Definizione e Sviluppo di un Ricevitore Software per l Elaborazione dei Segnali GPS e Galileo: Peculiarità e Risultati della Fase di Acquisizione

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Clemente Palla
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1 Tesi di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Anno Accademico Definizione e Sviluppo di un Ricevitore Software per l Elaborazione dei Segnali GPS e Galileo: Peculiarità e Risultati della Fase di Acquisizione Relatore: Chiar.mo Prof. Roberto Cusani Correlatore: Ing. Roberto Campana Candidato: Roberto Dell Ariccia

Segnali GPS e Galileo: Peculiarità e Risultati della Fase di Acquisizione Relatore:

2 Sommario 1. Introduzione 2. Segnali di Radionavigazione 3. Dati di test 4. Fase di Acquisizione 5. Risultati 6. Conclusioni e sviluppi futuri

3 Il progetto di tesi Realizzazione di un SW receiver in MATLAB per analisi di segnali di navigazione in post-processing Introduzione Thales Alenia Space NavCom Lab: studio di algoritmi e analisi di segnali per la navigazione

post-processing Introduzione Thales Alenia Space NavCom

4 Hardware Receiver vs Software Receiver... Hardware receiver Acquisition Single channel Hardware Software Software receiver Tracking Navigation solution Down-conversion and Sampling Software Introduzione Hardware

5 Il Software Receiver sviluppato Moduli di acquisizione e tracking SW indipendente dalla frequenza intermedia e di campionamento Introduzione Peculiarità e risultati della fase di acquisizione

6 GPS L1,GIOVE-A L1/E6 Portante modulata da: Segnale dati/codice secondario a basso bit/rate Codice di spreading veloce BOC: sotto-portante onda quadra su GIOVE-A L1 Picchi nella ACF G P S C /A G IO V E - A E 6 P ilo t C h a n n e l G IO V E -A L 1 P ilo t C h a n n e l.5 N o r m a lis e d A C F La BOC permette la coesistenza di GPS e Galileo su L1 ACF O ffs e t ( c h ip s ) Segnali di Radionavigazione Segnali di Radionavigazione

n e l G IO V E -A L 1 P ilo t C h a n n e l.

7 Dati di test Dati simulati con SIMULINK : 3 simulatori GPS e GIOVE-A Dati ESA simulati hardware per validazione ricevitori: GIOVE-A Dati di test Dati ricevitore SEPTENTRIO con antenna omnidirezionale: GPS e GIOVE-A

per validazione ricevitori: GIOVE-A Dati di test Dati

8 Introduzione CDMA: i satelliti trasmettono in broadcast segnali di ranging Obiettivi dell acquisizione: Determinare i satelliti in visibilità (codici PRN di spreading) Stima dei parametri per la demodulazione (doppler, fase codice) Ricerca bidimensionale tempo-frequenza Approcci classici: seriale o parallelo su uno dei 2 domini Acquisizione Range di ricerca: ±5 khz per ricevitore fisso, lunghezza del codice

la demodulazione (doppler, fase codice) Ricerca bidimensionale tempo-frequenza Approcci classici:

Ricerca parallela nel tempo, seriale in doppler Correlazione circolare via FFT: finestra pari a durata del codice GIOVE-A L1: BOC allineata al codice nelle repliche locali Risoluzione in frequenza:

9 Ricerca parallela nel tempo, seriale in doppler Correlazione circolare via FFT: finestra pari a durata del codice GIOVE-A L1: BOC allineata al codice nelle repliche locali Risoluzione in frequenza: dipende dal tempo di acquisizione Risoluzione in tempo: dipende dalla Fs (# campioni/chip) Ricerca fine della frequenza seriale dopo la prima stima Segnale GPS C/A GIOVE-A L1 GIOVE-A E6 # Celle doppler Lunghezza di codice 123 (1ms) 8184 (8ms) 123 (2ms) F z ( n ) = x( n ) y ( n ) Z ( k ) = X ( k ) Y ( k ) Acquisizione Scelte Realizzative

dalla Fs (# campioni/chip) Ricerca fine della frequenza seriale dopo la prima stima Segnale GPS C/A GIOVE-A L1 GIOVE-A E6 # Celle

10 Algoritmo Inputs Segnale a IF campionato Repliche locali codici (con FFT*) e LO Outputs Matrici di acquisizione dei satelliti acquisiti Lista dei satelliti acquisiti con Doppler e fase del codice Acquisizione Parametri

acquisizione dei satelliti acquisiti Lista dei

11 Ricerca fine della doppler Il tracking necessita di migliore di quella iniziale una stima Stimata la fase del codice, esso viene moltiplicato per il vettore corrispondente e si ottiene un tono puro Acquisizione Ricerca seriale intorno alla prima stima della doppler

moltiplicato per il vettore corrispondente e si ottiene un tono

12 Matrici di acquisizione 2.5 x 1 1 GIOVE-A L1 (8ms) d B -H z G P S 1 -D A c q u is it io n M a t rix - R e a l D a t a 12 2 x 1 13 GIOVE-A E6 (2ms) Acquisizione GPS (1ms) G IO V E - A L 1 P i l o t C h a n n e l 1 - D A c q u i s i t i o n M a t r i x x d B - H z G IO V E - A E 6 P ilo t C h a n n e l 1 - D A c q u is it io n M a t r ix - E S A d a t a C o d e P h a s e [ s a m p le s ] C o d e P h a s e [ s a m p le s ] C o d e P h a s e [ s a m p le s ] x 1 5

h a n n e l 1 - D A c q u i s i t i o n M a t r i x x 1 1 1 8 8 6 6 4 4 2 2 12 1 d B - H z G IO V E - A E 6 P ilo t C h a n n e l 1 - D A c q u is it

13 Perdite in acquisizione A t t e n u a t io n d u e t o C o d e P h a s e S h ift Disallineamento in tempo db Disallineamento in frequenza Transizione di bit dati (GPS) o chip codice secondario (Galileo) 1 replica di codice Galileo per ogni chip del codice secondario C o d e P h a s e S h ift [ s a m p le s ] - 8 s a m p le s / c h ip 5 6 A t t e n u a t io n d u e t o D o p p le r S h ift G P S L1 C/A G IO V E -A L 1 P ilo t C h a n n e l G IO V E -A E 6 P ilo t C h a n n e l D o p p le r S h ift [ H z ] Acquisizione 2 repliche di codice GPS per ogni bit dati 1 db Correlazione parziale G a lile o L 1 P ilo t P rim a ry C o d e B O C (1, 1 ) G a lile o E 6 P ilo t P rim a ry C o d e G P S C/A Code 123-2

s / c h ip 5 6 A t t e n u a t io n d u e t o D o p p le r S h ift G P S L1 C/A G IO V E -A L 1 P ilo t C h a n n e l G IO V E -A E 6 P ilo t C h a n n e l -1-2 -3-4 -5-6 1 2 3 4 5 6 D o p p le r S h

14 Integrazione coerente Acquisizione su Nc frames Guadagno sul picco pari Nc Limite superiore a Nc : dato dalla transizione di bit adatto a GPS (max 2) Galileo: acquisizioni veloci su mezzo frame (correlazione parziale) Costo: # celle doppler e FFT su più campioni # Frames Risoluzione in frequenza (Hz) # Celle Guadagno (db) GPS C/A ½ ms 2 1 ms 1 2 ms 5 4 ms 25 8 ms ms 5 GIOVE-A L1 Pilot Channel ½ (4 ms) 25 1 (8 ms) (2ms) 5 GIOVE-A E6 Pilot Channel ½ (1 ms) 1 1 (2 ms) 5 5(1ms) Acquisizione Aumenta il tempo di acquisizione, la risoluzione in frequenza migliora i Nc volte

(db) GPS C/A ½ ms 2 1 ms 1 2 ms 5 4 ms 25 8 ms 125 2 ms 5 GIOVE-A L1 Pilot Channel ½ (4 ms) 25 1 (8 ms) 125 25(2ms) 5 GIOVE-A E6 Pilot Channel ½ (1 ms) 1 1 (2

15 Integrazione incoerente Elaborazione di Ni acquisizioni Guadagno in sul picco pari Ni No aumento risoluzione doppler Adatto sia a GPS che Galileo Costo: aumenta Ni volte, esclusa la somma finale Integrazione mista GPS: combinazione con integrazione coerente, guadagno Ni x Nc Acquisizione Meno sensibile alla transizione di bit

aumenta Ni volte, esclusa la somma finale Integrazione mista GPS: combinazione

16 Guadagno di processo Il guadagno di codice dipende solo dalla durata del codice e dalla frequenza di campionamento Acquisizione SNRout: rapporto tra picco di correlazione e media della matrice in assenza di segnale

campionamento Acquisizione SNRout: rapporto tra picco

17 Test: SNR in assenza di perdite,con integrazione, al variare di C/N Significativo il rapporto Tcode/BIF Galileo penalizzato da bande trasmesse più larghe In realtà GIOVE-A trasmette con più potenza Minimi livelli di potenza a terra attesi secondo GPS e GIOVE-A ICD GPS C/A L1-16 dbw GIOVE-A L dbw GIOVE-A E dbw Risultati: dati SIMULINK Sensibilità

trasmette con più potenza Minimi livelli di potenza a terra attesi secondo GPS e GIOVE-A

18 Affidabilità D o p p l e r & C o d e S h i ft C o r r e c t E s t i m a t i o n P r o b a b i l i t y 1 GPS 9 Assenza perdite e integrazione, al variare di C/N Significativo il rapporto Tcode/BIF G IO V E - A E Confronto con i minimi valori attesi:acquisizione affidabile (>9%) C /N 5 55 Minimi livelli di potenza attesi (GPS/GIOVE-A ICD) Minimo C/ N simulato GPS C/A L1-16 dbw 45 db-hz GIOVE-A L dbw 49.3 db-hz GIOVE-A E dbw 51.2 db-hz Risultati: dati SIMULINK >9% % Test:verifica stima doppler e fase del codice G IO V E - A L 1

affidabile (>9%) 35 4 45 C /N 5 55 Minimi livelli di potenza attesi (GPS/GIOVE-A ICD) Minimo C/ N simulato GPS C/A L1-16 dbw 45 db-hz GIOVE-A

19 Test sui dati ESA GIOVE-A Disponibili segnali da 1 a 16 db-hz per L1 e 2 db-hz per E6 L1 16 db-hz 4 incoherent integrations E6 2 db-hz 5 incoherent integrations Risultati: dati ESA Acquisiti tutti segnali disponibili

20 Test sui dati reali GIOVE-A Confronto stima HW-SW positivo GIOVE-A E6 GIOVE-A L1 4 db-hz Risultati: dati reali Acquisiti segnali fino a 4 db-hz

21 Test sui dati reali GPS Confronto stima HW-SW positivo GPS 35 db-hz 8 coherent integrations Risultati: dati reali Acquisiti segnali fino 35 db-hz

22 Aspetti Computazionali: HW vs SW Test eseguito con segnale a campionato a 112 MHz su workstation: Tempo di ricerca singolo satellite Segnale Ricevitore Software Ricevitore SEPTENTRIO CPU 3.4 GHz GPS C/A 1.5 sec N.A. RAM 4 GB GIOVE-A L1 117 sec 12 sec Assenza di integrazione GIOVE-A E6 9 sec 7 sec Acquisizione veloce su GIOVE-A L1 raccomandata Risultati 48 sec per ricercare i 32 satelliti GPS

23 Conclusioni Progetto, testing e validazione di un ricevitore SW per GPS L1 e Galileo L1/E6 dotato di interfaccia grafica Banco di prove: segnale simulato SW (SIMULINK), simulato HW (ESA), reale con antenna omnidirezionale Acquisiti segnali reali GPS fino a 35 db-hz, Galileo fino a 4 db Hz Sviluppi futuri GIOVE-A E5 AltBOC: sottoportanti complesse GIOVE-B: lancio ad aprile Ottimizzazione codice: C/C++, near real-time Conclusioni e sviluppi futuri

24 12 x 1 G IO V E - A L 1 P i l o t C h a n n e l 1 - D A c q u i s i t i o n M a t r i x Grazie per l attenzione C o d e P h a s e [ s a m p le s ]

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