A COMPARATIVE ANALYSIS OF GLOBAL POSITIONING SYSTEM SCHEMES BASED ON BLOCK CODES

Global Positioning System (GPS) is a satellite based positioning system based on radio ranging technique. The GPS will provide very accurate three-dimensional position, velocity and timing information to users anywhere in the world. GPS can also be used in other applications such as vehicle monitoring for traffic management in urban areas, Geographical Information System (GIS), 4G Communications, marine navigation, search and rescue and military applications. As GPS accuracy is limited by ionospheric effects, this course also covers the basics of ionosphere and its effects on GPS. Navigation is the art of directing a vehicle such as aircraft or a person from one point to another point. Some of the prominent advantages of the GPS are: Land based system problems like ground reflections, electromagnetic interference, reflections from physical systems are avoided in GPS since it is space constellation, Intentional interference like jamming, unintentional interference will not affect GPS since spread spectrum techniques are used in it, System accuracy can be improved to the order of centimeters using differential techniques, Smaller size and reduced cost of the GPS receiver enable it to be used in 3G Communication. In this paper, a literature review of existing GPS schemes based on block codes that mainly targets towards finding out the tolerance to signals from other GPS satellites sharing the same frequency band (multiple access capability), analyzing the tolerance to some level of multipath interference, there are many potential sources of multipath reflection (example man-made or natural object) and finding out the tolerance to reasonable levels of unintentional or intentional interference, jamming or spoofing by signal designed to mimic a GPS signal

Modified parallel code-phase search for acquisition in presence of sign transition

One of the method to have a fast acquisition of GNSS signals is the parallel code-phase search, which uses the fast Fourier transform (FFT) to perform the correlation. A problem with this method is the potential sign transition that can happen between two code periods due to data or secondary code and lead to a loss of sensitivity or to the non-detection of the signal. A known straightforward solution consists in using two code periods instead of one for the correlation. However, in addition to increasing the complexity, this solution is not efficient since half of the points calculated are discarded. This led us to look for a more efficient algorithm. The algorithm proposed in this article transforms the initial correlation into two smaller correlations. When the radix-2 FFT is used, the proposed algorithm is more efficient for half of the possible sampling frequencies. It is shown for example that the theoretical number of operations can be reduced by about 21 %, and that the memory resources for an FPGA implementation can be almost halved

Caracterització estadística dels pics de correlació a GPS

Aquest projecte es centra a donar una caracterització estadística del valor que tenen els pics de correlació sota diferents escenaris d'adquisició a un receptor GPS. En primer lloc, s'ha volgut donar una visió general de tots els fonaments del sistema GPS per tal de poder entendre el seu funcionament. A continuació, s'ha passat a analitzar el bloc d'adquisició d'un receptor GPS. Primer, hem estudiat quines operacions es realitzen en aquest bloc i quines són les diferents formes d'implementar-lo. Seguidament, sota un escenari d'adquisició per cerca de fase de codi en paral·lel i utilitzant integracions coherents, s'han estudiat les distribucions estadístiques de les pdf's obtingudes pels pics de correlació de senyal+soroll i pels pics de correlació de només soroll, i s'ha vist com aquestes fan modificar la corba ROC del receptor . Les simulacions s'han realitzat amb MATLAB i en diferents escenaris d'adquisició per tal de poder comparar com varien les estadístiques obtingudes en casos diferents.Este proyecto se centra en dar una caracterización estadística del valor que tienen los picos de correlación bajo diferentes escenarios de adquisición en un receptor GPS. En primer lugar, se ha querido dar una visión general de todos los fundamentos del sistema GPS para poder entender su funcionamiento. A continuación, se ha pasado a analizar el bloque de adquisición de un receptor GPS. Primero, hemos estudiado qué operaciones se realizan en este bloque y cuáles son las diferentes formas de implementarlo. Seguidamente, bajo un escenario de adquisición por búsqueda de fase de código en paralelo y utilizando integraciones coherentes, se ha estudiado las distribuciones estadísticas de las pdf's obtenidas para los picos de correlación de señal+ruido y para los picos de solo ruido, y se ha visto como éstas modifican la curva ROC del receptor. Las simulaciones se han realizado con MATLAB y en diferentes escenarios de adquisición con tal de poder comparar cómo cambian las estadísticas obtenidas en casos diferentes.This project focuses on giving a statistical characterization of the value of the correlation peaks under different acquisition scenarios in a GPS receiver. First, we've wanted to give a general overview of all the basics of the GPS system to understand its operation. Then, we have analysed the acquisition block of a GPS receiver. First, we have studied which operations are performed on this block and which are the different ways to implement it. Then, under an acquisition stage that employs the parallel code search method, and using coherent integrations, we have studied the statistical distributions of the pdf's obtained for the correlation peak of signal+noise and for the peak of only noise, and we have seen how it modifies the ROC curve of receiver. The simulations that we have done were carried out with MATLAB and in different acquisition scenarios, so we can compare how they change the statistics obtained in different cases

FFT Splitting for Improved FPGA-Based Acquisition of GNSS Signals

With modern global navigation satellite system (GNSS) signals, the FFT-based parallel code search acquisition must handle the frequent sign transitions due to the data or the secondary code. There is a straightforward solution to this problem, which consists in doubling the length of the FFTs, leading to a significant increase of the complexity. The authors already proposed a method to reduce the complexity without impairing the probability of detection. In particular, this led to a 50% memory reduction for an FPGA implementation. In this paper, the authors propose another approach, namely, the splitting of a large FFT into three or five smaller FFTs, providing better performances and higher flexibility. For an FPGA implementation, compared to the previously proposed approach, at the expense of a slight increase of the logic and multiplier resources, the splitting into three and five allows, respectively, a reduction of 40% and 64% of the memory, and of 25% and 37.5% of the processing time. Moreover, with the splitting into three FFTs, the algorithm is applicable for sampling frequencies up to 24.576 MHz for L5 band signals, against 21.846 MHz with the previously proposed algorithm. The algorithm is applied here to the GPS L5 and Galileo E5a, E5b, and E1 signals

GNSS Signals Acquisition and Tracking in Unfavorable Environment

In this paper, we propose a method based on applying specific transformations to the Global Navigation Satellite System (GNSS) signals received in unfavorable environment. As a result, one simple classical receiver including these adjustments becomes sensitive to several Multi-Constellation and Multi-Frequency (MC/MF) GNSS signals and achieves efficiently their collective acquisition. The proposed method consists of three variants each dedicated to a particular type of Binary Offset Carrier (BOC) family signals; the primary is based on undersampling process, the second is founded on time expansion and the last one permits the acquisition of more than five different GNSS signals by a single local Composite Binary Coded Symbols (CBCS) waveform replica. Hence, the proposed scheme, by avoiding the use of multiple demodulators in the baseband, allows less receiver complexity and accordingly better realization cost. The simulation results showed that the proposed method presents an effective solution for the reception of MC/MF signals in unfavorable environments

Acquisition of modern GNSS signals using a modified parallel code-phase search architecture

The acquisition of global navigation satellite system signals can be performed using a fast Fourier transform (FFT). The FFT-based acquisition performs a circular correlation, and is thus sensitive to potential transitions between consecutive periods of the code. Such transitions are not occurring often for the GPS L1 C/A signal because of the low data rate, but very likely for the new GNSS signals having a secondary code. The straightforward solution consists in using two periods of the incoming primary code and using zero-padding for the local code to perform the correlation. However, this solution increases the complexity, and is moreover not efficient since half of the points calculated are discarded. This has led us to research for a more efficient algorithm, which discards less points by calculating several sub-correlations. It is applied to the GPS L5, Galileo E5a, E5b and E1 signals. Considering the radix-2 FFT, the proposed algorithm is more efficient for the L5, E5a and E5b signals, and possibly for the E1 signal. The theoretical number of operations can be reduced by 21%, the processing time measured on a software implementation is reduced by 39%, and the memory resources are almost halved for an FPGA implementation

Comparison Framework of FPGA-based GNSS Signals Acquisition Architectures

The acquisition of Global Navigation Satellite Systems signals using Code Division Multiple Access can be performed through classical correlation or using a Fourier transform. These methods are well known but what is missing is a comparison of their performance for a given hardware area or target. This paper presents this comparison for Field Programmable Gate Arrays, describing the different parameters involved in the acquisition, detailing some optimized implementations where hardware elements are duplicated, and estimating and discussing the performances. The influence of the Doppler effect on the code, is also discussed as it plays an important role, particularly for new signals using a high chipping rate

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