Validation of BeiDou Observations

This study presents validation of BeiDou measurements in un-differenced standalone mode and experimental results of its application for real data. A reparameterized form of the unknowns in a geometry-free observation model was used. Observations from each satellite are independently screened using a local modeling approach. Main advantages include that there is no need for computation of inter-system biases and no satellite navigation information are needed. Validation of the triple-frequency BeiDou data was performed in static and kinematic modes, the former at two continuously operating reference stations in Australia using data that span two consecutive days and the later in a walking mode for three hours. The uses of the validation method parameters for numerical and graphical diagnostics of the multi-frequency BeiDou observations are discussed. The precision of the system’s observations was estimated using an empirical method that utilizes the characteristics of the validation statistics. The capability of the proposed method is demonstrated in detection and identification of artificial errors inserted in the static BeiDou data and when implemented in a single point positioning processing of the kinematic test

Research on the retrieval of rain rate using polarimetric GNSS signals

Abstract-In recent years, the Atmosphere-Ocean and Space environmental remote sensing technology such as atmospheric temperature and moisture profiles, sea surface wind field, and total electron content based on the GNSS signals has been widely concerned. This paper researches the mechanism and method of the retrieval of rain rate based on the depolarization of GNSS signals. According to a non-spherical raindrops model and raindrop size distribution, the function relation between the cross-polarization discrimination XPD defined to describe the depolarization and rain rate is established based on the non-spherical particle scattering algorithm. The feasibility of retrieving rain rate using the XPD is simulated and analyzed. The new technology of real-time, continuous, global detection of rain rate explored in this paper is of great significance to the expansion of the application of GNSS signals in the field of remote sensing of the atmosphere-ocean environment

THE PERFORMANCE OF BDS RELATIVE POSITIONING USAGE WITH REAL OBSERVATION DATA

With the first phase of COMPASS/BeiDou-2 (BDS) completed, the assessment ofpositioning performance and the characterization of its system are analyzed andpresented. Pseudo-range and carrier phase measurements modulated on B1 and B2have been collected in Shanghai, from 00:00 to 24:00 on 28 December, 2012.Compared with GPS, visibility and measurement quality of BDS’s GEO, IGSO andMEO satellites are analyzed. DOP during the whole orbital period is also analyzedthe results demonstrate that BDS’s HDOP is better than GPS’s one, but VDOPopposite. Furthermore, the result of positioning is also presented and analyzed.Short baselines are estimated by standalone BDS and GPS’s carrier phasemeasurement, respectively, using 48 segmentations of observations during a wholeday (24 hours, each segmentation, is about 30 minutes observation). The analysis ofstatic relative positioning demonstrates that BDS could achieve to millimeter level,corresponding to GPS. Kinematic result is produced by double differenced carrierphase observations with the ambiguities fixed under the constraint of precise shortbaseline.The result shows that the centimeter accuracy could be achieved. Whencomparing the results of kinematic baseline solutions, performance of BDS is worsethan GPS on North and Up components, but oppositely on the component of East inthe kinematic baseline processing

Desarrollo de algoritmos para el tratamiento de datos GNSS : su aplicación a los escenarios GPS modernizado y Galileo

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Matemáticas, Sección Departamental de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica I (Geofísica y Meteorología) (Astronomía y Geodesia), leída el 24-07-2012Nowadays, the major GNSS systems are the american GPS and the russian GLONASS, however, in a near future the european project Galileo and the chinesse system COMPASS will become part of the current GNSS scenario. These systems will transmit for the first time three different frequencies, giving place to a multi-system and multi-frequency scenario which will dramatically push the boundaries of the positioning techniques. Currently, one of the most studied positioning techniques is known as Precise Point Positioning (PPP), which is aimed at estimating precise receiver position from undifferenced GNSS code and carrier phase observations and precise satellite products. In this thesis, some new and original algorithms for static PPP have been developed, which are able to deal with the future multi-system and multifrequency GNSS observations. The new algorithms have been named MAP3. In the new approach, the least squares theory is applied twice to estimate the ionospheric delay, initial ambiguities and smoothed pseudodistances from undifferenced observations, which in turn are used to recover the receiver position and its clock offset. MAP3 provides position estimations with an accuracy of 2.5 cm after 2 hours observation and 7 mm in 1 day, being at the same level as other PPP programs and even better results are obtained with MAP3 in short observation periods. Moreover, MAP3 have provided some of the first results in positioning from GIOVE observations and GPC products. In addition, these algorithms have been applied in the analysis of the influence of ionospheric disturbances on the point positioning, concluding that the presence of a high ROT (Rate of TEC), observed at equatorial latitudes, reflects a significant degradation of the point positioning from dual-frequency observations.Actualmente, los únicos sistemas globales de navegación por satélites operativos son GPS y GLONASS, sin embargo, en un futuro cercano el proyecto europeo Galileo y el sistema chino COMPASS entrarán a formar parte del actual escenario GNSS. Estos sistemas emplearán por primera vez, tres frecuencias distintas, dando lugar a un escenario multi-frecuencia que revolucionará las técnicas de posicionamiento. Entre las técnicas actuales de posicionamiento con GNSS destaca el Posicionamiento Preciso Puntual (PPP), que consiste en determinar la posición de un receptor a partir de observaciones de código y fase no differenciadas y productos precisos. En este trabajo de tesis se han desarrollado unos nuevos y originales algoritmos para PPP estático, llamados MAP3, capaces de procesar observaciones GNSS multifrecuencia y multi-sistema del futuro escenario GNSS y determinar la posición de un receptor de forma precisa y exacta. Los algoritmos MAP3 se dividen en dos partes en las cuales se ha aplicado la teoría mínimos cuadrados y se han obtenido expresiones explícitas para estimar el retraso ionosférico, ambigüedades de fase inicial y pseudodistancias suavizadas, que se emplean para determinar la posición del receptor y el offset de su reloj. MAP3 proporciona una estimación de la posición con una exactitud de 2.5 cm tras 2 horas de observación y de 7 mm tras 24 h, resultados que mejoran los obtenidos hasta el momento con otros programas para PPP en periodos cortos de tiempo. Además, MAP3 han proporcionado los primeros resultados en el posicionamiento con observaciones GIOVE y productos del GPC. Por otro lado, estos algoritmos se han aplicado al análisis de los efectos de ciertas perturbaciones ionosféricas en el posicionamiento concluyendo que la presencia de un ROT (Rate of TEC) elevado, observado en latitudes ecuatoriales, refleja una degradación significativa del posicionamiento puntual con observaciones doble frecuencia.Unidad Deptal. de Astronomía y GeodesiaFac. de Ciencias MatemáticasTRUEunpu

Galileo Signal Generation. Simulation Analysis

Projecte realitzat eb col.laboració amb el Department of Computer and Electronic Engineering. University of LimerickThis work presents the navigation signals and their allocation in the radio frequency band used in the new European Global Navigation Satellite System (GNSS): Galileo. All signals are described mathematically and then simulated using Matlab language (in transmission). Results are shown thus proving the theory provided by the European Space Agency document: “Open Service Signal in Space Interface Control Document” (OS SIS ICD). Before introducing the navigation signals, a deep study and analysis on the modulations and multiplexing schemes (Binary Phase Shift Keying(BPSK), Binary Offset Carrier (BOC), Alternate Binary Offset Carrier (AltBOC), Carrier Adaptative Sub-Carrier Modulation (CASM) and Double Binary Offset Carrier (DBOC) is carried out, also giving detailed results and simulations in Matlab proving the theory again. Moreover, the acquirement of both the autocorrelation function (ACF) and the power spectral density (PSD) of all navigation signals (in Matlab) and all modulations (in theory) is emphasised in the study. Ranging codes are also studied in this work, however from a more practical than scientific point of view, showing how they have been implemented and what type of codes they are (memory codes, based register codes, gold codes). Finally, a paper is provided reviewing the innovative aspects of the navigation signals and why these have been selected for this new GNSS

CMOS ASIC Design of Multi-frequency Multi-constellation GNSS Front-ends

With the emergence of the new global navigation satellite systems (GNSSs) such as Galileo, COMPASS and GLONASS, the US Global Positioning System (GPS) has new competitors. This multiplicity of constellations will offer new services and a much better satellite coverage. Public regulated service (PRS) is one of these new services that Galileo, the first global positioning service under civilian control, will offers. The PRS is a proprietary encrypted navigation designed to be more reliable and robust against jamming and provides premium quality in terms of position and timing and continuity of service, but it requires the use of FEs with extended capabilities. The project that this thesis starts from, aims to develop a dual frequency (E1 and E6) PRS receiver with a focus on a solution for professional applications that combines affordability and robustness. To limit the production cost, the choice of a monolithic design in a multi-purpose 0.18 µm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology have been selected, and to reduce the susceptibility to interference, the targeted receiver is composed of two independent FEs. The first ASIC described here is such FEs bundle. Each FE is composed of a radio frequency (RF) chain that includes a low-noise amplifier (LNA), a quadrature mixer, a frequency synthesizer (FS), two intermediate frequency (IF) filters, two variable-gain amplifiers (VGAs) and two 6-bit flash analog-to-digital converters (ADCs). Each have an IF bandwidth of 50 MHz to accommodate the wide-band PRS signals. The FE achieves a 30 dB of dynamic gain control at each channel. The complete receivers occupies a die area of 11.5 mm2 while consuming 115 mW from a supply of a 1.8 V. The second ASIC that targets civilian applications, is a reconfigurable single-channel FE that permits to exploit the interoperability among GNSSs. The FE can operate in two modes: a ¿narrow-band mode¿, dedicated to Beidou-B1 with an IF bandwidth of 8 MHz, and a ¿wide-band mode¿ with an IF bandwidth of 23 MHz, which can accommodate simultaneous reception of Beidou-B1/GPS-L1/Galileo-E1. These two modes consumes respectively 22.85 mA and 28.45 mA from a 1.8 V supply. Developed with the best linearity in mind, the FE shows very good linearity with an input-referred 1 dB compression point (IP1dB) of better than -27.6 dBm. The FE gain is stepwise flexible from 39 dB and to a maximum of 58 dB. The complete FE occupies a die area of only 2.6 mm2 in a 0.18 µm CMOS. To also accommodate the wide-band PRS signals in the IF section of the FE, a highly selective wide-tuning-range 4th-order Gm-C elliptic low-pass filter is used. It features an innovative continuous tuning circuit that adjusts the bias current of the Gm cell¿s input stage to control the cutoff frequency. With this circuit, the power consumption is proportional to the cutoff frequency thus the power efficiency is achieved while keeping the linearity near constant. Thanks to a Gm switching technique, which permit to keep the signal path switchless, the filter shows an extended tuning of the cutoff frequency that covers continuously a range from 7.4 MHz to 27.4 MHz. Moreover the abrupt roll-off of up to 66 dB/octave, can mitigate out-of-band interference. The filter consumes 2.1 mA and 7.5 mA at its lowest and highest cutoff frequencies respectively, and its active area occupies, 0.23 mm2. It achieves a high input-referred third-order intercept point (IIP3) of up to -1.3 dBVRMS

Survey of Positioning Techniques for improved Accuracy

Projecte de final de carerra fet en col.laboració amb AGH University of science and TechnologyCatalà: No hi ha dubte que els sistemes de posicionament han estat un dels grans avenços en tecnologia de l'últim quart del segle XX. El fet de poder conèixer la posició d'un objecte mitjançant càlculs realitzats per senyals enviades per satétiles i amb cobertura global, ha suposat una revolució en diferents àrees. El que va començar com una cursa d'avenços militars entre els EE. UU. i la U.R.S.S. en plena Guerra Freda, ara sembla pertànyer més als usuaris civils que als militars. Tant és així que en els últims anys, aquests sistemes s'estan obrint més i més als usuaris civils, i fins i tot estan proliferant altres sense fins militars. Aquesta Tesi està dividida en tres parts. A la primera part s'introdueix el concepte de posicionament i s?estudien els sistemes de posicionament que actualment existeixen i els que estan en procés de desenvolupament. Degut a la seva importància, s'expliquen amb més detall els sistemes GPS, GLONASS i Galileo. Tot i així l'objectiu d'aquesta tesi és el sistema GPS. A la segona part, s'examinen les fonts d'error que afecten la precisió en el posicionament del sistema GPS, per veure quines d'elles poden ser corregides i com fer-ho. Amb això, es descriuen les tècniques existents en GPS per millorar la precisió, amb caràcter especial per als SBAS i AGPS. Aquest últim, més i més popular degut a l'aparició dels smartphones. Finalment, s'introdueixen els Tracking Systems, un dels grans beneficiats pels sistemes de posicionament. S'analitzen els diferents sistemes existents i es fa un petit estudi sobre una selecció dels productes que l'usuari pot trobar al mercat. Amb això, es pretén oferir al lector una idea global sobre els Tracking Systems i de les seves possibles aplicacions.Castellano: No cabe duda que los sistemas de posicionamiento han sido uno de los grandes avances en tecnología del último cuarto del siglo XX. El hecho de poder conocer la posición de un objeto mediante cálculos realizados por señales enviadas por satétiles y con cobertura global, ha supuesto una revolución en distintas áreas. Lo que comenzó como una carrera de avances militares entre los EE. UU. y la U.R.S.S. en plena Guerra Fría, ahora parece pertenecer más a los usuarios civiles que a los militares. Tanto es así que en los últimos años, esos sistemas se están abriendo más y más a los usuarios civiles, e incluso están proliferando otros sin fines militares. Esta Tesis está dividida en tres partes. En la primera parte se introduce el concepto de posicionamiento y se estudian los sistemas de posicionamiento que actualmente existen así como los que están en proceso de desarrollo. Debido a su importancia, se explican con mayor detalle los sistemas GPS, GLONASS y Galileo. Aún así el objetivo de esta tesis es el sistema GPS. En la segunda parte, se examinan las fuentes de error que afectan la precisión en el posicionamiento del sistema GPS, para ver cuáles de ellas pueden ser corregidas y cómo hacerlo. Con esto, se describen las técnicas existentes en GPS para mejorar la precisión, con carácter especial para los SBAS y AGPS. Éste último, en auge con la aparición de los smartphones. Por último, se introducen los Tracking Systems, uno de los grandes beneficiados por los sistemas de posicionamiento. Se analizan los diferentes sistemas existentes y se hace un pequeño estudio sobre una selección de los productos que el usuario puede encontrar en el mercado. Con esto, se pretende ofrecer al lector un idea global sobre los Tracking Systems y de sus posibles aplicaciones.English: There is no doubt that positioning systems has been one of the greatest improvements in technology in the last quarter of the 20th century. Knowing the position of any object everywhere in the world by calculations of the signals received by the satellites has revolutionized different areas. What began as a military advances race between the U.S.A. and the U.R.S.S. during the Cold War, nowadays it seems to belong to the civil users instead to their developers. It is so much so, that in recent years these systems have been modified to be opened to the civil users, even proliferating new non-military systems. This Thesis is divided in three parts. The first part includes an introduction about positioning and there is an examination of the different current positioning systems, as well as the systems that are being developed. Due to their significance, GPS, GLONASS and Galileo are described widely than the rest. Even though, the main objective of this Thesis is the GPS. In the second part, there is an examination of the error sources that affect the accuracy in GPS positioning, to explain which of them can be corrected and how. Moreover, one can find a description of the techniques to improve accuracy used in GPS, called Augmentation Systems, with special mention to SBAS and AGPS. This last one, very popular nowadays thanks to the Smartphoneà ¢â⠉⠢s. By last, there is an introduction about Tracking Systems, one of the most benefited by the positioning systems, in which is analyzed the different existing systems. Furthermore, a short description about a selection of significant products in the market is done. With this, the reader can get a global idea about the Tracking Systems and their possible applications

GNSS array-based acquisition: theory and implementation

This Dissertation addresses the signal acquisition problem using antenna arrays in the general framework of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. The term GNSS classi es those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the American GPS is already available, which coexists with the renewed Russian Glonass, the forthcoming European contribution (Galileo) along with the Chinese Compass will be operative soon. Therefore, a variety of satellite constellations and signals will be available in the next years. GNSSs provide the necessary infrastructures for a myriad of applications and services that demand a robust and accurate positioning service. The positioning availability must be guaranteed all the time, specially in safety-critical and mission-critical services. Examining the threats against the service availability, it is important to take into account that all the present and the forthcoming GNSSs make use of Code Division Multiple Access (CDMA) techniques. The ranging signals are received with very low precorrelation signal-to-noise ratio (in the order of ���22 dB for a receiver operating at the Earth surface). Despite that the GNSS CDMA processing gain o ers limited protection against Radio Frequency interferences (RFI), an interference with a interference-to-signal power ratio that exceeds the processing gain can easily degrade receivers' performance or even deny completely the GNSS service, specially conventional receivers equipped with minimal or basic level of protection towards RFIs. As a consequence, RFIs (either intentional or unintentional) remain as the most important cause of performance degradation. A growing concern of this problem has appeared in recent times. Focusing our attention on the GNSS receiver, it is known that signal acquisition has the lowest sensitivity of the whole receiver operation, and, consequently, it becomes the performance bottleneck in the presence of interfering signals. A single-antenna receiver can make use of time and frequency diversity to mitigate interferences, even though the performance of these techniques is compromised in low SNR scenarios or in the presence of wideband interferences. On the other hand, antenna arrays receivers can bene t from spatial-domain processing, and thus mitigate the e ects of interfering signals. Spatial diversity has been traditionally applied to the signal tracking operation of GNSS receivers. However, initial tracking conditions depend on signal acquisition, and there are a number of scenarios in which the acquisition process can fail as stated before. Surprisingly, to the best of our knowledge, the application of antenna arrays to GNSS signal acquisition has not received much attention. This Thesis pursues a twofold objective: on the one hand, it proposes novel arraybased acquisition algorithms using a well-established statistical detection theory framework, and on the other hand demonstrates both their real-time implementation feasibility and their performance in realistic scenarios. The Dissertation starts with a brief introduction to GNSS receivers fundamentals, providing some details about the navigation signals structure and the receiver's architecture of both GPS and Galileo systems. It follows with an analysis of GNSS signal acquisition as a detection problem, using the Neyman-Pearson (NP) detection theory framework and the single-antenna acquisition signal model. The NP approach is used here to derive both the optimum detector (known as clairvoyant detector ) and the sov called Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) detector, which is the basis of almost all of the current state-of-the-art acquisition algorithms. Going further, a novel detector test statistic intended to jointly acquire a set of GNSS satellites is obtained, thus reducing both the acquisition time and the required computational resources. The eff ects of the front-end bandwidth in the acquisition are also taken into account. Then, the GLRT is extended to the array signal model to obtain an original detector which is able to mitigate temporally uncorrelated interferences even if the array is unstructured and moderately uncalibrated, thus becoming one of the main contributions of this Dissertation. The key statistical feature is the assumption of an arbitrary and unknown covariance noise matrix, which attempts to capture the statistical behavior of the interferences and other non-desirable signals, while exploiting the spatial dimension provided by antenna arrays. Closed form expressions for the detection and false alarm probabilities are provided. Performance and interference rejection capability are modeled and compared both to their theoretical bound. The proposed array-based acquisition algorithm is also compared to conventional acquisition techniques performed after blind null-steering beamformer approaches, such as the power minimization algorithm. Furthermore, the detector is analyzed under realistic conditions, accounting for the presence of errors in the covariance matrix estimation, residual Doppler and delay errors, and signal quantization e ects. Theoretical results are supported by Monte Carlo simulations. As another main contribution of this Dissertation, the second part of the work deals with the design and the implementation of a novel Field Programmable Gate Array (FPGA)-based GNSS real-time antenna-array receiver platform. The platform is intended to be used as a research tool tightly coupled with software de ned GNSS receivers. A complete signal reception chain including the antenna array and the multichannel phase-coherent RF front-end for the GPS L1/ Galileo E1 was designed, implemented and tested. The details of the digital processing section of the platform, such as the array signal statistics extraction modules, are also provided. The design trade-o s and the implementation complexities were carefully analyzed and taken into account. As a proof-of-concept, the problem of GNSS vulnerability to interferences was addressed using the presented platform. The array-based acquisition algorithms introduced in this Dissertation were implemented and tested under realistic conditions. The performance of the algorithms were compared to single antenna acquisition techniques, measured under strong in-band interference scenarios, including narrow/wide band interferers and communication signals. The platform was designed to demonstrate the implementation feasibility of novel array-based acquisition algorithms, leaving the rest of the receiver operations (mainly, tracking, navigation message decoding, code and phase observables, and basic Position, Velocity and Time (PVT) solution) to a Software De ned Radio (SDR) receiver running in a personal computer, processing in real-time the spatially- ltered signal sample stream coming from the platform using a Gigabit Ethernet bus data link. In the last part of this Dissertation, we close the loop by designing and implementing such software receiver. The proposed software receiver targets multi-constellation/multi-frequency architectures, pursuing the goals of e ciency, modularity, interoperability, and exibility demanded by user domains that require non-standard features, such as intermediate signals or data extraction and algorithms interchangeability. In this context, we introduce an open-source, real-time GNSS software de ned receiver (so-named GNSS-SDR) that contributes with several novel features such as the use of software design patterns and shared memory techniques to manage e ciently the data ow between receiver blocks, the use of hardware-accelerated instructions for time-consuming vector operations like carrier wipe-o and code correlation, and the availability to compile and run on multiple software platforms and hardware architectures. At this time of writing (April 2012), the receiver enjoys of a 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error lower than 2 meters for a GPS L1 C/A scenario with 8 satellites in lock and a Horizontal Dilution Of Precision (HDOP) of 1.2.Esta tesis aborda el problema de la adquisición de la señal usando arrays de antenas en el marco general de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término GNSS engloba aquellos sistemas de navegación basados en una constelación de satélites que emiten señales útiles para el posicionamiento. Aunque el GPS americano ya está disponible, coexistiendo con el renovado sistema ruso GLONASS, actualmente se está realizando un gran esfuerzo para que la contribución europea (Galileo), junto con el nuevo sistema chino Compass, estén operativos en breve. Por lo tanto, una gran variedad de constelaciones de satélites y señales estarán disponibles en los próximos años. Estos sistemas proporcionan las infraestructuras necesarias para una multitud de aplicaciones y servicios que demandan un servicio de posicionamiento confiable y preciso. La disponibilidad de posicionamiento se debe garantizar en todo momento, especialmente en los servicios críticos para la seguridad de las personas y los bienes. Cuando examinamos las amenazas de la disponibilidad del servicio que ofrecen los GNSSs, es importante tener en cuenta que todos los sistemas presentes y los sistemas futuros ya planificados hacen uso de técnicas de multiplexación por división de código (CDMA). Las señales transmitidas por los satélites son recibidas con una relación señal-ruido (SNR) muy baja, medida antes de la correlación (del orden de -22 dB para un receptor ubicado en la superficie de la tierra). A pesar de que la ganancia de procesado CDMA ofrece una protección inherente contra las interferencias de radiofrecuencia (RFI), esta protección es limitada. Una interferencia con una relación de potencia de interferencia a potencia de la señal que excede la ganancia de procesado puede degradar el rendimiento de los receptores o incluso negar por completo el servicio GNSS. Este riesgo es especialmente importante en receptores convencionales equipados con un nivel mínimo o básico de protección frente las RFIs. Como consecuencia, las RFIs (ya sean intencionadas o no intencionadas), se identifican como la causa más importante de la degradación del rendimiento en GNSS. El problema esta causando una preocupación creciente en los últimos tiempos, ya que cada vez hay más servicios que dependen de los GNSSs Si centramos la atención en el receptor GNSS, es conocido que la adquisición de la señal tiene la menor sensibilidad de todas las operaciones del receptor, y, en consecuencia, se convierte en el factor limitador en la presencia de señales interferentes. Un receptor de una sola antena puede hacer uso de la diversidad en tiempo y frecuencia para mitigar las interferencias, aunque el rendimiento de estas técnicas se ve comprometido en escenarios con baja SNR o en presencia de interferencias de banda ancha. Por otro lado, los receptores basados en múltiples antenas se pueden beneficiar del procesado espacial, y por lo tanto mitigar los efectos de las señales interferentes. La diversidad espacial se ha aplicado tradicionalmente a la operación de tracking de la señal en receptores GNSS. Sin embargo, las condiciones iniciales del tracking dependen del resultado de la adquisición de la señal, y como hemos visto antes, hay un número de situaciones en las que el proceso de adquisición puede fallar. En base a nuestro grado de conocimiento, la aplicación de los arrays de antenas a la adquisición de la señal GNSS no ha recibido mucha atención, sorprendentemente. El objetivo de esta tesis doctoral es doble: por un lado, proponer nuevos algoritmos para la adquisición basados en arrays de antenas, usando como marco la teoría de la detección de señal estadística, y por otro lado, demostrar la viabilidad de su implementación y ejecución en tiempo real, así como su medir su rendimiento en escenarios realistas. La tesis comienza con una breve introducción a los fundamentos de los receptores GNSS, proporcionando algunos detalles sobre la estructura de las señales de navegación y la arquitectura del receptor aplicada a los sistemas GPS y Galileo. Continua con el análisis de la adquisición GNSS como un problema de detección, aplicando la teoría del detector Neyman-Pearson (NP) y el modelo de señal de una única antena. El marco teórico del detector NP se utiliza aquí para derivar tanto el detector óptimo (conocido como detector clarividente) como la denominada Prueba Generalizada de la Razón de Verosimilitud (en inglés, Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)), que forma la base de prácticamente todos los algoritmos de adquisición del estado del arte actual. Yendo más lejos, proponemos un nuevo detector diseñado para adquirir simultáneamente un conjunto de satélites, por lo tanto, obtiene una reducción del tiempo de adquisición y de los recursos computacionales necesarios en el proceso, respecto a las técnicas convencionales. El efecto del ancho de banda del receptor también se ha tenido en cuenta en los análisis. A continuación, el detector GLRT se extiende al modelo de señal de array de antenas para obtener un detector nuevo que es capaz de mitigar interferencias no correladas temporalmente, incluso utilizando arrays no estructurados y moderadamente descalibrados, convirtiéndose así en una de las principales aportaciones de esta tesis. La clave del detector es asumir una matriz de covarianza de ruido arbitraria y desconocida en el modelo de señal, que trata de captar el comportamiento estadístico de las interferencias y otras señales no deseadas, mientras que utiliza la dimensión espacial proporcionada por los arrays de antenas. Se han derivado las expresiones que modelan las probabilidades teóricas de detección y falsa alarma. El rendimiento del detector y su capacidad de rechazo a interferencias se han modelado y comparado con su límite teórico. El algoritmo propuesto también ha sido comparado con técnicas de adquisición convencionales, ejecutadas utilizando la salida de conformadores de haz que utilizan algoritmos de filtrado de interferencias, como el algoritmo de minimización de la potencia. Además, el detector se ha analizado bajo condiciones realistas, representadas con la presencia de errores en la estimación de covarianzas, errores residuales en la estimación del Doppler y el retardo de señal, y los efectos de la cuantificación. Los resultados teóricos se apoyan en simulaciones de Monte Carlo. Como otra contribución principal de esta tesis, la segunda parte del trabajo trata sobre el diseño y la implementación de una nueva plataforma para receptores GNSS en tiempo real basados en array de antenas que utiliza la tecnología de matriz programable de puertas lógicas (en ingles Field Programmable Gate Array (FPGA)). La plataforma está destinada a ser utilizada como una herramienta de investigación estrechamente acoplada con receptores GNSS definidos por software. Se ha diseñado, implementado y verificado la cadena completa de recepción, incluyendo el array de antenas y el front-end multi-canal para las señales GPS L1 y Galileo E1. El documento explica en detalle el procesado de señal que se realiza, como por ejemplo, la implementación del módulo de extracción de estadísticas de la señal. Los compromisos de diseño y las complejidades derivadas han sido cuidadosamente analizadas y tenidas en cuenta. La plataforma ha sido utilizada como prueba de concepto para solucionar el problema presentado de la vulnerabilidad del GNSS a las interferencias. Los algoritmos de adquisición introducidos en esta tesis se han implementado y probado en condiciones realistas. El rendimiento de los algoritmos se comparó con las técnicas de adquisición basadas en una sola antena. Se han realizado pruebas en escenarios que contienen interferencias dentro de la banda GNSS, incluyendo interferencias de banda estrecha y banda ancha y señales de comunicación. La plataforma fue diseñada para demostrar la viabilidad de la implementación de nuevos algoritmos de adquisición basados en array de antenas, dejando el resto de las operaciones del receptor (principalmente, los módulos de tracking, decodificación del mensaje de navegación, los observables de código y fase, y la solución básica de Posición, Velocidad y Tiempo (PVT)) a un receptor basado en el concepto de Radio Definida por Software (SDR), el cual se ejecuta en un ordenador personal. El receptor procesa en tiempo real las muestras de la señal filltradas espacialmente, transmitidas usando el bus de datos Gigabit Ethernet. En la última parte de esta Tesis, cerramos ciclo diseñando e implementando completamente este receptor basado en software. El receptor propuesto está dirigido a las arquitecturas de multi-constalación GNSS y multi-frecuencia, persiguiendo los objetivos de eficiencia, modularidad, interoperabilidad y flexibilidad demandada por los usuarios que requieren características no estándar, tales como la extracción de señales intermedias o de datos y intercambio de algoritmos. En este contexto, se presenta un receptor de código abierto que puede trabajar en tiempo real, llamado GNSS-SDR, que contribuye con varias características nuevas. Entre ellas destacan el uso de patrones de diseño de software y técnicas de memoria compartida para administrar de manera eficiente el uso de datos entre los bloques del receptor, el uso de la aceleración por hardware para las operaciones vectoriales más costosas, como la eliminación de la frecuencia Doppler y la correlación de código, y la disponibilidad para compilar y ejecutar el receptor en múltiples plataformas de software y arquitecturas de hardware. A fecha de la escritura de esta Tesis (abril de 2012), el receptor obtiene un rendimiento basado en la medida de la raíz cuadrada del error cuadrático medio en la distancia bidimensional (en inglés, 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error) menor de 2 metros para un escenario GPS L1 C/A con 8 satélites visibles y una dilución de la precisión horizontal (en inglés, Horizontal Dilution Of Precision (HDOP)) de 1.2

Navigation Recommender:Real-Time iGNSS QoS Prediction for Navigation Services

Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), especially Global Positioning System (GPS), have become commonplace in mobile devices and are the most preferred geo-positioning sensors for many location-based applications. Besides GPS, other GNSSs under development or deployment are GLONASS, Galileo, and Compass. These four GNSSs are planned to be integrated in the near future. It is anticipated that integrated GNSSs (iGNSSs) will improve the overall satellite-based geo-positioning performance. However, one major shortcoming of any GNSS and iGNSSs is Quality of Service (QoS) degradation due to signal blockage and attenuation by the surrounding environments, particularly in obstructed areas. GNSS QoS uncertainty is the root cause of positioning ambiguity, poor localization performance, application freeze, and incorrect guidance in navigation applications. In this research, a methodology, called iGNSS QoS prediction, that can provide GNSS QoS on desired and prospective routes is developed. Six iGNSS QoS parameters suitable for navigation are defined: visibility, availability, accuracy, continuity, reliability, and flexibility. The iGNSS QoS prediction methodology, which includes a set of algorithms, encompasses four modules: segment sampling, point-based iGNSS QoS prediction, tracking-based iGNSS QoS prediction, and iGNSS QoS segmentation. Given that iGNSS QoS prediction is data- and compute-intensive and navigation applications require real-time solutions, an efficient satellite selection algorithm is developed and distributed computing platforms, mainly grids and clouds, for achieving real-time performance are explored. The proposed methodology is unique in several respects: it specifically addresses the iGNSS positioning requirements of navigation systems/services; it provides a new means for route choices and routing in navigation systems/services; it is suitable for different modes of travel such as driving and walking; it takes high-resolution 3D data into account for GNSS positioning; and it is based on efficient algorithms and can utilize high-performance and scalable computing platforms such as grids and clouds to provide real-time solutions. A number of experiments were conducted to evaluate the developed methodology and the algorithms using real field test data (GPS coordinates). The experimental results show that the methodology can predict iGNSS QoS in various areas, especially in problematic areas