ES2874542T3 - Dispositivo de posicionamiento - Google Patents

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ES2874542T3 ES14886890T ES14886890T ES2874542T3 ES 2874542 T3 ES2874542 T3 ES 2874542T3 ES 14886890 T ES14886890 T ES 14886890T ES 14886890 T ES14886890 T ES 14886890T ES 2874542 T3 ES2874542 T3 ES 2874542T3
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Masayuki Saito
Masakazu Miya
Yuki Sato
Seigo Fujita
Kazuhiro Terao
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Abstract

Dispositivo de posicionamiento (100) que comprende: - una unidad de ejecución de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos (103) adaptada para ejecutar posicionamiento del método de los cuadrados mínimos mediante el uso, como una cantidad de observación en el cálculo de posicionamiento, de un número n de cantidades de diferencia única de un pseudorango de onda L1 obtenido a partir de n piezas de datos de observación a partir de un número n de satélites de posicionamiento y n piezas de datos de corrección correspondientes a las n piezas de datos de observación, en el que n es un número entero de 4 o mayor; - una unidad de cálculo de suma de cuadrados (103) adaptada para calcular una suma de cuadrados de n residuos que se obtienen para cada satélite de posicionamiento ejecutando el posicionamiento del método de los cuadrados mínimos; - una unidad de normalización (103) adaptada para normalizar los n residuos; y - una unidad de evaluación (103) adaptada para descartar cualquiera de las n piezas de datos de observación, basándose en una evaluación de la variación del residuo basándose en una evaluación de la suma de cuadrados calculada por la unidad de cálculo de suma de cuadrados y en una evaluación de la cantidad de residuo individual basándose en una evaluación de los n residuos normalizados por la unidad de normalización, caracterizado porque la unidad de evaluación (103) se adapta para comparar, para cada satélite de posicionamiento, un residuo de diferencia doble de pseudorango con un quinto umbral y se adapta para descartar datos de observación de un satélite de posicionamiento con el residuo de diferencia doble de pseudorango excediendo el quinto umbral.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de posicionamiento
Campo técnico
La presente invención se refiere a un dispositivo de posicionamiento que lleva a cabo posicionamiento por satélite.
Técnica anterior
Se incluyen diversos errores en los datos de observación GNSS (Sistema global de navegación por satélite) transmitidos desde un sistema de posicionamiento por satélite (GNSS) tal como un GPS (Sistema de posicionamiento global).
Los errores incluidos en los datos de observación GNSS necesitan ser eliminados con el fin de realizar posicionamiento de alta precisión.
La bibliografía de patente 1 da a conocer una técnica de eliminación de un error llevando a cabo cálculo de diferencia doble del error relacionado con un pseudorango y una fase de portadora, por ejemplo.
La bibliografía de patente 2 se refiere a la detección y corrección de mediciones y estimación de la ambigüedad anómalas en un receptor de navegación.
La bibliografía de patente 3 se refiere a un método y sistema para determinar las posiciones relativas entre dos o más ubicaciones, tal como marcas de reconocimiento usando difusión de señales de radio por satélites GPS y satélites GLONASS.
La bibliografía de patente 4 da a conocer una unidad de navegación móvil que computa un vector de coordenadas de código único y su covariación tras recibir un vector de pseudorangos.
Lista de citaciones
Bibliografía de patentes
Bibliografía de patente 1 JP 2009-257 802 A
Bibliografía de patente 2 US 2011/115669 A1
Bibliografía de patente 3 US 5914685 A
Bibliografía de patente 4 US 7439908 B1
Sumario de la invención
Problema técnico
El multirrecorrido es una causa de degradación de la precisión de posicionamiento.
El multirrecorrido es un fenómeno que se produce cuando una señal GNSS que incluye los datos de observación alcanza una antena de un dispositivo de posicionamiento a través de una pluralidad de recorridos.
El multirrecorrido se produce cuando, por ejemplo, una señal GNSS (señal de multirrecorrido) que alcanza la antena del dispositivo de posicionamiento después de que esta se haya reflejado en un edificio o similares interfiere con una señal GNSS que alcanza directamente la antena.
Las zonas urbanas con muchos edificios y las zonas montañosas con muchos bosques son propensas al multirrecorrido, por tanto una señal de multirrecorrido necesita ser eliminada con el fin de realizar posicionamiento de alta precisión en estas zonas.
La señal de multirrecorrido depende fuertemente de un ambiente de recepción en un punto de posicionamiento y, en consecuencia, los datos de corrección usados para eliminar la señal de multirrecorrido no pueden distribuirse. Además, el grado en el que el multirrecorrido influye en la señal GNSS varía para cada señal GNSS, de manera que la señal de multirrecorrido no puede ser eliminada por el cálculo de diferencia doble descrito en la bibliografía de patente 1.
La presente invención se ha hecho teniendo en cuenta tales circunstancias, donde un objeto principal de la presente invención es eliminar los datos de observación influenciados por el multirrecorrido con el fin de realizar posicionamiento de alta precisión.
Solución al problema
La invención define un dispositivo de posicionamiento tal como se define en la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones adicionales.
Efectos ventajosos de la invención
Los residuos varían enormemente entre los datos de observación influenciados por el multirrecorrido y un residuo individual es grande en los datos de observación influenciados por el multirrecorrido.
En la presente invención, los datos de observación influenciados por el multirrecorrido pueden eliminarse mediante la evaluación de la variación del residuo basándose en una evaluación de una suma de cuadrados del residuo y mediante la evaluación de la cantidad de residuo individual basándose en una evaluación de un residuo normalizado.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de un sistema de posicionamiento según una primera realización.
La figura 2 es un diagrama que ilustra la entrada/salida de un dispositivo de posicionamiento según la primera realización.
La figura 3 es una tabla que ilustra datos de entrada/salida del dispositivo de posicionamiento según la primera realización.
La figura 4 es una tabla que ilustra datos de observación según la primera realización.
La figura 5 es un diagrama que ilustra una fuente de error incluido en una señal GPS según la primera realización. La figura 6 es un diagrama que ilustra una relación entre un error en la señal GPS e información de refuerzo según la primera realización.
La figura 7 es un diagrama que ilustra un punto de malla según la primera realización.
La figura 8 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración del dispositivo de posicionamiento según la primera realización.
La figura 9 es una tabla que ilustra elementos del dispositivo de posicionamiento según la primera realización. La figura 10 es una tabla que ilustra datos intermedios del dispositivo de posicionamiento según la primera realización.
La figura 11 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de funcionamiento de una unidad de cribado de datos de observación según la primera realización.
La figura 12 es un diagrama que ilustra un desglose de los datos de observación según la primera realización. La figura 13 es un diagrama que ilustra el cálculo de diferencia doble según la primera realización.
La figura 14 es un diagrama que ilustra un flujo de procesamiento de un filtro de Kalman según la primera realización.
La figura 15 es una tabla que ilustra un vector y una matriz usados en el filtro de Kalman según la primera realización.
La figura 16 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos según la primera realización.
La figura 17 es una tabla que ilustra una expresión de cálculo de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos según la primera realización.
La figura 18 es una tabla que ilustra una expresión de cálculo de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos según la primera realización.
La figura 19 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una configuración de hardware del dispositivo de posicionamiento según las realizaciones primera y segunda.
Descripción de las realizaciones
Primera realización
1. Configuración del sistema
La figura 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de un sistema de posicionamiento según la presente realización.
Un ejemplo descrito a continuación usa un satélite GPS como un satélite de posicionamiento.
En lugar del satélite GPS, puede usarse un GNSS tal como GLONASS, Galileo y BeiDou o un RNSS (sistema de navegación por satélite regional) tal como un satélite cuasi cenital.
Tal como se ilustra en la figura 1, un dispositivo de posicionamiento 100 se monta en un cuerpo móvil tal como un automóvil.
El dispositivo de posicionamiento 100 recibe datos de observación 501 y una efemérides de difusión 502 transmitida desde un satélite GPS 300.
La efemérides de difusión 502 también se denomina efemérides.
El dispositivo de posicionamiento 100 también recibe información de refuerzo 400 transmitida desde un satélite de distribución de información de refuerzo 200.
Principalmente se describirá un funcionamiento del dispositivo de posicionamiento 100 en la presente realización y una segunda realización.
El satélite de distribución de información de refuerzo 200 recibe información de refuerzo desde una estación terrestre no mostrada en la figura 1 y distribuye la información de refuerzo recibida como la información de refuerzo 400.
El satélite GPS 300, que es un satélite de posicionamiento, transmite los datos de observación 501 y la efemérides de difusión 502.
El dispositivo de posicionamiento 100 necesita adquirir cuatro o más de los satélites GPS 300 con el fin de llevar a cabo el posicionamiento.
2. Exposición general del funcionamiento del dispositivo de posicionamiento 100
En este caso, se describirá una exposición general del funcionamiento del dispositivo de posicionamiento 100 descrito en la presente realización y la segunda realización.
Tal como se ilustra en la figura 2, el dispositivo de posicionamiento 100 recibe los datos de observación 501 y la efemérides de difusión 502 como una señal GPS y la información de refuerzo 400.
El dispositivo de posicionamiento 100 entonces usa la información de refuerzo 400 así como los datos de observación 501 y la efemérides de difusión 502 para calcular la posición de un punto de posicionamiento (la posición del dispositivo de posicionamiento 100).
La figura 3 ilustra los datos de observación 501, la efemérides de difusión 502, la información de refuerzo 400 y la posición en detalle.
3.1. Datos de observación
Un pseudorango entre el punto de posicionamiento y el satélite GPS 300 así como una fase de portadora pueden derivarse de los datos de observación 501.
La figura 4 ilustra el pseudorango y la fase de portadora en detalle.
Cada uno del pseudorango y la fase de portadora derivados de los datos de observación 501 incluye un error. El dispositivo de posicionamiento 100 usa la información de refuerzo 400 para eliminar el error incluido en cada uno del pseudorango y la fase de portadora.
Obsérvese que en la siguiente descripción, un pseudorango para la onda L1 de un satélite GPS i se indicará como P (i, 1) y un pseudorango para la onda L2 del satélite GPS i se indicará como P (i, 2).
Además, una fase de portadora para la onda L1 del satélite GPS i se indicará como 9 (i, 1) y una fase de portadora para la onda L2 del satélite GPS i se indicará como 9 (i, 2).
3.2. Información de refuerzo
La figura 5 ilustra un error de sesgo y una fuente de ruido incluidos en los datos de observación 501.
Los errores resultantes del satélite GPS 300 incluyen un error de órbita, un error del reloj de satélite y un sesgo inter-frecuencia y los errores resultantes de un recorrido de propagación de la señal incluyen un error de retardo de propagación ionosférica (también denominado error de retardo ionosférico o cantidad de retardo ionosférico) y un error de retardo de propagación troposférica (también denominado error de retardo troposférico o cantidad de retardo troposférico).
Los errores resultantes de un receptor del dispositivo de posicionamiento 100 incluyen un error del reloj del receptor, un ruido del receptor y un error relacionado con el multirrecorrido que está provocado por una interferencia entre una señal GPS reflejada en un edificio y una señal GPS recibida directamente desde el satélite GPS 300. Entre estos errores, los errores resultantes del receptor varían dependiendo del rendimiento y de un ambiente de recepción del receptor del dispositivo de posicionamiento 100 usado por un usuario y por tanto no se incluyen en los datos de corrección y en la información de refuerzo sino que se eliminan por el procesamiento del dispositivo de posicionamiento 100.
Los errores resultantes del satélite GPS 300 y del recorrido de propagación de la señal se comprimen y distribuyen como la información de refuerzo desde el satélite de distribución de información de refuerzo 200.
Además de los errores ilustrados en la figura 5, los errores resultantes de un efecto de marea terrestre y un efecto wind up de fase que varían dependiendo de la posición del punto de posicionamiento se incluyen en los datos de corrección pero no se incluyen en la información de refuerzo.
La figura 6 ilustra un desglose de la información de refuerzo teniendo en consideración los puntos anteriormente mencionados.
Una estación terrestre recopila los datos de observación 501 a partir de un punto de referencia a través de un canal terrestre y genera datos de corrección.
Tradicionalmente, los datos de corrección se distribuyen como información de refuerzo junto con información de fiabilidad de los datos de corrección a un ciclo de actualización de un segundo a través de un teléfono móvil o una LAN inalámbrica (red de área local). Sin embargo, la información de refuerzo de la presente realización se difunde a usuarios a través de una línea de comunicación de un satélite artificial con capacidad de transmisión limitada, de manera que los errores en la información de refuerzo de la presente realización se clasifican en una tasa alta y una tasa baja según el grado de fluctuaciones temporales y se someten a compresión temporal.
Más específicamente, el error clasificado según la tasa alta se actualiza cada cinco segundos, mientras que el error clasificado según la tasa baja se actualiza cada 30 segundos.
Mientras que se generan los datos de corrección convencionales en cada punto de referencia establecido a intervalos de aproximadamente 10 km a 30 km y se distribuyen, el error de retardo ionosférico y el error de retardo troposférico (con una fluctuación espacial) resultantes del recorrido de la señal y que se incluyen en la información de refuerzo de la presente realización se distribuyen solo en cada punto de malla (figura 7) con un radio de 60 km para someterse a compresión espacial.
Adicionalmente, en la presente realización, los errores incluidos en la información de refuerzo se clasifican en un error que es dependiente de la frecuencia (un error dependiente de la frecuencia) y un error que es independiente de la frecuencia (un error independiente de la frecuencia).
El error independiente de la frecuencia se clasifica como el error de tasa alta y el error dependiente de la frecuencia se clasifica como el error de tasa baja.
Entre los errores independientes de la frecuencia, el error del reloj de satélite solo se actualiza cada cinco segundos y se distribuye.
Los otros errores independientes de la frecuencia, a saber el error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico, se actualizan cada 30 segundos y se distribuyen.
Sin embargo, para cada uno del error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico, se añade cada cinco segundos una variación del error actualizado cada 30 segundos como un valor de corrección al error del reloj de satélite (actualizado cada cinco segundos y distribuido).
En otras palabras, durante 30 segundos, se añaden cinco valores de corrección (30 segundos/5 segundos - 1 = 5) para cada uno del error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico al error del reloj de satélite actualizado cada cinco segundos.
Como resultado, el dispositivo de posicionamiento 100 puede recibir un valor actualizado de cada uno del error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico cada 30 segundos así como recibir el valor de corrección de cada uno del error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico cada cinco segundos.
El dispositivo de posicionamiento 100 entonces añade el valor de corrección recibido cada cinco segundos al valor actualizado recibido cada 30 segundos para poder llevar a cabo la corrección en el error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico cada cinco segundos.
El valor de corrección para cada uno del error de órbita de satélite, el sesgo inter-frecuencia y el error de retardo troposférico obtenido cada cinco segundos y añadido al error del reloj de satélite también se denomina una consistencia.
En la presente realización, el volumen de datos de la información de refuerzo se comprime distribuyendo la consistencia cada cinco segundos.
Obsérvese que el sesgo inter-frecuencia se basa en una señal L1 y representa una cantidad de retardo en una carga útil de satélite de cada señal, donde un sesgo inter-frecuencia (sesgo L1) es '0' y un sesgo inter-frecuencia (sesgo L2) representa una cantidad de retardo de una señal de portadora L2 con respecto a una señal de portadora L1 'L2 - L1'.
Un sesgo inter-frecuencia (sesgo L0) representa un término independiente de la frecuencia del sesgo inter­ frecuencia y se calcula a partir del sesgo inter-frecuencia (sesgo L1) y el sesgo inter-frecuencia (sesgo L2) tal como se expresa por la expresión 1 en la figura 6.
El sesgo inter-frecuencia que se basa en la señal L1 también puede basarse en otra señal sin ningún problema, donde puede esperarse el mismo efecto cuando se usa una señal L5.
4. Ejemplo de configuración del dispositivo de posicionamiento
La figura 8 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración del dispositivo de posicionamiento 100 según la presente realización.
La figura 9 ilustra una breve descripción de cada componente ilustrado en la figura 8 y la figura 10 ilustra una breve descripción de los datos intermedios.
Una unidad de cálculo de posición de satélite/posición aproximada 101 recibe los datos de observación 501 y la efemérides de difusión 502 desde el satélite GPS 300 y calcula una posición aproximada del punto de posicionamiento y una posición de cada satélite GPS 300.
Una posición aproximada 151 y una posición de satélite 152 son resultados del cálculo de la unidad de cálculo de posición de satélite/posición aproximada 101.
La posición aproximada 151 es una posición del punto de posicionamiento que se calcula mediante el posicionamiento independiente y preciso del orden de metros.
La posición de satélite 152 es una posición de cada satélite GPS 300 desde la cual el dispositivo de posicionamiento 100 recibe los datos de observación.
Una unidad de creación de datos de corrección 102 recibe la información de refuerzo 400 desde el satélite de distribución de información de refuerzo 200 así como adquiere la posición aproximada 151 y la posición de satélite 152 para calcular datos de corrección 153 a partir de la información de refuerzo 400, la posición aproximada 151 y la posición de satélite 152.
Los datos de corrección 153 indican un error que se espera que se incluya en los datos de observación 501 que se reciben en el punto de posicionamiento desde cada satélite GPS 300.
Una unidad de cribado de datos de observación 103 elimina los datos de observación 501 cuya calidad se espera que se degrade.
La unidad de cribado de datos de observación 103 corresponde con un ejemplo de una unidad de ejecución de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos, una unidad de cálculo de suma de cuadrados, una unidad de normalización y una unidad de evaluación.
Una unidad de corrección de errores de datos de observación 104 lleva a cabo cálculo de diferencia doble para generar datos de diferencia doble 154 de los datos de observación.
Los datos de diferencia doble 154 indican un valor obtenido mediante la resta de los datos de observación de un satélite maestro (datos de observación ya corregidos mediante el uso de los datos de corrección 153) a los datos de observación de un satélite esclavo (datos de observación ya corregidos mediante el uso de los datos de corrección 153).
Más tarde se describirá el cálculo de diferencia doble y los datos de diferencia doble 154.
Una unidad de cálculo de extrapolación de tiempo 105 lleva a cabo cálculo de extrapolación de tiempo para estimar una cantidad de estado X (t) de una época actual a partir de una cantidad de estado Xa (t - At) de una época anterior.
Obsérvese que la notación en la que "a" está directamente por encima de "X" en la figura 8 tiene el mismo significado que la notación en la que "a" está en la parte superior derecha de "X" ("XA").
Además, "A" indica una cantidad de estado después de haberse actualizado por una unidad de cálculo de actualización de la observación 108 que se va a describir.
Una unidad de cálculo de distancia geométrica 106 calcula una distancia geométrica 155 desde el satélite GPS 300 hasta el punto de posicionamiento basándose en la posición de satélite 152.
Una unidad de cálculo de residuo 107 calcula un residuo de diferencia doble 156 a partir de los datos de diferencia doble 154 y la distancia geométrica 155.
La unidad de cálculo de actualización de la observación 108 actualiza la cantidad de estado X (t) de manera que la cantidad de estado X (t) tiene el error estimado más pequeño.
La cantidad de estado X (t) después de haber sido actualizada por la unidad de cálculo de actualización de la observación 108 se indica como la cantidad de estado XA (t).
Una unidad de cálculo de ambigüedad 109 calcula la ambigüedad como una cantidad de sesgo de la fase de portadora y actualiza la cantidad de estado XA (t) basándose en el resultado del cálculo.
Un valor de la posición incluido en la cantidad de estado XA (t) que se actualiza por la unidad de cálculo de ambigüedad 109 se genera como un resultado de posicionamiento.
Además, la cantidad de estado XA (t) actualizada por la unidad de cálculo de ambigüedad 109 se somete al cálculo de extrapolación de tiempo por la unidad de cálculo de extrapolación de tiempo 105 como la cantidad de estado XA (t - At) de la época anterior.
Una unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 identifica datos de observación sospechosos de estar influenciados por el multirrecorrido y notifica a la unidad de cribado de datos de observación 103 los datos de observación sospechosos de estar influenciados por el multirrecorrido.
Además, la unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 instruye a la unidad de cálculo de ambigüedad 109 para recalcular la ambigüedad cuando se sospecha que hay un deslizamiento de ciclo.
La unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 junto con la unidad de cribado de datos de observación 103 corresponde con un ejemplo de la unidad de evaluación.
4.1. Unidad de cribado de datos de observación 103
En este caso, se describirá en detalle un funcionamiento de la unidad de cribado de datos de observación 103.
La unidad de cribado de datos de observación 103 emplea un esquema de detección y eliminación de residuos usando una única diferencia para detectar, de entre una pluralidad de piezas de datos de observación, los datos de observación influenciados por el multirrecorrido y eliminar los datos de observación que se van a detectar.
La figura 11 ilustra un ejemplo de funcionamiento de la unidad de cribado de datos de observación 103.
El ejemplo de funcionamiento de la unidad de cribado de datos de observación 103 se describirá a continuación con referencia a la figura 11.
Cuando se adquieren más de tres de los satélites GPS 300 (SÍ en S1101), la unidad de cribado de datos de observación 103 ejecuta el posicionamiento del método de los cuadrados mínimos (S1102) en el que se usa una cantidad de única diferencia (a continuación en el presente documento simplemente denominada también una única diferencia) de un pseudorango de onda L1 que se va a describir en la sección 4.2.1 como una cantidad de observación.
Es decir, la unidad de cribado de datos de observación 103 ejecuta el posicionamiento del método de los cuadrados mínimos mediante el uso, como la cantidad de observación, de un número n (n es un número entero de 3 o más grande) de cantidades de única diferencia del pseudorango de onda L1 que se obtiene a partir de n piezas de los datos de observación 501 a partir de un número n de los satélites GPS 300 y n piezas de los datos de corrección 153 correspondientes a las n piezas de los datos de observación 501.
En la figura 16 se ilustra un procedimiento del posicionamiento del método de los cuadrados mínimos y en las figuras 17 y 18 se ilustra una expresión de cálculo del posicionamiento del método de los cuadrados mínimos.
El procedimiento del posicionamiento del método de los cuadrados mínimos en la figura 16 y la expresión de cálculo del posicionamiento del método de los cuadrados mínimos en las figuras 17 y 18 ya se conocen y por tanto no se describirán.
El posicionamiento del método de los cuadrados mínimos se ejecuta para poder obtener un residuo de la cantidad de observación para cada satélite GPS 300.
Es decir, se obtiene un número n de residuos para un número n de los satélites GPS 300.
Una variación entre el número n de residuos obtenidos por el posicionamiento del método de los cuadrados mínimos es más grande cuando los datos de observación incluyen el multirrecorrido que cuando los datos de observación no incluyen el multirrecorrido.
Además, cada uno del número de residuos tiene una magnitud más grande cuando los datos de observación incluyen el multirrecorrido que cuando los datos de observación no incluyen el multirrecorrido.
La unidad de cribado de datos de observación 103 calcula una suma de cuadrados del residuo de la cantidad de observación de cada satélite (calcula una suma de cuadrados del número n de residuos) para evaluar la variación en la magnitud entre el número n de residuos (S1103).
La unidad de cribado de datos de observación 103 normaliza además el número n de residuos (S1103).
Una expresión de cálculo de la suma de cuadrados y una expresión de cálculo de normalización son las siguientes.
Obsérvese que en las siguientes expresiones, R representa ruido de observación, H representa una matriz de observación, n representa el número de satélites adquiridos y los índices i y j representan números de satélite.
Una matriz M es una matriz que representa una varianza esperada del residuo.
Donde un valor esperado de A se indica como E <A>, un elemento M (i, j) de M con i filas y j columnas se representa como M (i, j) = E <dz (i)*dz (j)>.
Figure imgf000009_0001
Suma de cuadrados del residuo:
zz = V 4 i V dz.M~xd z .
7= -174= -1í / IJ J
Normalización del residuo:
Figure imgf000009_0002
A continuación, la unidad de cribado de datos de observación 103 compara una suma de cuadrados zz del residuo con un umbral (primer umbral) (S1104 y S1105).
Cuando la suma de cuadrados zz del residuo no excede el umbral (NO en S1105), la unidad de cribado de datos de observación 103 determina que no se incluye el multirrecorrido en ninguna de las n piezas de los datos de observación y termina el procesamiento.
Por otro lado, cuando la suma de cuadrados zz del residuo excede el umbral (SÍ en S1105), la unidad de cribado de datos de observación 103 compara cada número n de residuos normalizados zm con un umbral (segundo umbral) (S1104 y S1106).
Cuando ninguno del número n de residuos normalizados zni excede el umbral (NO en S1106), la unidad de cribado de datos de observación 103 determina que el multirrecorrido no se incluye en ninguna de las n piezas de los datos de observación y termina el procesamiento.
Por otro lado, cuando al menos uno del número n de residuos normalizados zni excede el umbral (SÍ en S1106), la unidad de cribado de datos de observación 103 descarta, como datos que incluyen el multirrecorrido, una pieza de datos de observación del satélite GPS 300 correspondiente al residuo zni que tiene el valor absoluto más grande entre el número n de residuos normalizados zni (S1107).
La unidad de cribado de datos de observación 103 también elimina datos de observación que satisfacen la siguiente condición 3), y, opcionalmente, también cualquiera de 1) a 2), como datos sospechosos de incluir el multirrecorrido.
1) La intensidad de señal es inferior a un umbral (tercer umbral) que se ha establecido
Los datos de observación incluyen intensidad de señal de una señal GPS.
Los datos de observación que incluyen el multirrecorrido tienden a tener una intensidad de señal inferior, por lo cual la unidad de cribado de datos de observación 103 elimina los datos de observación con la intensidad de señal inferior al umbral.
2) El ángulo de elevación del satélite es más pequeño que un umbral (ángulo de máscara) (cuarto umbral) que se ha establecido
Los datos de observación del satélite GPS con un ángulo de elevación bajo pasan a través de largas distancias de una ionosfera y una troposfera y es altamente probable que se reflejen en un edificio, por lo cual la unidad de cribado de datos de observación 103 elimina los datos de observación del satélite GPS con el ángulo de elevación bajo.
3) El residuo de diferencia doble de pseudorango (consultar la sección 4.2.2) excede un error estimado (quinto error) estimado por el filtro de Kalman
La unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 compara el error estimado (error de valor de observación) que se estima que se va a incluir en una cantidad de observación de diferencia doble por el filtro de Kalman con el residuo de diferencia doble de pseudorango y, cuando el residuo de diferencia doble de pseudorango excede el error estimado, la unidad de cribado de datos de observación 103 elimina los correspondientes datos de observación.
El error estimado por el filtro de Kalman se calcula por un componente diagonal oii de una matriz o expresada por la siguiente expresión.
o = HPH R
Para H y R, se usan respectivamente una matriz de observación (figura 14) y un ruido de observación (figura 14) usados por la unidad de cálculo de actualización de la observación 108 al realizar una actualización de la observación y para P se usa una matriz de covarianza de error (figura 14) estimada por la unidad de cálculo de extrapolación de tiempo 105.
La unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 compara un error de valor de observación de una diferencia doble de pseudorango del satélite GPS que tiene un número de satélite i con un residuo de la diferencia doble de pseudorango y, cuando el residuo es más grande, notifica a la unidad de cribado de datos de observación 103 del número de satélite i de manera que la unidad de cribado de datos de observación 103 elimina los datos de observación del satélite GPS que tiene el número de satélite i.
La unidad de cribado de datos de observación 103 elimina los datos de observación incluyendo el multirrecorrido tal como se ha descrito anteriormente, por lo cual solo los datos de observación que no incluyen el multirrecorrido se introducen en la unidad de corrección de errores de datos de observación 104.
Además, la unidad de cribado de datos de observación 103 selecciona una pluralidad de satélites de entre los satélites observados, conmuta un satélite seleccionado, ejecuta el procesamiento empleando el esquema de detección y eliminación de residuos usando la única diferencia tal como se ha descrito anteriormente, ejecuta la detección de multirrecorrido e introduce los datos de observación de una combinación de satélites que tienen el residuo más pequeño a la unidad de corrección de error 104.
En la selección de satélite, el número de satélites que se seleccionan corresponde con el número de satélites visibles como máximo y, como mínimo, cuatro satélites con los que puede llevarse a cabo cálculo de posicionamiento.
Esta selección se lleva a cabo con todas las combinaciones de los satélites visibles.
4.2.1. Cantidad de diferencia doble
Ahora se describirá el cálculo de diferencia doble llevado a cabo por la unidad de corrección de errores de datos de observación 104.
Las figuras 12 y 13 ilustran el cálculo de diferencia doble.
Los datos de observación incluyen el pseudorango y la fase de portadora tal como se ilustra en la figura 4.
Cada uno del pseudorango y la fase de portadora incluye el error ilustrado en la sección 3.2 y la figura 6, donde el error incluye una cantidad incluida en los datos de corrección (número de referencia 1201 en la figura 12) así como el error del reloj del receptor (número de referencia 1203 en la figura 12) y el ruido del receptor (número de referencia 1204 en la figura 12) resultantes del receptor y que no se incluye en los datos de corrección (en este caso se ignora el multirrecorrido).
Una parte obtenida mediante la eliminación de todos los errores es un alcance verdadero (distancia geométrica indicada con el número de referencia 1202 en la figura 12) entre el punto de posicionamiento y el satélite GPS 300. La cantidad de error (número de referencia 1201 en la figura 12) incluida en los datos de corrección se elimina mediante la resta de los datos de corrección a los datos de observación (el pseudorango y la fase de portadora) de cada satélite GPS 300.
La cantidad de error obtenida después de restar los datos de corrección a los datos de observación (el pseudorango y la fase de portadora) se denomina una única cantidad de diferencia.
Cuando se decide que un determinado satélite GPS va a ser un satélite maestro (normalmente se selecciona un satélite GPS cerca del cénit) y se decide que otro satélite GPS que no es el satélite maestro va a ser un satélite esclavo, una única diferencia del satélite maestro se resta a una única diferencia del satélite esclavo.
Tal como se ilustra en la figura 13, la única diferencia del satélite esclavo y la única diferencia del satélite maestro son diferencias únicas de un receptor común, de manera que el error del reloj del receptor (número de referencia 1203 en la figura 12) incluido en la única diferencia del satélite esclavo es igual al error del reloj del receptor incluido en la única diferencia del satélite maestro.
Por tanto, el error del reloj del receptor (número de referencia 1203 en la figura 12) se cancela mediante la resta de la única diferencia del satélite maestro a la única diferencia del satélite esclavo.
Una cantidad de error obtenida después de eliminar el error del reloj del receptor se denomina una cantidad de diferencia doble (o se denomina simplemente diferencia doble).
El error principal se elimina mediante el cálculo de la cantidad de diferencia doble y permanecen la distancia geométrica (número de referencia 1202 en la figura 12), el ruido del receptor (número de referencia 1204 en la figura 12) y la ambigüedad (número de referencia 1205 en la figura 12, solo la fase de portadora).
El ruido del receptor es igual a cero cuando se promedia en un intervalo de tiempo y por tanto puede eliminarse llevando a cabo procesamiento estadístico (en la sección 4.2.2 se va a describir el filtro de Kalman) en el proceso de continuación de la observación.
Puede estimarse la ambigüedad mediante el uso del pseudorango a partir del cual se elimina el error (consultar la sección 4.2.3 que se va a describir) y, como resultado, puede estimarse la posición con alta precisión.
4.2.2. Filtro de Kalman
Se describirá el filtro de Kalman que realizan la unidad de cálculo de extrapolación de tiempo 105 y la unidad de cálculo de actualización de la observación 108 en las figuras 8 y 9.
La figura 14 ilustra un flujo de procesamiento del filtro de Kalman.
La figura 15 ilustra una descripción de una variable usada en el procesamiento del filtro de Kalman.
La unidad de cálculo de extrapolación de tiempo 105 en la figura 8 lleva a cabo cálculo de extrapolación de tiempo usando el filtro de Kalman que se ilustra en la figura 14.
La unidad de cálculo de actualización de la observación 108 en la figura 8 lleva a cabo cálculo de actualización de la observación del filtro de Kalman que se ilustra en la figura 14.
El cálculo de extrapolación de tiempo y el cálculo de actualización de la observación forman un bucle y el bucle formado por el cálculo de extrapolación de tiempo y el cálculo de actualización de la observación se ejecuta repetidamente.
El filtro de Kalman estima la cantidad de estado de manera que un componente diagonal de una covarianza de error (matriz de covarianza de error Pij = E<xixj>, donde E<a> es una varianza de "a") de la cantidad de estado (cantidad de estado X) que se va a estimar es el más pequeño en cada bucle que se repite.
El procesamiento del filtro de Kalman se describirá en el orden debido.
En el cálculo de extrapolación de tiempo, a partir de una cantidad de estado (xA(-)) y una matriz de covarianza de error (PA(-)) de un momento anterior, se estiman una cantidad de estado (x (+)) y una matriz de covarianza de error (P (+)) de un momento posterior basándose en una matriz de transición 9 determinada según el modelo dinámico que se va a adoptar.
En este momento, el ruido del proceso Q que es un error esperado entre el modelo dinámico y un fenómeno real se añade a la matriz de covarianza de error (PA(-)).
El ruido del proceso Q también se determina según el diseño y modelo dinámico adoptados.
A partir de la cantidad de estado estimada (x (+)), se obtiene una cantidad y equivalente a una cantidad de observación (y- representa que "-" está directamente por encima de "y"; esto mismo se aplica a continuación en el presente documento), estando la cantidad y estimada por un modelo de observación (y- = f (x)) que expresa una relación entre la cantidad de estado y la cantidad de observación.
En el cálculo de actualización de la observación, un residuo (dz = y - y-) que es una diferencia entre una cantidad de observación real y la cantidad de observación estimada se obtiene para su posterior conversión en una diferencia en la cantidad de estado (dx = K-dz) mediante el uso de la ganancia de Kalman K expresada en una expresión en la figura 14 y actualización de la cantidad de estado.
Una matriz de observación usada en el cálculo de actualización de la observación expresa el modelo de observación y se obtiene según la siguiente expresión.
Expresión 2
Figure imgf000012_0001
R incluida en el denominador de la expresión de la ganancia de Kalman K representa el ruido de observación esperado que se va a incluir en la cantidad de observación.
4.2.3. Cálculo de ambigüedad
A continuación, se describirá el cálculo de ambigüedad llevado a cabo por la unidad de cálculo de ambigüedad 109 en las figuras 8 y 9.
Con el fin de realizar posicionamiento de alta precisión, se requiere convencionalmente llevar a cabo posicionamiento mediante el uso de una fase de portadora con la que el ruido del receptor es del orden de milímetros (consultar la figura 4).
La ambigüedad que es una cantidad de sesgo se incluye en la fase de portadora pero no puede eliminarse mediante el cálculo de diferencia doble (consultar la sección 4.2.1), de manera que el dispositivo de posicionamiento 100 necesita estimar la ambigüedad mediante la adición de la ambigüedad a la cantidad de estado (posición y velocidad) y eliminar la ambigüedad.
Se describe en una lista a continuación un procedimiento de eliminación de la ambigüedad.
(1) Estimar una posición mediante el uso del pseudorango (consultar las secciones 4.2.1 y 4.2.2).
(2) Con la distancia geométrica hallada a partir de la posición obtenida en (1), estimar la ambigüedad de la fase de portadora (consultar la sección 4.2.1).
(3) Repetir (1) y (2) durante un tiempo para hacer una varianza de la cantidad de estado (posición, velocidad y ambigüedad) estadísticamente pequeña.
(4) Usar un método denominado un método LAMBDA para determinar un valor de número entero (denominado una solución Fix) de la ambigüedad (la ambigüedad tiene un valor de número entero; consultar la figura 4) que tiene un valor decimal (denominado una solución Float) en el momento de la etapa (3).
(5) Verificar si la solución Fix es correcta y, cuando sea correcta, fijar la ambigüedad para actualizar la posición correspondiente a la diferencia entre la solución Float y la solución Fix y realizar la precisión del orden de centímetros.
El método LAMBDA es un método de uso de la solución Float de la ambigüedad y una matriz de covarianza de error con un componente correspondiente a la solución Float como entradas, y de búsqueda de la solución Fix que da como resultado la media de la suma de mínimos cuadrados de la diferencia entre la solución Float y la solución Fix a partir de una esfera elipsoidal hiperdimensional que se determina por la magnitud de la covarianza de error con la solución Float como el centro.
Esta es hiperdimensional ya que el número de soluciones Float corresponde con el número de diferencias dobles (= número de satélites - 1) y se usa la esfera elipsoidal en lugar de una esfera ya que un componente no diagonal de la matriz de covarianza de error no es cero.
Se hace la determinación en la verificación en (5) basándose en información tal como la magnitud del residuo usando la solución Fix.
Segunda realización
5. Medidas contra el deslizamiento de ciclo
En la presente realización, además de las medidas descritas en la sección 4.1 anterior, se describirán las medidas tomadas por la unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 en la figura 8 frente a un deslizamiento de ciclo.
La ambigüedad de una fase de portadora permanece constante mientras el dispositivo de posicionamiento 100 sigue recibiendo una señal GPS (mientras adquiere el satélite GPS).
Sin embargo, cuando el dispositivo de posicionamiento 100 vuelve a adquirir el satélite GPS 300 después de que se interrumpa una vez la adquisición, la ambigüedad a veces se desvía a otro valor (que se denomina el deslizamiento de ciclo).
Una vez que se produce el deslizamiento de ciclo, una discrepancia causada por el desvío degrada la precisión de posicionamiento cuando se usa la ambigüedad retenida por el dispositivo de posicionamiento 100 antes de la readquisición.
Por tanto, como con el multirrecorrido, zonas tales como zonas urbanas y montañosas en las que la adquisición del satélite GPS se interrumpe con frecuencia requieren medidas contra el deslizamiento de ciclo con el fin de conseguir posicionamiento de alta precisión.
La unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 compara, para cada satélite GPS 300, el residuo de diferencia doble de la fase de portadora (consultar la sección 4.2.2) con un umbral (sexto umbral).
Cuando el residuo de diferencia doble de la fase de portadora excede el umbral, la unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110 sospecha que se genera el deslizamiento de ciclo e instruye a la unidad de cálculo de ambigüedad 109 para que recalcule la ambigüedad del satélite GPS 300, el residuo de diferencia doble de la fase de portadora del que excede el umbral.
La unidad de cálculo de ambigüedad 109 recalcula la ambigüedad del satélite GPS para el que se instruye el cálculo de la ambigüedad por la unidad de análisis de residuo de diferencia doble 110.
6. Variación
Aunque se han descrito las realizaciones de la presente invención, dos o más de estas realizaciones pueden combinarse e implementarse.
Obsérvese que la presente invención no debe estar limitada por estas realizaciones sino que puede modificarse de diversas maneras según sea necesario. El alcance de la invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
7. Ejemplo de configuración de hardware
Finalmente, un ejemplo de una configuración de hardware del dispositivo de posicionamiento 100 según las realizaciones primera y segunda se describirá con referencia a la figura 19.
El dispositivo de posicionamiento 100 es un ordenador que puede implementar cada elemento del dispositivo de posicionamiento 100 mediante un programa.
El dispositivo de posicionamiento 100 tiene la configuración de hardware en la que un dispositivo aritmético 901, un almacenamiento externo 902, un almacenamiento principal 903, un dispositivo de comunicación 904 y un dispositivo de entrada/salida 905 se conectan a un bus.
El dispositivo aritmético 901 es una CPU (unidad central de procesamiento) que ejecuta el programa.
El almacenamiento externo 902 es una ROM (memoria de solo lectura), una memoria flash y/o un dispositivo de disco duro, por ejemplo.
El almacenamiento principal 903 es una RAM (memoria de acceso aleatorio).
El dispositivo de comunicación 904 recibe los datos de observación y la efemérides de difusión desde el satélite GPS y recibe la información de refuerzo desde el satélite de distribución de información de refuerzo.
El dispositivo de comunicación 904 incluye una función de conversión AD (analógica-digital).
El dispositivo de entrada/salida 905 es un visualizador de panel táctil, por ejemplo.
El programa que se almacena normalmente en el almacenamiento externo 902 se lee de manera secuencia! en el dispositivo aritmético 901 y se ejecuta mientras se carga en el almacenamiento principal 903.
El programa es un programa que implementa la función que se describe como "... unidad" en la figura 8.
Además, el almacenamiento externo 902 almacena un sistema operativo (OS), cuya al menos una parte se carga en el almacenamiento principal 903 de manera que el dispositivo aritmético 901 ejecuta el programa que implementa la función de la "... unidad" en la figura 8 mientras que ejecuta el OS.
Adicionalmente, el almacenamiento principal 903 almacena como un archivo una información, datos, un valor de señal y un valor variable que representan el resultado del procesamiento descrito como "corrección de...", "generación de...", "creación de...", "cómputo de...", "cálculo de...", "determinación de...", "evaluación de...", "actualización de...", "estimación de...", "extracción de...", "selección de...", "recepción de..." y similares en las realizaciones primera y segunda.
Obsérvese que la configuración en la figura 19 ilustra meramente un ejemplo de la configuración de hardware del dispositivo de posicionamiento 100, que puede por tanto tener la configuración de hardware que no es necesariamente la configuración ilustrada en la figura 19 sino otra configuración.
Lista de signos de referencia
100 dispositivo de posicionamiento
101 unidad de cálculo de posición de satélite/posición aproximada
102 unidad de creación de datos de corrección
103 unidad de cribado de datos de observación
104 unidad de corrección de errores de datos de observación
105 unidad de cálculo de extrapolación de tiempo
106 unidad de cálculo de distancia geométrica
107 unidad de cálculo de residuo
108 unidad de cálculo de actualización de la observación
109 unidad de cálculo de ambigüedad
110 unidad de análisis de residuo de diferencia doble
200 satélite de distribución de información de refuerzo
300 satélite GPS
400 información de refuerzo
501 datos de observación
502 efemérides de difusión

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de posicionamiento (100) que comprende:
- una unidad de ejecución de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos (103) adaptada para ejecutar posicionamiento del método de los cuadrados mínimos mediante el uso, como una cantidad de observación en el cálculo de posicionamiento, de un número n de cantidades de diferencia única de un pseudorango de onda L1 obtenido a partir de n piezas de datos de observación a partir de un número n de satélites de posicionamiento y n piezas de datos de corrección correspondientes a las n piezas de datos de observación, en el que n es un número entero de 4 o mayor;
- una unidad de cálculo de suma de cuadrados (103) adaptada para calcular una suma de cuadrados de n residuos que se obtienen para cada satélite de posicionamiento ejecutando el posicionamiento del método de los cuadrados mínimos;
- una unidad de normalización (103) adaptada para normalizar los n residuos; y
- una unidad de evaluación (103) adaptada para descartar cualquiera de las n piezas de datos de observación, basándose en una evaluación de la variación del residuo basándose en una evaluación de la suma de cuadrados calculada por la unidad de cálculo de suma de cuadrados y en una evaluación de la cantidad de residuo individual basándose en una evaluación de los n residuos normalizados por la unidad de normalización,
caracterizado porque
la unidad de evaluación (103) se adapta para comparar, para cada satélite de posicionamiento, un residuo de diferencia doble de pseudorango con un quinto umbral y
se adapta para descartar datos de observación de un satélite de posicionamiento con el residuo de diferencia doble de pseudorango excediendo el quinto umbral.
2. Dispositivo de posicionamiento según la reivindicación 1,
en el que la unidad de evaluación (103) se adapta para descartar, de entre las n piezas de datos de observación, una pieza de datos de observación de un satélite de posicionamiento teniendo el residuo normalizado el valor absoluto más grande.
3. Dispositivo de posicionamiento según la reivindicación 1,
en el que la unidad de ejecución de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos (103) se configura además para seleccionar una combinación de un número n de satélites de posicionamiento (4 < n < m) entre la cantidad de observación en el cálculo de posicionamiento que se obtiene del número m de cantidades de única diferencia de un pseudorango de onda L1 que se obtiene de m piezas de datos de observación transmitidas desde un número m de satélites de posicionamiento observados y m piezas de datos de corrección correspondientes a las m piezas de datos de observación y se adapta para ejecutar el posicionamiento del método de los cuadrados mínimos para cada combinación.
4. Dispositivo de posicionamiento según la reivindicación 3,
en el que la unidad de evaluación (103) se adapta para introducir, en una unidad de cálculo de posicionamiento que realiza cálculo de posicionamiento, n piezas de datos de observación de una combinación con la suma de cuadrados más pequeña calculada por la unidad de cálculo de suma de cuadrados, de entre las combinaciones seleccionadas por la unidad de ejecución de posicionamiento del método de los cuadrados mínimos.
5. Dispositivo de posicionamiento según la reivindicación 1,
en el que la unidad de evaluación (103) se adapta para comparar, para cada satélite de posicionamiento, la intensidad de señal de una señal de posicionamiento con un tercer umbral y se adapta para descartar datos de observación de un satélite de posicionamiento estando la intensidad de señal de la señal de posicionamiento por debajo del tercer umbral.
6. Dispositivo de posicionamiento según la reivindicación 1,
en el que la unidad de evaluación (103) se adapta para comparar, para cada satélite de posicionamiento, un ángulo de elevación de satélite con un cuarto umbral y
se adapta para descartar datos de observación de un satélite de posicionamiento estando el ángulo de elevación de satélite por debajo del cuarto umbral.
7. Dispositivo de posicionamiento según la reivindicación 1,
que comprende además una unidad de cálculo de ambigüedad (109) adaptada para calcular la ambigüedad para cada satélite de posicionamiento, en el que
la unidad de evaluación (103) se adapta para comparar un residuo de diferencia doble de fase de portadora con un sexto umbral para cada satélite de posicionamiento y se adapta para instruir a la unidad de cálculo de ambigüedad que recalcule la ambigüedad de un satélite de posicionamiento excediendo el residuo de diferencia doble de fase de portadora el sexto umbral, y
la unidad de cálculo de ambigüedad (109) se adapta para recalcular la ambigüedad del satélite de posicionamiento para lo que se instruye el recálculo de la ambigüedad por la unidad de evaluación (103).
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