Improvement of detection and tracking techniques in multistatic passive radar systems. (Mejora de técnicas de detección y seguimiento en sistemas radar pasivos multiestáticos)

Esta tesis doctoral es el resultado de una intensa actividad investigadora centrada en los sensores radar pasivos para la mejora de las capacidades de detección y seguimiento en escenarios complejos con blancos terrestres y pequeños drones. El trabajo de investigación se ha llevado a cabo en el grupo de investigación coordinado por la Dra. María Pilar Jarabo Amores, dentro del marco diferentes proyectos: IDEPAR (“Improved DEtection techniques for PAssive Radars”), MASTERSAT (“MultichAnnel paSsive radar receiver exploiting TERrestrial and SATellite Illuminators”) y KRIPTON (“A Knowledge based appRoach to passIve radar detection using wideband sPace adapTive prOcessiNg”) financiados por el Ministerio de Economía y Competitividad de España; MAPIS (Multichannel passive ISAR imaging for military applications) y JAMPAR (“JAMmer-based PAssive Radar”), financiados por la Agencia Europea de Defensa (EDA) . El objetivo principal es la mejora de las técnicas de detección y seguimiento en radares pasivos con configuraciones biestáticas y multiestaticas. En el documento se desarrollan algoritmos para el aprovechamiento de señales procedentes de distintos iluminadores de oportunidad (transmisores DVB-T, satélites DVB-S y señales GPS). Las soluciones propuestas han sido integradas en el demostrador tecnológico IDEPAR, desarrollado y actualizado bajo los proyectos mencionados, y validadas en escenarios reales declarados de interés por potenciales usuarios finales (Direccion general de armamento y material, instituto nacional de tecnología aeroespacial y la armada española). Para el desarrollo y evaluación de cadenas de las cadenas de procesado, se plantean dos casos de estudio: blancos terrestres en escenarios semiurbanos edificios y pequeños blancos aéreos en escenarios rurales y costeros. Las principales contribuciones se pueden resumir en los siguientes puntos: • Diseño de técnicas de seguimiento 2D en el espacio de trabajo rango biestático-frecuencia Doppler: se desarrollan técnicas de seguimiento para los dos casos de estudio, localización de blancos terrestres y pequeños drones. Para es último se implementan técnicas capaces de seguir tanto el movimiento del dron como su firma Doppler, lo que permite implementar técnicas de clasificación de blancos. • Diseño de técnicas de seguimiento de blancos capaces de integrar información en el espacio 3D (rango, Doppler y acimut): se diseñan técnicas basadas en procesado en dos etapas, una primera con seguimiento en 2D para el filtrado de falsas alarmas y la segunda para el seguimiento en 3D y la conversión de coordenadas a un plano local cartesiano. Se comparan soluciones basadas en filtros de Kalman para sistemas tanto lineales como no lineales. • Diseño de cadenas de procesado para sistemas multiestáticos: la información estimada del blanco sobre múltiples geometrías biestáticas es utilizada para incremento de las capacidades de localización del blanco en el plano cartesiano local. Se presentan soluciones basadas en filtros de Kalman para sistemas no lineales explotando diferentes medidas biestáticas en el proceso de transformación de coordenadas, analizando las mejoras de precisión en la localización del blanco. • Diseño de etapas de procesado para radares pasivos basados en señales satelitales de las constelaciones GPS DVB-S. Se estudian las características de las señales satelitales identificando sus inconvenientes y proponiendo cadenas de procesado que permitan su utilización para la detección y seguimiento de blancos terrestres. • Estudio del uso de señales DVB-T multicanal con gaps de transmisión entre los diferentes canales en sistemas radares pasivos. Con ello se incrementa la resolución del sistema, y las capacidades de detección, seguimiento y localización. Se estudia el modelo de señal multicanal, sus efectos sobre el procesado coherente y se proponen cadenas de procesado para paliar los efectos adversos de este tipo de señales

High accuracy tightly-coupled integrity monitoring algorithm for map-matching

A map-matching algorithm employs data from Global Positioning System (GPS), a Geographic Information System (GIS)-based road map and other sensors to first identify the correct link on which a vehicle travels and then to determine the physical location of the vehicle on the link. Due to uncertainties associated with the raw measurements from GPS/other sensors, the road map and the related methods, it is essential to monitor the integrity of map-matching results, especially for safety and mission-critical intelligent transport systems such as positioning and navigation of autonomous and semi-autonomous vehicles. Current integrity methods for map-matching are inadequate and unreliable as they fail to satisfy the integrity requirement due mainly to incorrect treatment of all the related uncertainties simultaneously. The aim of this paper is therefore to develop a new tightly-coupled integrity monitoring method for map-matching by properly treating the uncertainties from all sources concurrently. In this method, the raw measurements from GPS, low-cost Dead-Reckoning (DR) sensors and Digital Elevation Model (DEM) are first integrated using an extended Kalman Filter to continuously obtain better position fixes. A weight-based topological map-matching process is then developed to map-match position fixes onto the road map. The accuracy of the map-matching process is enhanced by employing a range of network features such as grade separation, traffic flow directions and the geometry of road link. The Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) technique, which has been successfully applied to monitor the integrity of aircraft navigation, is modified and enhanced so as to apply it to monitor the quality of map-matching. In the enhanced RAIM method, two modifications are made: (1) a variable false alarm rate (as opposed to a constant false alarm rate) is considered to improve the fault detection performance in selecting the links, especially near junctions. (2) a sigma inflation for a non-Gaussian distribution of measurement noises is applied for the purpose of satisfying the integrity risk requirement. The implementation and validation of the enhanced RAIM method is accomplished by utilising the required navigation performance parameters (in terms of accuracy, integrity and availability) of safety and mission-critical intelligent transport systems. The required data were collected from Nottingham and central London. In terms of map-matching, the results suggest that the developed map-matching method is capable of identifying at least 97.7% of the links correctly in the case of frequent GPS outages. In terms of integrity, the enhanced RAIM method provides better the fault detection performance relative to the traditional RAIM

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

Scattering Models in Remote Sensing: Application to SAR Despeckling and Sea Target Detection from GNSS-R Imagery

Imaging sensors are an essential tool for the observation of the Earth’ surface and the study of other celestial bodies. The capability to produce radar images of the illuminated surface is strictly related with the complex phenomenology of the radiation-matter interaction. The electromagnetic scattering theory is a well-established and well-assessed topic in electromagnetics. However, its usage in the remote sensing field is not adequately investigated and studied. This Ph.D. Thesis addresses the exploitation of electromagnetic scattering models suitable for natural surfaces in two applications of remotely sensed data, namely despeckling of synthetic aperture radar (SAR) imagery, and the detection of sea targets in delay-Doppler Maps (DDM) acquired from spaceborne Global Navigation Satellite System-Reflectometry (GNSS-R). The first issue was addressed by conceiving, developing, implementing and validating two despeckling algorithms for SAR images. The developed algorithms introduce some a priori information about the electromagnetic behavior of the resolution cell in the despeckling chain and were conceived as a scattering-based version of pre-existing filters, namely the Probabilistic Patch-Based (PPB) and SAR-Block-Matching 3-D (SARBM3D) algorithms. The scattering behavior of the sensed surface is modeled assuming a fractal surface roughness and using the Small Perturbation Method (SPM) to describe the radar cross section (RCS) of the surface. Performances of the proposed algorithms have been assessed using both canonical test (simulated) and actual images acquired from the COSMO\SkyMed constellation. The robustness of the proposed filters against different error sources, such as the scattering behavior of the surface, surface parameters, Digital Elevation Model (DEM) resolution and the SAR image-DEM coregistration step, has been evaluated via an experimental sensitivity analysis. The problem of detecting sea targets from GNSS-R data in near real-time has been investigated by analyzing the revisit time achieved by constellations of GNSS-R instruments. A statistical analysis of the global revisit time has been performed by means of mission simulation, in which three realistic scenario have been defined. Time requirements for near real-time ship detection purposes are shown to be fulfilled in multi-GNSS constellation scenarios. A four-step sea target has been developed. The detector is a Constant False Alarm Rate (CFAR) algorithm and is based on the suppression of the sea clutter contribution, modeled via the Geometrical Optics (GO) approach. Performance assessment is performed by deriving the Receiver Operating Curves (ROC) of the detector. Finally, the proposed sea target detection algorithm has been tested using actual UK TechDemoSat-1 data

Deep learning based 3D object detection for automotive radar and camera fusion

La percepción en el dominio de los vehículos autónomos es una disciplina clave para lograr la automatización de los Sistemas Inteligentes de Transporte. Por ello, este Trabajo Fin de Máster tiene como objetivo el desarrollo de una técnica de fusión sensorial para RADAR y cámara que permita crear una representación del entorno enriquecida para la Detección de Objetos 3D mediante algoritmos Deep Learning. Para ello, se parte de la idea de PointPainting [1] y se adapta a un sensor en auge, el RADAR 3+1D, donde nube de puntos RADAR e información semántica de la cámara son agregadas para generar una representación enriquecida del entorno.Perception in the domain of autonomous vehicles is a key discipline to achieve the au tomation of Intelligent Transport Systems. Therefore, this Master Thesis aims to develop a sensor fusion technique for RADAR and camera to create an enriched representation of the environment for 3D Object Detection using Deep Learning algorithms. To this end, the idea of PointPainting [1] is used as a starting point and is adapted to a growing sensor, the 3+1D RADAR, in which the radar point cloud is aggregated with the semantic information from the camera.Máster Universitario en Ingeniería Industrial (M141

Leistungsbewertung von Satellitennavigation und Entwicklung des amp;quot;Safety Caseamp;quot;

Operational approval of satellite navigation applications for civil aviation exists for supplemental use in continental airspace and for primary use during oceanic en-route phases of flight for a small number of operators and in exceptional cases for Non-Precision Approach. This situation, that the operational approval does not keep pace with the technical capabilities of satellite navigation, is mainly the result of insufficient knowledge about the system´s integrity and institutional limitations including concern over single-State control, lack of "traceability" and a complete absence of binding performance guarantees. In order to achieve progress towards extending the operational approval for satellite navigation applications, for the first time an attempt is made to combine parameters describing the Required Navigation Performance and those describing the performance of satellite navigation. The established set of parameters forms the basis for an exhaustive system evaluation comprising a unique flight trial programme which involves a wide-body commercial airliner. The overall aim is to build-up confidence in the satellite navigation system´s performance, in particular, concerning integrity and continuity of service by developing a total system concept. A world-wide unique database system has been developed - following rigorous software engineering and quality assurance procedures - to contain the data recorded onboard the airliner. The subsequent data evaluation process demonstrates to what extend GPS RAIM satisfies the Required Navigation Performance for civil aviation during different phases of flight. It is demonstrated how an augmentation such as barometric-aiding can improve the system performance and can allow a wider range of operational applications. These results are the major input, via a hazard identification tree, into the GNSS Safety Case, the concept of which is developed herein. The Safety Case, incorporating a Risk Model at its core, is proposed for the first time as a methodology for an Traffic Service Provider to demonstrate that the operational use of satellite navigation can achieve its Target Level of Safety and that it can therefore be approved for operational use by Safety Regulatory Authorities. This work is the unique attempt to use a scientific-technical approach to develop a total system concept which can contribute to progressing the operational approval of satellite navigation applications in civil aviation. Although the investigations are based on applications for civil aviation, research was conducted into the requirements of maritime and terrestrial user communities and how the Safety Case concept developed in this document could be applied in the context of multi-modal transport.Anwendungen der Satellitennavigation für die Zivilluftfahrt wurden bisher als ergänzendes Navigationsmittel im kontinentalen Luftraum und als primäres für eine geringe Anzahl von Flugzeugbetreibern im ozeanischen Luftraum operationell zugelassen, in besonderen Fällen erfolgten Genehmigungen des Einsatzes als primäres Navigationssystem für Nicht-Präzisionsanflüge. Diese Situation, in der die operationelle Zulassung mit den technischen Entwicklungen nicht Schritt halten kann, ist vornehmlich die Folge des nicht ausreichenden Kenntnisstandes bezüglich der Systemintegrität und der institutionellen Einschränkungen. Im einzelnen beziehen diese sich auf die Systemkontrolle, die von einem einzelnen Staat durchgeführt wird, auf die Nichtverfügbarkeit wichtiger Systeminformationen und das Fehlen verbindlicher Garantien für die Leistungsfähigkeit des Systems. Um Fortschritt in der operationellen Zulassung von Satellitennavigationsanwendungen zu erzielen, werden in dieser Arbeit erstmalig Parameter, die die allgemeinen Anforderungen an Navigationssysteme darstellen mit denen verknüpft, die die Leistungsfähigkeit der Satellitennavigation beschreiben. Der entwickelte Parametersatz stellt die Grundlage für eine umfangreiche Systembewertung dar, welche ein einmaliges Flugversuchsprogramm mit einem Großraumflugzeug umfasst. Erklärtes Ziel ist es, zuverlässige Aussagen über die Leistungsfähigkeit, insbesondere die Integrität und die Kontinuität der Satellitennavigation, machen zu können, indem ein gesamtheilicher Systemansatz entwickelt wird. Dazu ist ein weltweit einzigartiges Datanbanksystem, das strengen Anforderungen von "Software Engineering" und Qualitätssicherung gerecht werdend, entwickelt worden, welches die Daten enthält, die an Bord des Verkehrsflugzeuges aufgezeichnet worden sind. Der sich anschließende Datenauswertungsprozess zeigt, in wieweit GPS RAIM den Anforderungen der Zivilluftfahrt an ein Navigationssystem gerecht werden kann, das für die unterschiedlichen Phasen eines Fluges eingesetzt werden soll. Es wird aufgezeigt, wie die Leistungsfähigkeit des Navigationssystems durch eine Augmentierung, z.B. mit Hilfe der Information eines barometrischen Höhenmessers, gesteigert wird, und damit das operationelle Einsatzspektrum erweitert werden kann. Die erzielten Ergebnisse fließen über einen Fehleridentifikationsbaum in das in dieser Arbeit entwickelte Konzept des GNSS "Safety Case" ein. Der "Safety Case", der in seinem Kern auf einem Risikomodell basiert, wird erstmalig den Flugsicherungsorganisationen als eine Methode vorgeschlagen, die diese einsetzen könnnen um nachzuweisen, dass der operationelle Einsatz der Satellitennavigation die gestellten Sicherheitsanforderungen erfüllt und damit von Zulassungsbehörden genehmigt werden kann. Diese Arbeit stellt den erstmaligen Versuch dar, mit Hilfe eines technisch-wissenschaftlichen Ansatzes ein gesamtheitliches Systemkonzept zu entwickeln, das einen Beitrag zum Fortschritt in der operationellen Zulassung von Satellitennavigationsanwendungen liefern kann. Die Untersuchungen basieren auf Anwendungen für die Zivilluftfahrt. Es werden jedoch auch Nachforschungen angestellt welches die Anforderungen von maritimen und terrestrischen Nutzern sind und wie das in dieser Arbeit entwickelte Konzept des "Safety Case" in den Kontext des multi-modalen Transports übertragen werden kann

Efficient SAR MTI simulator of marine scenes

Tècniques de detecció de moviment amb radars d'apertura sintètica multicanals sobre escenaris marítims.[ANGLÈS] Multichannel spaceborne and airborne synthetic aperture radars (SAR) offer the opportunity to monitor maritime traffic through specially designed instruments and applying a suitable signal processing in order to reject sea surface clutter. These processing techniques are known as Moving Target Indication techniques (MTI) and the choice of the most adequate method depends on the radar system and operating environment. In maritime scenes the seas presents a complicated clutter whose temporal/spatial coherence models and background reflectivity depends on a large number of factors and are still subject of research. Moreover the targets kinematics are influenced by the sea conditions, producing in some situations high alterations in the imaged target. These aspects make difficult the detectability analysis of vessels in maritime scenarios, requiring both theoretical models and numerical simulations. This thesis looks into the few available MTI techniques and deals experimentally with them in a developed simulator for maritime SAR images. The results are also presented in a image format, giving the sequence for one trial simulation and the asymptotic probability of detection for the simulated conditions.[CASTELLÀ] Los radares de apertura sintética (SAR) multicanal a bordo de satélites o plataformas aerotransportadas ofrecen la oportunidad de monitorizar el tráfico marítimo a través de instrumentos especialmente diseñados y procesando los datos recibidos de forma adecuada para rechazar la señal provocada por la reflexión del mar. A estas técnicas se las conoce como Moving Target Indication techniques (MTI) y la elección de la más adecuada depende del sistema y del entorno de aplicación. En escenarios marinos, el mar presenta un clutter complicado de modelar, cuya coherencia espacio-temporal y reflectividad radar dependen de un gran número de factores que hoy en día todavía siguen siendo investigados. Por otra parte los parámetros dinámicos del target estan influenciados por las condiciones del mar, produciendo en algunas situaciones graves alteraciones en la formación de la imagen. Estos aspectos dificultan el análisis de la detección de las embarcaciones, requiriendo modelos teóricos y simulaciones numéricas. Este Proyecto Final de Carrera investiga las técnicas MTI disponibles, aplicándolas sobre las imágenes marítimas generadas por un simulador SAR. Los resultados son la generación de los productos MTI en formato imagen y el cálculo de la probabilidad de detección para cada target.[CATALÀ] Els radars d'obertura sintètica (SAR) multicanal embarcats en satèl·lits o plataformes aerotransportades ofereixen l'oportunitat de monitoritzar el tràfic marítim a través d'instruments especialment dissenyats i processant les dades rebudes de forma adequada per rebutjar la senyal provocada per la reflexió del mar. A aquestes tècniques se les coneix com Moving Target indication techniques (MTI) i l'elecció de la més adequada depèn del sistema i de l'entorn d'aplicació. En escenaris marins, el mar presenta un clutter complicat de modelar, la coherència espai-temporal i reflectivitat radar depenen d'un gran nombre de factors que avui dia encara segueixen sent investigats. D'altra banda els paràmetres dinàmics del target estan influenciats per les condicions de la mar, produint en algunes situacions greus alteracions en la formació de la imatge. Aquests aspectes dificulten l'anàlisi de la detecció de les embarcacions, requerint models teòrics i simulacions numèriques. Aquest Projecte Final de Carrera investiga les tècniques MTI disponibles, aplicant-les sobre les imatges marítimes generades per un simulador SAR. Els resultats són la generació dels productes MTI en format imatge i el càlcul de la probabilitat asimptòtica de detecció per a cada target

Ultralight Radar Sensor for Autonomous Operations by Mini- and Micro-UAS

In recent years the boost in operations by mini- and micro-UAS (Unmanned Aircraft Systems, also known as Remotely Piloted Aircraft Systems - RPAS - or simply drones) and the successful miniaturization of electronic components were experienced. Radar sensors demonstrated to have favorable features for these operations. However, despite their ability to provide meaningful information for navigation, sense-and-avoid, and imaging tasks, currently very few radar sensors are exploited onboard or developed for autonomous operations with mini- and micro-UAS. Exploration of indoor complex, dangerous, and not easily accessible environments represents a possible application for mini-UAS based on radar technology. In this scenario, the objective of the thesis is to develop design strategies and processing approaches for a novel ultralight radar sensor able to provide the miniaturized platform with Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) capabilities, mainly but not exclusively indoors. Millimeter-wave Interferometric Synthetic Aperture Radar (mmw InSAR) technology has been identified as a key asset. At the same time, testing of commercial lightweight radar is carried out to assess potentialities towards autonomous navigation, sense-and-avoid, and imaging. The two main research lines can be outlined as follows: - Long-term scenario: Development of very compact and ultralight Synthetic Aperture Radar able to provide mini- or micro-UAS with very accurate 3D awareness in indoor or GPS-denied complex and harsh environments. - Short-term scenario: Assessment of true potentialities of current commercial radar sensors in a UAS-oriented scenario. Within the framework of long-term scenario, after a review of state-of-art SAR sensors, Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) SAR technology has been selected as preferred candidate. Design procedure tailored to this technology and software simulator for operations have been developed in MATLAB environment. Software simulator accounts for the analysis of ambiguous areas in a three-dimensional environment, different SAR focusing algorithms, and a Ray-Tracing algorithm specifically designed for indoor operations. The simulations provided relevant information on actual feasibility of the sensor, as well as mission design characteristics. Additionally, field tests have been carried out at Fraunhofer Institute FHR with a mmw SAR. Processing approaches developed from simulations proved to be effective when dealing with field tests. A very lightweight FMCW radar sensor manifactured by IMST GmbH has been tested for short-term scenario operations. The codes for data acquisition were developed in Python language both for Windows-based and GNU/Linux-based operative systems. The radar provided information on range and angle of targets in the scene, thus being interesting for radar-aided UAS navigation. Multiple-target tracking and radar odometry algorithms have been developed and tested on actual field data. Radar-only odometry provided to be effective under specific circumstances

Advanced RFI detection, RFI excision, and spectrum sensing : algorithms and performance analyses

Because of intentional and unintentional man-made interference, radio frequency interference (RFI) is causing performance loss in various radio frequency operating systems such as microwave radiometry, radio astronomy, satellite communications, ultra-wideband communications, radar, and cognitive radio. To overcome the impact of RFI, a robust RFI detection coupled with an efficient RFI excision are, thus, needed. Amongst their limitations, the existing techniques tend to be computationally complex and render inefficient RFI excision. On the other hand, the state-of-the-art on cognitive radio (CR) encompasses numerous spectrum sensing techniques. However, most of the existing techniques either rely on the availability of the channel state information (CSI) or the primary signal characteristics. Motivated by the highlighted limitations, this Ph.D. dissertation presents research investigations and results grouped into three themes: advanced RFI detection, advanced RFI excision, and advanced spectrum sensing. Regarding advanced RFI detection, this dissertation presents five RFI detectors: a power detector (PD), an energy detector (ED), an eigenvalue detector (EvD), a matrix-based detector, and a tensor-based detector. First, a computationally simple PD is investigated to detect a brodband RFI. By assuming Nakagami-m fading channels, exact closed-form expressions for the probabilities of RFI detection and of false alarm are derived and validated via simulations. Simulations also demonstrate that PD outperforms kurtosis detector (KD). Second, an ED is investigated for RFI detection in wireless communication systems. Its average probability of RFI detection is studied and approximated, and asymptotic closed-form expressions are derived. Besides, an exact closed-form expression for its average probability of false alarm is derived. Monte-Carlo simulations validate the derived analytical expressions and corroborate that the investigated ED outperforms KD and a generalized likelihood ratio test (GLRT) detector. The performance of ED is also assessed using real-world RFI contaminated data. Third, a blind EvD is proposed for single-input multiple-output (SIMO) systems that may suffer from RFI. To characterize the performance of EvD, performance closed-form expressions valid for infinitely huge samples are derived and validated through simulations. Simulations also corroborate that EvD manifests, even under sample starved settings, a comparable detection performance with a GLRT detector fed with the knowledge of the signal of interest (SOI) channel and a matched subspace detector fed with the SOI and RFI channels. At last, for a robust detection of RFI received through a multi-path fading channel, this dissertation presents matrix-based and tensor-based multi-antenna RFI detectors while introducing a tensor-based hypothesis testing framework. To characterize the performance of these detectors, performance analyses have been pursued. Simulations assess the performance of the proposed detectors and validate the derived asymptotic characterizations. Concerning advanced RFI excision, this dissertation introduces a multi-linear algebra framework to the multi-interferer RFI (MI-RFI) excision research by proposing a multi-linear subspace estimation and projection (MLSEP) algorithm for SIMO systems. Having employed smoothed observation windows, a smoothed MLSEP (s-MLSEP) algorithm is also proposed. MLSEP and s-MLSEP require the knowledge of the number of interferers and their respective channel order. Accordingly, a novel smoothed matrix-based joint number of interferers and channel order enumerator is proposed. Performance analyses corroborate that both MLSEP and s-MLSEP can excise all interferers when the perturbations get infinitesimally small. For such perturbations, the analyses also attest that s-MLSEP exhibits a faster convergence to a zero excision error than MLSEP which, in turn, converges faster than a subspace projection algorithm. Despite its slight complexity, simulations and performance assessment on real-world data demonstrate that MLSEP outperforms projection-based RFI excision algorithms. Simulations also corroborate that s-MLSEP outperforms MLSEP as the smoothing factor gets smaller. With regard to advanced spectrum sensing, having been inspired by an F–test detector with a simple analytical false alarm threshold expression considered an alternative to the existing blind detectors, this dissertation presents and evaluates simple F–test based spectrum sensing techniques that do not require the knowledge of CSI for multi-antenna CRs. Exact and asymptotic analytical performance closed-form expressions are derived for the presented detectors. Simulations assess the performance of the presented detectors and validate the derived expressions. For an additive noise exhibiting the same variance across multiple-antenna frontends, simulations also corroborate that the presented detectors are constant false alarm rate detectors which are also robust against noise uncertainty