Comparison of direct and heterodyne detection optical intersatellite communication links

The performance of direct and heterodyne detection optical intersatellite communication links are evaluated and compared. It is shown that the performance of optical links is very sensitive to the pointing and tracking errors at the transmitter and receiver. In the presence of random pointing and tracking errors, optimal antenna gains exist that will minimize the required transmitter power. In addition to limiting the antenna gains, random pointing and tracking errors also impose a power penalty in the link budget. This power penalty is between 1.6 to 3 dB for a direct detection QPPM link, and 3 to 5 dB for a heterodyne QFSK system. For the heterodyne systems, the carrier phase noise presents another major factor of performance degradation that must be considered. In contrast, the loss due to synchronization error is small. The link budgets for direct and heterodyne detection systems are evaluated. It is shown that, for systems with large pointing and tracking errors, the link budget is dominated by the spatial tracking error, and the direct detection system shows a superior performance because it is less sensitive to the spatial tracking error. On the other hand, for systems with small pointing and tracking jitters, the antenna gains are in general limited by the launch cost, and suboptimal antenna gains are often used in practice. In which case, the heterodyne system has a slightly higher power margin because of higher receiver sensitivity

Optimization of demodulation performance of the GPS and GALILEO navigation messages

La performance de démodulation des signaux GNSS existants, GPS L1 C/A, L2C ou L5, est satisfaisante en environnements ouverts où le C/N0 disponible est assez élevé. Cependant, en milieu urbain, le niveau de C/N0 du signal reçu est souvent très bas et est affecté de variations rapides qui peuvent nuire la démodulation des messages GNSS. Donc, car les applications du marché de masse sont appelées à être déployées dans ces environnements, il est nécessaire d'étudier et de chercher des méthodes de démodulation/décodage qui améliorent la performance de démodulation des messages GNSS dans ces environnements. Il est aussi nécessaire de considérer les nouveaux signaux GPS L1C et GALILEO E1. Ces signaux doivent fournir un service de positionnement par satellite dans tout type d'environnement, et spécifiquement en milieu urbain. Ainsi, cette thèse analyse aussi les performances de démodulation des nouveaux signaux GNSS tels que définis dans les documents publics actuels. De plus, de nouvelles structures de message GALILEO E1 sont proposées et analysées afin d'optimiser la performance de démodulation ainsi que la quantité d'information diffusée. En conséquence, le but principal de cette thèse est d'analyser et améliorer la performance de démodulation des signaux GNSS ouverts au public, spécifiquement en milieu urbain, et de proposer de nouvelles structures de messages de navigation pour GALILEO E1. La structure détaillée des chapitres de cette thèse est donnée ci-après. En premier lieu, le sujet de cette thèse est introduit, ses contributions originales sont mises en avant, et le plan du rapport est présenté. Dans le 2ième chapitre, la thèse décrit la structure actuelle des signaux GNSS analysés, en se concentrant sur la structure du message de navigation, les codages canal implantés et leurs techniques de décodage. Dans le 3ième chapitre, deux types de modèles de canal de propagation sont présentés pour deux différents types de scénarios. D'un côté, un canal AWGN est choisi pour modéliser les environnements ouverts. De l'autre côté, le modèle mathématique de Perez-Fontan d'un canal mobile est choisi pour représenter les environnements urbains et indoor. Dans le 4ième chapitre, une tentative pour effectuer une prédiction binaire d'une partie du message de navigation GPS L1 C/A est présentée. La prédiction est essayée en utilisant les almanachs GPS L1 C/A, grâce à un programme de prédiction à long terme fourni par TAS-F, et des méthodes de traitement du signal: estimation spectrale, méthode de PRONY et réseau de neurones. Dans le 5ème chapitre, des améliorations à la performance de démodulation du message de GPS L2C et L5 sont apportées en utilisant leur codage canal de manière non traditionnelle. Deux méthodes sont analysées. La première méthode consiste à combiner les codages canal internes et externes du message afin de corriger davantage de mots reçus. La deuxième méthode consiste à utiliser les probabilités des données d'éphémérides afin d'améliorer le décodage traditionnel de Viterbi. Dans le 6ième chapitre, la performance de démodulation des messages de GPS L1C et du Open Service GALILEO E1 est analysée dans différents environnements. D'abord, une étude de la structure de ces deux signaux est présentée pour déterminer le C/N0 du signal utile reçu dans un canal AWGN. Puis, la performance de démodulation de ces signaux est analysée grâce à des simulations dans différents environnements, avec un récepteur se déplaçant à différentes vitesses et avec différentes techniques d'estimation de la phase porteuse du signal. ABSTRACT : The demodulation performance achieved by any of the existing GPS signals, L1 C/A, L2C or L5, is satisfactory in open environments where the available C/N0 is quite high. However, in indoor/urban environments, the C/N0 level of the received signal is often very low and suffers fast variations which can further affect the GNSS messages demodulation. Therefore, since the mass-market applications being designed nowadays are aimed at these environments, it is necessary to study and to search alternative demodulation/decoding methods which improve the GNSS messages demodulation performance in these environments. Moreover, new GNSS signals recently developed, such as GPS L1C and GALILEO E1, must also be considered. These signals aim at providing satellite navigation positioning service in any kind of environment, giving special attention to indoor and urban environments. Therefore, the demodulation performances of the new GNSS signals as they are defined in the current public documents is also analysed. Moreover, new GALILEO E1 message structures are proposed and analysed in order to optimize the demodulation performance as well as the quantity of broadcasted information. Therefore, the main goal of this dissertation is to analyse and to improve the demodulation performance of the current open GNSS signals, specifically in indoor and urban environments, and to propose new navigation message structures for GALILEO E1. A detailed structure of this dissertation sections is given next. First, the subject of this thesis is introduced, original contributions are highlighted, and the outline of the report is presented. Second, this dissertation begins by a description of the current structure of the different analysed GNSS signals, paying special attention to the navigation message structure, implemented channel code and their decoding techniques. In the third section, two types of transmission channel models are presented for two different types of environments. On one hand, an AWGN channel is used to model the signal transmission in an open environments. On the other hand, the choice of a specific mobile channel, the Perez-Fontan channel model, is chosen to model the signal transmission in an urban environment. In the fourth section, a tentative to make a binary prediction of the broadcasted satellite ephemeris of the GPS L1 C/A navigation message is presented. The prediction is attempted using the GPS L1 C/A almanacs data, a long term orbital prediction program provided by TAS-F, and some signal processing methods: spectral estimation, the PRONY method, and a neural network. In the fifth section, improvements to the GPS L2C and GPS L5 navigation message demodulation performance are brought by using their channel codes in a non-traditional way. Two methods are inspected. The first method consists in sharing information between the message inner and outer channel codes in order to correct more received words. The second method consists in using the ephemeris data probabilities in order to improve the traditional Viterbi decoding. In the sixth section, the GPS L1C and GALILEO E1 Open Service demodulation performance is analysed in different environments. First, a brief study of the structure of both signals to determine the received C/N0 in an AWGN channel is presented. Second, their demodulation performance is analysed through simulations in different environments, with different receiver speeds and signal carrier phase estimation techniques