Performance Limits of GNSS Code-Based Precise Positioning: GPS, Galileo & Meta-Signals

This contribution analyzes the fundamental performance limits of traditional two-step Global Navigation Satellite System (GNSS) receiver architectures, which are directly linked to the achievable time-delay estimation performance. In turn, this is related to the GNSS baseband signal resolution, i.e., bandwidth, modulation, autocorrelation function, and the receiver sampling rate. To provide a comprehensive analysis of standard point positioning techniques, we consider the different GPS and Galileo signals available, as well as the signal combinations arising in the so-called GNSS meta-signal paradigm. The goal is to determine: (i) the ultimate achievable performance of GNSS code-based positioning systems; and (ii) whether we can obtain a GNSS code-only precise positioning solution and under which conditions. In this article, we provide clear answers to such fundamental questions, leveraging on the analysis of the Cramér–Rao bound (CRB) and the corresponding Maximum Likelihood Estimator (MLE). To determine such performance limits, we assume no external ionospheric, tropospheric, orbital, clock, or multipath-induced errors. The time-delay CRB and the corresponding MLE are obtained for the GPS L1 C/A, L1C, and L5 signals; the Galileo E1 OS, E6B, E5b-I, and E5 signals; and the Galileo E5b-E6 and E5a-E6 meta-signals. The results show that AltBOC-type signals (Galileo E5 and meta-signals) can be used for code-based precise positioning, being a promising real-time alternative to carrier phase-based techniques

Multipath Propagation, Mitigation and Monitoring in the Light of Galileo and the Modernized GPS

Among the numerous potential sources of GNSS signal degradation, multipath takes on a prominent position. Unlike other errors like ionospheric or tropospheric path delays which can be modeled or significantly reduced by differential techniques, multipath influences cannot be mitigated by such approaches. Although a lot of multipath mitigation techniques have been proposed and developed in the past among them many receiver internal approaches using special signal processing algorithms multipath (especially multipath with small geometric path delays) still remains a major error source. This is why multipath has been a major design driver for the definition of the Galileo signal structure carried out in the past years and the subsequent signal optimization activities. This thesis tries to provide a broad and comprehensive insight into various aspects of multipath propagation, mitigation and monitoring (without claiming to be exhaustive). It contains an overview of the most important aspects of multipath propagation, including the discussion of different types of multipath signals (e.g. specular vs. diffuse multipath, satellite vs. receiver multipath or hardware-induced multipath), typical characteristics such as periodic signal variations whose frequency depends on the satellite-antenna-reflector geometry and the impact on the signal tracking process within a GNSS receiver. A large part of this thesis is dedicated to aspects of multipath mitigation, first providing a summary of the most common multipath mitigation techniques with a special focus on receiver-internal approaches such as the narrow correlation technique, double-delta correlator implementations, the Early-Late Slope (ELS) technique or Early/Early tracking implementations. However, other mitigation approaches such as using arrays of closely spaced antennas or multipath-limiting antennas are discussed as well. Some of these techniques are used for subsequent multipath performance analyses considering signals of the (modernized) GPS and Galileo. These analyses base on a new methodology to estimate typical and meaningful multipath errors making use of multipath error envelopes that are scaled in a suitable way to account for different multipath environments. It will be shown that typical (mean) multipath errors can be derived from these scaled envelopes by computation of the envelopes running average and that these mean multipath errors are of the same order as multipath errors obtained from complex statistical channel models. Another part of this thesis covers various aspects of multipath detection and monitoring. First, current techniques for multipath detection and monitoring are described and discussed with respect to their benefits and drawbacks or their real-time capability. Among the considered approaches are techniques like code minus carrier monitoring, SNR monitoring, the use of differenced observations or spectral and wavelet analysis. Following this introductory overview, a completely new approach for real-time multipath monitoring by processing multi-correlator observations will be introduced. Previously being used primarily for the detection of Evil Waveforms (signal failures that originate from a malfunction of the satellites signal generation and transmission hardware), the same basic observations (linear combinations of correlator outputs) can be used for the development of a multi-correlator-based real-time multipath monitoring system. The objective is to provide the user with instant information whether or not a signal is affected by multipath. The proposed monitoring scheme has been implemented in the form of a Matlab-based software called RTMM (Real-Time Multipath Monitor) which has been used to verify the monitoring approach and to determine its sensitivity.Die Qualität eines Satellitensignals wird durch eine Vielzahl potenzieller Fehlerquellen negativ beeinflusst. Neben atmosphärischen Einflüssen tragen Mehrwegeeinflüsse einen wesentlichen Anteil zum Gesamtfehlerbudget der Satellitennavigation bei. Während eine ganze Reihe von Fehlereinflüssen durch geeignete Modellierung oder differenzielle Verfahren deutlich reduziert werden können, ist dies durch die räumliche Dekorrelation der Mehrwegeeffekte nicht möglich. Obwohl in der Vergangenheit eine Vielzahl von Verfahren zur Mehrwegereduzierung vorgeschlagen und entwickelt wurden, stellen Mehrwegesignale noch immer eine wesentliche, stets zu berücksichtigende Fehlerquelle dar. Aus diesem Grund spielten die zu erwartenden Mehrwegefehler auch eine sehr wichtige Rolle im Zuge der Definition sowie der Optimierung der Galileo-Signalstruktur und können somit als wesentliches Design-Kriterium angesehen werden. Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Einblick in verschiedene Aspekte der Mehrwegeausbreitung, -reduzierung sowie der Detektion und der Überwachung auftretender Mehrwegeeffekte. Die Arbeit beschreibt zunächst die wichtigsten Aspekte der Mehrwegeausbreitung, wobei beispielsweise unterschiedliche Arten von Reflexionen oder unterschiedliche Entstehungsarten ebenso diskutiert werden wie typische Auswirkungen von Mehrwegesignalen wie die Entstehung periodischer Signalvariationen. Solche Signalvariationen sind in starkem Maße abhängig von der durch die Satellitenposition, dem Antennenstandpunkt und der Lage des Reflexionspunktes definierten Geometrie. Die Frequenz dieser Signalvariationen wird für unterschiedliche geometrische Verhältnisse berechnet. Zudem werden der Einfluss bzw. die Auswirkungen einer Mehrwegeausbreitung auf den Signalverarbeitungsprozess in einem GNSS Empfänger aufgezeigt. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bilden die derzeit gebräuchlichen Methoden zur Reduzierung von Mehrwegeeinflüssen. Dabei werden zunächst die wichtigsten empfängerinternen Ansätze vorgestellt. Aber auch Methoden wie die Verwendung von Antennenarrays oder spezieller Antennen bleiben nicht unberücksichtigt. Einige dieser Methoden bilden im Folgenden die Grundlage für die Bestimmung von typischen Mehrwegefehlern. Dazu wird eine neuartige Methodik vorgestellt, um aus Hüllkurven des Mehrwegefehlers aussagekräftige mittlere Mehrwegefehler zu bestimmen. Hierzu werden die Hüllkurven mit Hilfe einiger aus statistischen Kanalmodellen abgeleiteter Parameter in geeigneter Weise skaliert, um unterschiedlichen Mehrwegeumgebungen Rechnung zu tragen. Es wird gezeigt, dass die mit Hilfe dieser relativ einfachen und effizienten Methode ermittelten Mehrwegefehler in derselben Größenordnung liegen wie die aus komplexen statistischen Kanalmodellen ermittelten Fehler. Einen weiteren Themenkomplex stellen Methoden zur Detektion und zum Monitoring von Mehrwegeeinflüssen dar. Dabei werden zunächst derzeit verwendete Ansätze vorgestellt und hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile sowie hinsichtlich ihrer Echtzeitfähigkeit diskutiert. In Anschluss daran wird ein neuartiger Ansatz zur Detektion und zum Monitoring von Mehrwegesignalen in Echtzeit vorgestellt, der auf der Auswertung von Multikorrelatorbeobachtungen basiert. Ziel dieser Entwicklung ist es, einen potenziellen Nutzer sofort darüber informieren zu können, wenn ein Signal mit Mehrwegefehlern behaftet ist. Der vorgeschlagene Ansatz wurde in Form einer Matlab-basierten implementiert, welche im Folgenden zur Verifizierung und zur Bestimmung der Empfindlichkeit des Verfahrens verwendet wird

IF-level signal-processing of GPS and Galileo Radionavigation signals using MATLAB/Simulink®: Including Effects of Interference and Multipath

Open-source GNSS simulator models are rare and somewhat difficult to find. Therefore, Laboratory of Electronics and Communications Engineering in the former Tampere University of Technology (and now Tampere University, Hervanta Campus) has took it upon itself to develop, from time to time, a free and open-source simulator model based on MATLAB/Simulink® for signal processing of a carefully selected set of GNSS radionavigation signals, namely, Galileo E1, Galileo E5, GPS L1, and GPS L5. This M.Sc. thesis is the culmination of those years which have been spent intermittently on research and development of that simulator model. The first half of this M.Sc. thesis is a literature review of some topics which are believed to be of relevance to the thesis’s second half which is in turn more closely associated with documenting the simulator model in question. In particular, the literature review part presents the reader with a plethora of GNSS topics ranging from history of GNSS technology to characteristics of existing radionavigation signals and, last but not least, compatibility and interoperability issues among existing GNSS constellations. While referring to the GNSS theory whenever necessary, the second half is, however, mainly focused on describing the inner-workings of the simulator model from the standpoint of software implementations. Finally, the second half, and thereby the thesis, is concluded with a presentation of various statistical results concerning signal acquisition’s probabilities of detection and false-alarm, in addition to signal tracking’s RMSE

Parametric models for a database of realistic threats to GNSS receivers

Threats to GNSS receivers are becoming increasingly complex and easier to implement due to technological advancement. So, these attacks have become now a serious problem for any user, not only, for example, for military or safety-of-life purposes anymore. In this context, TAM has been created to collect data about these attacks and possible mitigations. This thesis describes how tested threat scenarios to GNSS signals have been parameterized to be inserted in the TAM database.openEmbargo tempraneo per motivi di segretezza e/o di proprietà dei risultati e informazioni di enti esterni o aziende private che hanno partecipato alla realizzazione del lavoro di ricerca relativo alla tes

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

Security Evaluation of GNSS Signal Quality Monitoring Techniques against Optimal Spoofing Attacks

GNSSs have a significant impact on everyday life and, therefore, the are increasingly becoming an attractive target for illicit exploitation. As such, anti-spoofing algorithms have become an relevant research topic within the GNSS discipline. This Thesis provides a review of recent research in the field of GNSS spoofing/anti-spoofing, designs a method to generate an energy optimal spoofing signal and evaluates the performance of the anti-spoofing signal quality monitoring techniques against it

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

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

Unambiguous Acquisition for Galileo E1 OS Signal Based on Delay-And-Multiply

Galileo E1 Open Service (OS) signal is transmitted with the modulation of Composite Binary Offset Carrier (CBOC). CBOC has a main drawback that is the autocorrelation function has multiple side-peaks, which will lead to ambiguous acquisition. The high rate of data bit and secondary code makes it very difficult to increase coherent integration time. This paper will propose a new scheme based on the delay-and-multiply concept. And also this scheme combines the data channel and pilot channel. Finally, the theoretical results will be given to prove that the new scheme will accomplish unambiguous acquisition and also eliminate the influence of bit transition

Multipath Mitigation Techniques for Satellite-Based Positioning Applications

This chapter addressed the challenges encountered by a GNSS signal due to multipath propagation. A wide range of correlation-based multipath mitigation techniques were discussed and the performance of some of these techniques were evaluated in terms of running average error and root-mean-square error. Among the analyzed multipath mitigation techniques, RSSML, in general, achieved the best multipath mitigation performance in moderate-to-high C/N0 scenarios (for example, 30 dB-Hz and onwards). The other techniques, such as PT(Diff2) and HRC showed good multipath mitigation performance only in high C/N0 scenarios (for example, 40 dB-Hz and onwards). The other new technique SBME offered slightly better multipath mitigation performance to the well-known nEML DLL at the cost of an additional correlator. However, as the GNSS research area is fast evolving with many potential applications, it remains a challenging topic for future research to investigate the feasibility of these multipath mitigation techniques with the multitude of signal modulations, spreading codes, and spectrum placements that are (or are to be) proposed.publishedVersionPeer reviewe