configurati per ricevere valori di ritardo dell’istante di inizio di un codice secondario quale grandezza d’aiuto e impiegare una stima di detto ritardo dell’istante di inizio del codice secondario (<A 3 j>) per l’allineamento di una replica locale di detto codice secondario in una procedura di wipe-off del codice secondario.
13. 13. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che uno o più di detti apparati di posizionamento geospaziale (U), in particolare apparati anchor peer, sono connessi anche tramite reti cablate
14. 14. Procedimento di posizionamento geo-spaziale che opera in associazione a un sistema di navigazione globale satellitare GNSS caratterizzato dal fatto di comprendere le operazioni eseguite dal sistema di posizionamento geospaziale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13.
15. 15. Apparato di posizionamento geo-spaziale configurato per operare come apparato di posizionamento geo-spaziale in modalità di posizionamento aiutato nel sistema di posizionamento geo-spaziale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13.