SNR degradation in GNSS-R measurements under the effects of radio-frequency interference

©2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Radio-frequency interference (RFI) is a serious threat for systems working with low power signals such as those coming from the global navigation satellite systems (GNSS). The spectral separation coefficient (SSC) is the standard figure of merit to evaluate the signal-to-noise ratio (SNR) degradation due to the RFI. However, an in-depth assessment in the field of GNSS-Reflectometry (GNSS-R) has not been performed yet, and particularly, about which is the influence of the RFI on the so-called delay-Doppler map (DDM). This paper develops a model that evaluates the contribution of intra-/inter-GNSS and external RFI effects to the degradation of the SNR in the DDM for both conventional and interferometric GNSS-R techniques. Moreover, a generalized SSC is defined to account for the effects of nonstationary RFI signals. The results show that highly directive antennas are necessary to avoid interference from other GNSS satellites, whereas mitigation techniques are essential to keep GNSS-R instruments working under external RFI degradation.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Cross-talk statistics and impact in interferometric GNSS-R

©2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.This paper presents a statistical analysis of the crosstalk phenomenon in interferometric Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (iGNSS-R). Crosstalk occurs when the Delay-Doppler Map (DDM) of a tracked satellite overlaps others fromundesired satellites. This study is performed for ground-based and airborne receivers and for a receiver onboard the International Space Station (ISS) such as the upcoming GNSS Reflectometry, Radio Occultation and Scatterometry onboard ISS experiment. Its impact on ocean altimetry retrievals is analyzed for different antenna arrays. Results show that for elevation angles higher than 60 degrees, crosstalk can be almost permanent from ground, up to 61% from airborne receivers at 2-km height, and up to similar to 10% at the ISS. Crosstalk can only be mitigated using highly directive antennas with narrow beamwidths. Crosstalk impact using a seven-element hexagonal array still induces large errors on ground, but reduces to centimeter level on airborne receivers, and is negligible from the ISS.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Spatial resolution in GNSS-R under coherent scattering

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Global Navigation Satellite Systems Reflectometry can be understood as a multistatic radar using satellite navigation signals as signals of opportunity. The scattered signals over sea ice, flooded areas, even under dense vegetation, and in some cases, over land show a significant coherent component. Under coherent scattering conditions, it is usually stated that the coherent signal component comes from an area equal to the first Fresnel zone. This letter analyzes in more detail the spatial resolution in this forward scattering configuration, showing that, when coherent scattering is nonnegligible, the spatial resolution is mostly determined by the geometry and not by typical surface roughness values. As the scattering area around the specular reflection point increases and encompasses the first Fresnel zone, the received power increases and then it fluctuates as higher order Fresnel zones are included (rapid phase changes due to the spherical waves). These contributions may explain in part the large scattering encountered over inhomogeneous land regions, as these different contributions add or subtract, depending on the phase of the electric field, and are weighted by different scattering coefficients (i.e., changes in the dielectric constant and/or surface roughness, such in water ponds or some agricultural fields). Finally, over homogeneous targets, when all Fresnel zones are included, the received power tends asymptotically to the value obtained using the free-space propagation with a total path length equal to the sum of the path lengths, weighted by the reflection coefficient. This value can also be interpreted as coming from an effective region that is actually ~0.6 times the first Fresnel zone.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Untangling the GNSS-R coherent and incoherent components: Experimental evidences over the ocean

© 2022 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Global Navigation Satellite Systems Reflected (GNSS-R) signals exhibit an incoherent and a coherent components [1], [2]. Current models assume that one or the other are dominant, and the calibration, and geophysical parameter retrieval (eg. wind speed, soil moisture ...) are developed accordingly. Even the presence itself of the coherent component of a GNSS reflected signal has been a matter of discussion in the last years. In this work, the method used in [3] to separate the leakage of the direct signal from the reflected one is applied to a set of GNSS signals reflected collected over the ocean by the MIR [4], [5], an airborne dual-band (L1/E1 and L5/E5a), multi-constellation (GPS and Galileo) GNSS-R instrument with two 19-elements array with 4 beam-steered each. The results presented demonstrate the feasibility of the proposed technique to untangle the coherent and incoherent components in GNSS reflected signals. This technique allows the processing of these components separately, which will increase the calibration accuracy (as today both are mixed together), and allows high resolution applications since the spatial resolution of the coherent component is determined by the size of the first Fresnel zone [6] (300-500 meters from a LEO satellite), and not by the size of the glistening zone (~25 km from a LEO satellite).This work was supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, “Sensing with Pio- neering Opportunistic Techniques”, grant RTI2018-099008- B-C21, and the grant for recruitment of early-stage research staff FI-DGR 2015 and 2018 of the AGAUR - Generalitat de Catalunya (FEDER)Postprint (author's final draft

Advanced GNSS-R instruments for altimetric and scatterometric applications

This work is the result of more than eight years during a bachelor thesis, a master thesis, and the Ph.D. thesis dedicated to the development of the Microwave Interferometric Reflectometer (MIR) instrument. It summarizes all the knowledge acquired during this time, and describes the MIR instrument as detailed as possible. MIR is a Global Navigation Satellite System - Reflectometer (GNSS-R), that is, an instrument that uses Global Navigation Satellite System (GNSS) signals scattered on the Earth's surface to retrieve geophysical parameters. These signals are received below the noise level, but since they have been spread in the frequency domain using spread-spectrum techniques, and in particular using the so-called Pseudo Random Noise (PRN) codes, it is still possible to retrieve them because of the large correlation gain achieved. In GNSS-R, two main techniques are used for this purpose: the conventional technique cGNSS-R and the interferometric one iGNSS-R, each with its pros and cons. In the former technique, the reflected signal is cross-correlated against a locally generated clean-replica of the transmitted signal. In the latter technique the reflected signal is cross-correlated with the direct one. Nowadays multiple GNSS systems coexist, transmitting narrow and wide, open and private signals. A comparison between systems, signals, and techniques in fair conditions is necessary. The MIR instrument has been designed as an airborne instrument for that purpose: the instrument has two arrays, an up-looking one, and a down-looking one, each with 19 dual-band antennas in a hexagonal distribution. The instrument is able to form 2 beams at each frequency band (L1/E1, and L5/E5A), which are pointing continuously to the desired satellites taking into account their position, as well as the instrument's position and attitude. The data is sampled and stored for later post-processing. Last but not least, MIR is auto-calibrated using similar signals to the ones transmitted by the GNSS satellites. During the instrument development, the Distance Measurement Equipment/TACtical Air Navigation (DME/TACAN) signals from the Barcelona airport threatened to disrupt the interferometric technique. These signals were also studied, and it was concluded that the use of a mitigation systems were as strongly recommended. The interferometric technique was also affected by the unwanted contribution of other satellites. The impact of these contributions was studied using real data gathered during this Ph.D. thesis. During these 8 years, the instrument was designed, built, tested, and calibrated. A field campaign was carried out in Australia between May 2018 and June 2018 to determine the instrument's accuracy in sensing soil moisture and sea altimetry. This work describes each of these steps in detail and aims to be helpful for those who decide to continue the legacy of this instrument.Este trabajo es el resultado de más de 8 años de doctorado dedicados al desarrollo del instrumento Microwave Interferometric Reflectometer (MIR). Esta tesis resume todo el conocimiento adquirido durante este tiempo, y describe el MIR lo más detalladamente posible. El MIR es un Reflectómetro de señales de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS-R), es decir, es un instrumento que usa señales de GNSS reflejadas en la superficie de la tierra para obtener parámetros geofísicos. Estas señales son recibidas bajo el nivel de ruido, pero dado que han sido ensanchadas en el dominio frecuencial usando técnicas de espectro ensanchado, y en particular usando códigos Pseudo Random Noise (PRN), es todavía posible recibirlas debido a la elevada ganancia de correlación. En GNSS-R existen dos técnicas para este propósito: la convencional (cGNSS-R), y la interferométrica (iGNSS-R), cada una con sus pros y sus contras. En la primera se calcula la correlación cruzada de la señal reflejada y de una réplica generada del código transmitido. En la segunda técnica se calcula la correlación cruzada de la señal reflejada y de la señal directa. Hoy en día muchos sistemas GNSS coexisten, transmitiendo señales de distintos anchos de banda, algunas públicas y otras privadas. Una comparación entre sistemas, señales, y técnicas en condiciones justas es necesaria. El MIR es un instrumento aerotransportado diseñado como para ese propósito: el instrumento tiene dos arrays de antenas, uno apuntando al cielo, y otro apuntando al suelo, cada uno con 19 antenas doble banda en una distribución hexagonal. El instrumento puede formar 2 haces en cada banda frecuencial (L1/E1 y L5/E5A) que apuntan continuamente a los satélites deseados teniendo en cuenta su posición, y la posición y actitud del instrumento. Los datos son guardados para ser procesados posteriormente. Por último pero no menos importante, el MIR se calibra usando señales similares a las transmitidas por los satélites de GNSS. Durante el desarrollo del instrumento, señales del sistema Distance Measuremt Equi Distance Measurement Equipment/TACtical Air Navigation (DME/TACAN) del aeropuerto de Barcelona mostraron ser una amenaza para la técnica interferométrica. Estas señales fueron estudiadas y se concluyó que era encarecidamente recomendado el uso de sistemas de mitigación de interferencias. La técnica interferométrica también se ve afectada por las contribuciones no deseadas de otros satélites, llamado cross-talk. El impacto del cross-talk fue estudiado usando datos reales tomados durante esta tesis doctoral. A lo largo de estos 8 años el instrumento ha sido diseñado, construido, testeado y calibrado. Una campaña de medidas fue llevada a cabo en Australia entre Mayo de 2018 y Junio de 2018 para determinar la capacidad del instrumento para estimar la humedad del terreno y la altura del mar. Este documento describe cada uno de estos pasos al detalle y espera resultar útil para aquellos que decidan continuar con el legado de este instrumento.Postprint (published version

The GRSS standard for GNSS-reflectometry

In February 2019 a Project Authorization Request was approved by the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Standards Association with the title “Standard for Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) Data and Metadata Content”. A Working Group has been assembled to draft this standard with the purpose of unifying and documenting GNSS-R measurements, calibration procedures, and product level definitions. The Working Group (http://www.grss-ieee.org/community/technical-committees/standards-or-earth-observations/) includes members, collaborators, and contributors from academia, international space agencies, and private industry. In a recent face-to-face meeting held during the ARSI+KEO 2019 Conference, the need was recognized to develop a standard with a wide range of operations, providing procedure guidelines independently of constraints imposed by current limitations on geophysical parameters retrieval algorithms. As such, this effort aims to establish the fundamentals of a potential virtual network of satellites providing inter-comparable data to the scientific community.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Radio frequency interference detection and mitigation techniques for navigation and Earth observation

Radio-Frequency Interference (RFI) signals are undesired signals that degrade or disrupt the performance of a wireless receiver. RFI signals can be troublesome for any receiver, but they are especially threatening for applications that use very low power signals. This is the case of applications that rely on the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), or passive microwave remote sensing applications such as Microwave Radiometry (MWR) and GNSS-Reflectometry (GNSS-R). In order to solve the problem of RFI, RFI-countermeasures are under development. This PhD thesis is devoted to the design, implementation and test of innovative RFI-countermeasures in the fields of MWR and GNSS. In the part devoted to RFI-countermeasures for MWR applications, first, this PhD thesis completes the development of the MERITXELL instrument. The MERITXELL is a multi-frequency total-power radiometer conceived to be an outstanding platform to perform detection, characterization, and localization of RFI signals at the most common MWR imaging bands up to 92 GHz. Moreover, a novel RFI mitigation technique is proposed for MWR: the Multiresolution Fourier Transform (MFT). An assessment of the performance of the MFT has been carried out by comparison with other time-frequency mitigation techniques. According to the results, the MFT technique is a good trade-off solution among all other techniques since it can mitigate efficiently all kinds of RFI signals under evaluation. In the part devoted to RFI-countermeasures for GNSS and GNSS-R applications, first, a system for RFI detection and localization at GNSS bands is proposed. This system is able to detect RFI signals at the L1 band with a sensitivity of -108 dBm at full-band, and of -135 dBm for continuous wave and chirp-like signals when using the averaged spectrum technique. Besides, the Generalized Spectral Separation Coefficient (GSSC) is proposed as a figure of merit to evaluate the Signal-to-Noise Ratio (SNR) degradation in the Delay-Doppler Maps (DDMs) due to the external RFI effect. Furthermore, the FENIX system has been conceived as an innovative system for RFI detection and mitigation and anti-jamming for GNSS and GNSS-R applications. FENIX uses the MFT blanking as a pre-correlation excision tool to perform the mitigation. In addition, FENIX has been designed to be cross-GNSS compatible and RFI-independent. The principles of operation of the MFT blanking algorithm are assessed and compared with other techniques for GNSS signals. Its performance as a mitigation tool is proven using GNSS-R data samples from a real airborne campaign. After that, the main building blocks of the patented architecture of FENIX have been described. The FENIX architecture has been implemented in three real-time prototypes. Moreover, a simulator named FENIX-Sim allows for testing its performance under different jamming scenarios. The real-time performance of FENIX prototype has been tested using different setups. First, a customized VNA has been built in order to measure the transfer function of FENIX in the presence of several representative RFI/jamming signals. The results show how the power transfer function adapts itself to mitigate the RFI/jamming signal. Moreover, several real-time tests with GNSS receivers have been performed using GPS L1 C/A, GPS L2C, and Galileo E1OS. The results show that FENIX provides an extra resilience against RFI and jamming signals up to 30 dB. Furthermore, FENIX is tested using a real GNSS timing setup. Under nominal conditions, when no RFI/jamming signal is present, a small additional jitter on the order of 2-4 ns is introduced in the system. Besides, a maximum bias of 45 ns has been measured under strong jamming conditions (-30 dBm), which is acceptable for current timing systems requiring accuracy levels of 100 ns. Finally, the design of a backup system for GNSS in tracking applications that require high reliability against RFI and jamming attacks is proposed.Les interferències de radiofreqüència (RFI) són senyals no desitjades que degraden o interrompen el funcionament dels receptors sense fils. Les RFI poden suposar un problema per qualsevol receptor, però són especialment amenaçadores per les a aplicacions que fan servir senyals de molt baixa potència. Aquest és el cas de les aplicacions que depenen dels sistemes mundials de navegació per satèl·lit (GNSS) o de les aplicacions de teledetecció passiva de microones, com la radiometria de microones (MWR) i la reflectometria GNSS (GNSS-R). Per combatre aquest problema, sistemes anti-RFI s'estan desenvolupament actualment. Aquesta tesi doctoral està dedicada al disseny, la implementació i el test de sistemes anti-RFI innovadors en els camps de MWR i GNSS. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en MWR, aquesta tesi doctoral completa el desenvolupament de l'instrument MERITXELL. El MERITXELL és un radiòmetre multifreqüència concebut com una plataforma excepcional per la detecció, caracterització i localització de RFI a les bandes de MWR més utilitzades per sota dels 92 GHz. A més a més, es proposa una nova tècnica de mitigació de RFI per MWR: la Transformada de Fourier amb Multiresolució (MFT). El funcionament de la MFT s'ha comparat amb el d'altres tècniques de mitigació en els dominis del temps i la freqüència. D'acord amb els resultats obtinguts, la MFT és una bona solució de compromís entre les altres tècniques, ja que pot mitigar de manera eficient tots els tipus de senyals RFI considerats. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en GNSS i GNSS-R, primer es proposa un sistema per a la detecció i localització de RFI a les bandes GNSS. Aquest sistema és capaç de detectar senyals RFI a la banda L1 amb una sensibilitat de -108 dBm a tota la banda, i de -135 dBm per a senyals d'ona contínua i chirp fen un mitjana de l'espectre. A més a més, el Coeficient de Separació Espectral Generalitzada (GSSC) es proposa com una mesura per avaluar la degradació de la relació senyal a soroll (SNR) en els Mapes de Delay-Doppler (DDM) a causa del impacte de les RFI. La major contribució d'aquesta tesi doctoral és el sistema FENIX. FENIX és un sistema innovador de detecció i mitigació de RFI i inhibidors de freqüència per aplicacions GNSS i GNSS-R. FENIX utilitza la MFT per eliminar la interferència abans del procés de correlació amb el codi GNSS independentment del tipus de RFI. L'algoritme de mitigació de FENIX s'ha avaluat i comparat amb altres tècniques i els principals components de la seva arquitectura patentada es descriuen. Finalment, un simulador anomenat FENIX-Sim permet avaluar el seu rendiment en diferents escenaris d'interferència. El funcionament en temps real del prototip FENIX ha estat provat utilitzant diferents mètodes. En primer lloc, s'ha creat un analitzador de xarxes per a mesurar la funció de transferència del FENIX en presència de diverses RFI representatives. Els resultats mostren com la funció de transferència s'adapta per mitigar el senyal interferent. A més a més, s'han realitzat diferents proves en temps real amb receptors GNSS compatibles amb els senyals GPS L1 C/A, GPS L2C i Galileo E1OS. Els resultats mostren que FENIX proporciona una resistència addicional contra les RFI i els senyals dels inhibidors de freqüència de fins a 30 dB. A més a més, FENIX s'ha provat amb un sistema comercial de temporització basat en GNSS. En condicions nominals, sense RFI, FENIX introdueix un petit error addicional de tan sols 2-4 ns. Per contra, el biaix màxim mesurat en condicions d'alta interferència (-30 dBm) és de 45 ns, el qual és acceptable per als sistemes de temporització actuals que requereixen nivells de precisió d'uns 100 ns. Finalment, es proposa el disseny d'un sistema robust de seguiment, complementari als GNSS, per a aplicacions que requereixen alta fiabilitat contra RFI.Postprint (published version

GNSS-R altimetry performance analysis for the GEROS experiment on board the international space station

The GEROS-ISS (GNSS rEflectometry, Radio Occultation and Scatterometry onboard International Space Station) is an innovative experiment for climate research, proposed in 2011 within a call of the European Space Agency (ESA). This proposal was the only one selected for further studies by ESA out of ~25 ones that were submitted. In this work, the instrument performance for the near-nadir altimetry (GNSS-R) mode is assessed, including the effects of multi-path in the ISS structure, the electromagnetic-bias, and the orbital height decay. In the absence of ionospheric scintillations, the altimetry rms error is 20 dB at equatorial regions, mainly after sunset, which will seriously degrade the altimetry and the scatterometry performances of the instrument.Peer ReviewedPostprint (published version

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

Infrared ranging in multipath environments for indoor localization of mobile targets

Esta tesis aborda el problema de la medida de diferencias de distancia mediante señales ópticas afectadas por multicamino, aplicada a la localización de agentes móviles en espacios interiores. Los avances en robótica, entornos inteligentes y vehículos autónomos han creado un campo de aplicación específico para la localización en interiores, cuyos requerimientos de precisión (en el rango de los cm) son muy superiores a los demandados por las aplicaciones de localización orientadas a personas, en cuyo contexto se han desarrollado la mayor parte de las alternativas tecnológicas. La investigación con métodos de geometría proyectiva basados en cámaras y de multilateración basados en medida de distancia con señales de radiofrecuencia de banda ancha, de ultrasonido y ópticas han demostrado un rendimiento potencial adecuado para cubrir estos requerimientos. Sin embargo, todas estas alternativas, aún en fase de investigación, presentan dificultades que limitan su aplicación práctica. En el caso de los sistemas ópticos, escasamente estudiados en este contexto, los trabajos previos se han basado en medidas de diferencia de fase de llegada de señales infrarrojas moduladas sinusoidalmente en intensidad. Una infraestructura centralizada computa medidas diferenciales, entre receptores fijos, de la señal emitida desde el móvil a posicionar, y calcula la posición del móvil mediante trilateración hiperbólica a partir de éstas. Estas investigaciones demostraron que se pueden alcanzar precisiones de pocos centímetros; sin embargo, las interferencias por multicamino debidas a la reflexión de la señal óptica en superficies del entorno pueden degradar esta precisión hasta las decenas de centímetros dependiendo de las características del espacio. Así pues, el efecto del multicamino es actualmente la principal fuente de error en esta tecnología, y por tanto, la principal barrera a superar para su implementación en situaciones reales. En esta tesis se propone y analiza un sistema de medida con señales ópticas que permite obtener estimaciones de diferencias de distancia precisas reduciendo el efecto crítico del multicamino. El sistema propuesto introduce una modulación con secuencias de ruido pseudoaleatorio sobre la modulación sinusoidal típicamente usada para medida de fase por onda continua, y aprovecha las propiedades de ensanchamiento en frecuencia de estas secuencias para reducir el efecto del multicamino. El sistema, que realiza una doble estimación de tiempo y fase de llegada, está compuesto por una etapa de sincronización que posibilita la demodulación parcialmente coherente de la señal recibida, seguida de un medidor diferencial de fase sobre las componentes desensanchadas tras la demodulación. Las condiciones de multicamino óptico típicas en espacios interiores, con una componente de camino directo claramente dominante, permiten que el proceso de demodulación recupere más potencia del camino directo que del resto de contribuciones, reduciendo el efecto del multicamino en la estimación final. Los resultados obtenidos demuestran que la aplicación del método propuesto permitiría realizar posicionamiento a partir de señales ópticas con el rendimiento adecuando para aplicaciones de robótica y guiado de vehículos en espacios interiores; además, el progresivo aumento de la potencia y el ancho de banda de los dispositivos optoelectrónicos disponibles permite esperar un incremento considerable de las prestaciones de la propuesta en los próximos años