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

Software Defined Radio for processing GNSS signals

GPS satellites are fitted with atomic clocks, in which it relapses the main objective of this project, to recover some of their accuracy and stability on a ground based receiver. This project describes the fundamentals of GPS signals, the assembly of the installation implemented to process them in software and the corresponding experiments. In order to achieve the software processing, a USB DVB-T dongle is connected to an active antenna and to the computer. As mentioned, one of the purposes is also to understand how a GPS can be implemented by software as a the substitution of a big part of the hardware that makes it impenetrable, as they are black boxes of integrated circuits, and expensive. It is known that a Global Navigation Satellite System (GNSS) software-defined open source receiver has already been created by people in Barcelona in “Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC)”, a testbed for GNSS signal processing since it can be customized in every way. It has been used at some intermediate steps of the study while executing parallel experiments in the course of understanding how a GPS signal is digitally processed. In the meantime, some experiments have also been performed only employing hardware before implementing them in software, so that the concepts are visually reflected. When realizing software experiments, an interface called GNURadio has been used because of its enormous implementation of signal processing blocks. GNURadio can be used with external RF hardware to create software-defined radios, or without hardware in a simulation-like environment. Nevertheless, various simulations in the GNU (Octave software environment) have also been executed as processing in real time has not been considered a goal. However, to successfully accomplish the demodulation of the navigation data, which will contribute to restore the accuracy and stability of the satellites clocks that have sent it, the carrier frequency needs to be perfectly recovered, being this last point where the final aim of the project falls on.Outgoin

Continued study of NAVSTAR/GPS for general aviation

A conceptual approach for examining the full potential of Global Positioning Systems (GPS) for the general aviation community is presented. Aspects of an experimental program to demonstrate these concepts are discussed. The report concludes with the observation that the true potential of GPS can only be exploited by utilization in concert with a data link. The capability afforded by the combination of position location and reporting stimulates the concept of GPS providing the auxiliary functions of collision avoidance, and approach and landing guidance. A series of general recommendations for future NASA and civil community efforts in order to continue to support GPS for general aviation are included

Post-Westgate SWAT : C4ISTAR Architectural Framework for Autonomous Network Integrated Multifaceted Warfighting Solutions Version 1.0 : A Peer-Reviewed Monograph

Police SWAT teams and Military Special Forces face mounting pressure and challenges from adversaries that can only be resolved by way of ever more sophisticated inputs into tactical operations. Lethal Autonomy provides constrained military/security forces with a viable option, but only if implementation has got proper empirically supported foundations. Autonomous weapon systems can be designed and developed to conduct ground, air and naval operations. This monograph offers some insights into the challenges of developing legal, reliable and ethical forms of autonomous weapons, that address the gap between Police or Law Enforcement and Military operations that is growing exponentially small. National adversaries are today in many instances hybrid threats, that manifest criminal and military traits, these often require deployment of hybrid-capability autonomous weapons imbued with the capability to taken on both Military and/or Security objectives. The Westgate Terrorist Attack of 21st September 2013 in the Westlands suburb of Nairobi, Kenya is a very clear manifestation of the hybrid combat scenario that required military response and police investigations against a fighting cell of the Somalia based globally networked Al Shabaab terrorist group.Comment: 52 pages, 6 Figures, over 40 references, reviewed by a reade

Magnetic sensors and gradiometers for detection of objects

Disertační práce popisuje vývoj nových detekčních zařízení s anizotropními magnetorezistoryThis thesis describes development of innovative sensor systems based on anisotropi

Design and development of a technological demonstrator for the study of high dynamics GNSS receivers

[ES] En el marco de esta tesis se van a estudiar, principalmente, los efectos del movimiento de alta dinámica en receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término alta dinámica es un término utilizado para referirse al movimiento de los vehículos en los que van embarcados receptores GNSS, los cuales se mueven lo suficientemente rápido como para causar un gran desplazamiento en frecuencia de la portadora debido al efecto Doppler. Se identificarán los problemas inherentes a este tipo de entornos y se estudiarán y propondrán soluciones. Para poder efectuar el estudio de estos fenómenos, se diseñará un demostrador tecnológico (conjunto de hardware y software para prueba y prototipado de tecnologías) en el que desarrollar el estudio de los casos de interés. Con el fin de trabajar en un entorno repetible, se utilizará un generador de señal GNSS. La señal generada se traslada a un receptor de radiofrecuencia definido por software, Software Defined Radio (SDR). Este tipo de receptor únicamente se encarga de digitalizar la señal de entrada y de llevar las muestras digitales a un ordenador, de modo que todo el procesado de señal se implementa en dicho ordenador. Este esquema de trabajo es ideal habida cuenta de su simplicidad y flexibilidad. Dicha flexibilidad conlleva la posibilidad de sintonizar el demostrador para poder estudiar una amplia gama de arquitecturas de receptor GNSS. Una vez se haya ensamblado el demostrador, se comprobará su correcto funcionamiento en escenarios conocidos usando los algoritmos más utilizados a día de hoy en receptores GNSS. Asegurado el correcto funcionamiento, se comparará el rendimiento de algoritmos de referencia con los algoritmos a estudiar y se extraerán conclusiones.[CA] En aquest treball s'estudiaran, principalment, els efectes del moviment d'alta dinámica en receptors de Navegació per Satèl.lit GNSS (Global Navigation Satellite System). La denominació alta dinámica, s'utilitza per a descriure el moviment dels vehicles dins dels quals hi han receptors GNSS. El moviment d'aquests vehicles és suficientment ràpid com per a causar un gran desplaçament en freqüència de la freqüència portadora. Aquest desplaçament és consqüència de l'efecte Doppler. S'identificaran els problemes inherents d'aquest tipus de entorns GNSS i es propsararàn solucions. Per a estudiar l'efecte de l'alta dinàmica, es dissenyarà un demostrador tecnològic (conjunt de maquinari i software per a proves i prototipat de tecnologies) en que es pot desenvolupar l'estudi dels casos d'interès. Amb l'objectiu d'aconseguir treballar en un entorn repetible s'utilitzarà un generador de senyal GNSS. El senyal es processarà mitjançant un receptor SDR (Software Defined Radio). Aquest tipus de receptor s'encarrega del processat que fa un receptor GNSS en un PC. Aquesta filosofia de treball és idónia per la seua flexibilitat i simplicitat. Quan s'haja ensamblat el demostrador, és comprovarà el seu correct funcionament en escenaris de prova utilitzant els algoritmes implementats en receptors GNSS comercials. En aquest moment, el demostrador estarà preparat per a estudiar el casos d'alta dinàmica, que és l'objectiu fonamental d'aquest treball.[EN] The study of the effects of the high dynamics on Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers constitute the main matter of study in this work. The term high dynamics refers to the movement of vehicles that carry GNSS embedded receivers, which move fast enough to generate a large carrier frequency drift caused by the Doppler effect. The problems linked to these environments will be characterized and solutions to counteract possible signal impairments will be discussed. In order to correctly characterize these problems, a technological demonstrator (set of hardware components interacting with software tools enabling fast prototyping) will be designed and constructed. Using this technological demonstrator, different case studies will be developed. With the aim of achieving experimental repeatability, a GNSS signal generator will be used. The generated GNSS signal is fed to a Software Defined Radio (SDR) GNSS receiver. This receiver type is in charge of digitizing the analog RF signal and carrying the resulting samples to a computer in which signal processing tasks implementing the functions of GNSS receivers, take place. The main advantage linked to the usage of this work scheme is that by changing the software part, different receiver architectures can be implemented in a simple manner. Furthermore, by taking advantage of the flexible architecture it is possible to tune the detector in such a manner that it is possible to implement many different architecture types. Once the technological demonstrator is assembled, tests to assure its correct operation will be conducted by performing comparisons with the behaviour of well-known GNSS receivers in known scenarios. Later on, comparative tests using signals from high dynamics scenarios will take place. Insight and analysis of comparative performance will be given.Alcaide Guillén, C. (2019). Design and development of a technological demonstrator for the study of high dynamics GNSS receivers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/131697TESI

Modification of a FPGA-based GPS receiver for reflectometry applications (GNSS-R)

English: Lack of frequent and global global observations from space is currently a limiting factor Earth observation missions. In recent years, as a low-cost alternative, Global Navigation Satellite System's signals Reflectometry (GNSS-R) has stood a potential powerful remote sensing technique. The existing research has shown that GNSS-R has the potential to give environmental scientist a low-cost, wide-coverage measurement network that will allow to derive geophysical parameters such as ocean altimetry, sea state or soil moisture. This data has the potential to greatly increase our knowledge of the Earth's environmental processes. During the last ten years, the Remote Sensing Laboratory of the Department of Signal Theory and Communications at the Univeristat Politècnica de Catalunya, has worked on the design and implementation of the appropriate receivers in order to track and process this GNSS-R signals in real-time to avoid the storage of huge volumes of raw data. One of its most remarkable efforts is the Passive Advanced Unit for ocean monitoring (PAU) project. In this work, the possibility of adapting an existing Global Position System (GPS) receiver for GNSS-R applications is explored. This GPS receiver is the Namuru-GPL a open source software receiver implemented for the Namuru development platform developed by the University of New South Wales Satellite Navigation and Positioning Laboratory (SNAP). A modified version of the Namuru-GPL has been implemented. This modified version of the receiver has been able to simultaneous track a C/A L1-band signal and a delayed version of it that simulated a reflected signal with the associated longer propagation path. In addition, the receiver has measured pseudorange differences with a tested resolution up 3 m with a single measurment in a controlled experimental scenario, thus validating the Namuru-GPL capabilities for GNSS-R altimetry applications. In addition, a new Acquisition Module has been developed. This module dramatically reduces the Namuru-GPL receiver average acquisition time from a few minutes to 2.5 s approximately, thanks to implementing the parallel code acquisition method. Moreover, the Acquisition Module requires low hardware resources and generates Delay Doppler Maps (DDMs). All the development process stages, including validation through testing of these proposed designs are summarized within this work.Castellano: La falta de observaciones frecuentes y a escala global desde el espacio es actualmente un factor limitador de las misiones de observación de la Tierra. En los últimos años, y como alternativa al uso de constelaciones de satélites de propósito especifico y alto coste, la reflectometría con señales de oportunidad de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS-R) ha demostrado ser una técnica de teledetección con gran potencial. Las investigaciones realizadas hasta ahora demuestran que las técnicas GNSS-R poseen el potencial para obtener datos ambientales de alto interés científico a bajo coste y con una amplia cobertura de las mediciones realizadas. Dichas mediciones permitirían obtener o mejorar la medida de parámetros geofísicos importantes, como el estado del mar, altimetría, o la humedad del suelo. Una mejor medida de dichos parámetros tienen el potencial de aumentar considerablemente nuestro conocimiento de los procesos ambientales de la Tierra. Durante los últimos diez años, el Remote Sesing Lab que pertenece al departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones (TSC) de la UPC, ha trabajado en el diseño y la implementación de receptores adecuados para adquirir y procesar señales GNSS-R en tiempo real para evitar el almacenamiento de enormes volúmenes de datos. Uno de los esfuerzos más notables es el proyecto "Passive Advanced Unit for Ocean monitoring" o proyecto PAU. En este trabajo, se explora la posibilidad de adaptar un receptor GPS para a aplicaciones GNSS-R. Este receptor es el Namuru-GPL, un receptor software open source implementado sobre la plataforma de desarrollo Namuru, desarrollada por el University of New South Wales Satellite Navigation and Positioning Laboratory (SNAP). La versión modificada del receptor Namuru-GPL que se ha implementado, ha sido capaz de seguir una señal GPS C/A en la banda L1 y simultáneamente una versión retardada de la misma que simulaba ser una señal reflejada con un camino de propagación más largo. Además, el receptor ha sido capaz de medir diferencias de pseudorangos con una resolución máxima de hasta 3 m con una única medida, en un escenario experimental controlado, validando así las capacidades del Namuru-GPL para aplicaciones de altimetría mediante GNSS-R. Además, se ha desarrollado un nuevo Módulo de Adquisición. Este módulo es capaz de reducir drásticamente el tiempo medio de adquisición del Namuru-GPL de unos pocos minutos a 2,5 s aproximadamente, gracias al método de adquisición en paralelo. Además, el Módulo de Adquisición necesita relativamente pocos recursos hardware y es capaz de generar "Delay Doppler Maps" (DDMs). Todas las etapas del proceso de desarrollo de los diseños propuestos, incluida la validación experimental se encuentran resumidos en este trabajo.Català: La manca d'observacions freqüents i a escala global des de l'espai és actualment un factor limitador de les missions d'observació de la Terra. En els últims anys, i com a alternativa a l'ús de constel·lacions de satèl·lits de propòsit específic i alt cost, la reflectometría amb senyals d'oportunitat dels sistemes globals de navegació per satèl·lit (GNSS-R) ha demostrat ser una tècnica de teledetecció amb un alt potencial. Les investigacions realitzades fins ara demostren que les tècniques GNSS-R disposen del potencial per obtenir dades ambientals d'alt interès científic a baix cost i amb una àmplia cobertura de les mesures realitzades. Aquestes mesures permetrien obtenir o millorar la mesura de paràmetres geofísics importants, tals com l'estat de la mar, altimetria, o la humitat del sòl. Una millor mesura d'aquests paràmetres té el potencial d'augmentar considerablement el nostre coneixement dels processos ambientals de la Terra. Durant els últims deu anys, el Remote Sesing Lab pertanyent al departament de Teoria del Senyal i Comunicacions (TSC) de la UPC, ha treballat en el disseny i la implementació de receptors adequats per rastrejar i processar senyals GNSS-R en temps real i evitar així haver d'emmagatzemar enormes volums de dades. Un dels seus esforços més rellevants és el projecte "Passive Advanced Unit for Ocean monitoring" o projecte PAU. En aquest treball, s'explora la possibilitat d'adaptar un receptor GPS per aplicacions GNSS-R. Aquest receptor és el Namuru-GPL, un receptor open source implementat sobre la plataforma de desenvolupament Namuru, desenvolupada pel University of New South Wales Satellite Navigation and Positioning Laboratory (SNAP). La versió modificada del receptor Namuru-GPL implementada, ha estat capaç de seguir un senyal GPS C/A a la banda L1 i simultàniament una versió retardada del mateix que simulava ser un senyal reflectit amb un camí de propagació més llarg. A més, el receptor ha estat capaç de mesurar diferències de pseudorangs amb una resolució màxima de fins a 3 m en una única mesura a un escenari experimental controlat, validant així les capacitats del Namuru-GPL per a possibles aplicacions d'altimetria mitjançant GNSS-R. També s'ha desenvolupat un nou Mòdul d'Adquisició. Aquest mòdul és capaç de reduir dràsticament el temps mitjà d'adquisició del Namuru-GPL d'uns pocs minuts a 2,5 s aproximadament, gràcies al mètode d'adquisició en paral·lel. A més, el Mòdul d'Adquisició consumeix relativament pocs recursos hardware i és capaç de generar "Delay Doppler Maps" (DDMs). Totes les etapes del procés de desenvolupament dels dissenys proposats, inclosa la seva validació experimental es troben resumits en aquest treball

Optimisation of a moving platform vehicle simulator for vehicle handling experiments

This thesis discusses the optimisation of motion platform simulators and was motivated by Loughborough University's acquisition of a low cost six strut moving platform vehicle simulator. Historically, we see that automotive vehicle simulators are more generally used for human factors experiments that examine driver behaviour during low severity manoeuvres or short events e.g. obstacle avoidance. The purpose of this thesis is to examine the potential for the simulator to be used for vehicle handling experiments where the vehicle is free to explore the limits of the vehicle for sustained periods of time. This research has a significant emphasis on vehicle handling models. In particular, we examine data acquisition systems and testing methods before investigating potential optimisation and identification techniques for estimating vehicle model parameters that have the potential to be implemented on the simulator. Here we examine the possibility of producing high quality vehicle models within a short space of time with a view to rapid identification of different types of vehicle directly from vehicle testing. This includes the data acquisition process and addresses the significance of the sensors and equipment used to measure the vehicle states and the importance of the recorded vehicle manoeuvres and test track characteristics. The second phase was carried out once the simulator was installed and functional. Clearly, the simulator is a piece of experimental equipment and as with any engineering experiment, the equipment should be well understood. Consequently, the accuracy to which it adheres to the real world, i.e. its fidelity, is assessed by investigating the simulators capabilities and limitations and is achieved by analysing the raw performance of the motion platform and conducting driver-in-the-Ioop experiments; this work proves valuable as it is used to optimise how the motion platform responds to vehicle dynamics and provides the motivation behind conducting a driver-in-the-Ioop handling experiment for the final section of this thesis. Here, the simulators potential to be used as a tool to assess race car driver skill is investigated. After conducting various tests in the simulated and real world, the correlation between the subjects simulated and real world performances are used to critically assess the simulators performance and draw conclusions concerning its future potential for handling based research. This thesis shows it possible to use an Inertial GPS Navigation System for capturing vehicle data to good effect and describes how a comprehensive set of new vehicle dynamics measurements can be collected and used for model tuning and optimisation within a relatively short space of time (approximately one day). The work presents substantial evidence that shows how dominant the influence of steer ratio and toe compliance is on the accuracy of the handling models and that they are a likely source of modelling errors. The importance of vehicle slip angle measurement is a particular point if of interest and is examined concurrently with the driving manoeuvres, where some guidelines for test methodology and data collection are established. A novel identification process is also presented with the Identifying Extended KaIman Filter. It has been shown possible to identify separate front and rear tyre models as well as a single tyre model. The thesis also describes the relative importance of motion for vehicle simulators that are to be used for handling based experiments. It appears more valuable to emulate only those vehicle motions that are within the platforms capabilities and limitations in a quest for quality over quantity. Finally, this work demonstrates the simulators potential to be used as tool to evaluate race car driver skill, which also fundamentally assesses the fidelity of the simulator. This is achieved by examining the correlation between a simulated and real world experiment, where we see a positive correlation which indicates high fidelity. Further analysis shows the importance that adequate driver training is being administered before beginning experimentation

The Telecommunications and Data Acquisition Report

This publication, one of a series formerly titled The Deep Space Network Progress Report, documents DSN progress in flight project support, tracking and data acquisition research and technology, network engineering, hardware and software implementation, and operations. In addition, developments in Earth-based radio technology as applied to geodynamics, astrophysics and the radio search for extraterrestrial intelligence are reported

Design and validation of a railway inspection system to detect lateral track geometry defects based on axle-box accelerations registered from in-service trains

Metropolitan railway transport has become an efficient solution to the mobility necessities in urban areas. Railway track maintenance tasks have to be improved and adjusted to metropolitan requirements, in particular the few hours available to operate due to the high frequency service offered. This paper describes and proposes an inertial monitoring system to detect and estimate track irregularities by using in-service vehicles. A new maintenance strategy is established, based on the railway track conditions and continuous monitoring is provided to do so. The system proposed consists of at least two accelerometers mounted on the bogie axle-box and a GPS (Global Positioning System). Lateral accelerations have been analyzed to study gauge and lateral alignment deviations. Accelerations have been treated and processed by high-pass filtering and validation has been carried out by comparison with measurements provided by a track monitoring trolley. Measurements were made on Line 1 of the Alicante metropolitan and tram network (Spain)