Space Station communications and tracking systems modeling and RF link simulation

In this final report, the effort spent on Space Station Communications and Tracking System Modeling and RF Link Simulation is described in detail. The effort is mainly divided into three parts: frequency division multiple access (FDMA) system simulation modeling and software implementation; a study on design and evaluation of a functional computerized RF link simulation/analysis system for Space Station; and a study on design and evaluation of simulation system architecture. This report documents the results of these studies. In addition, a separate User's Manual on Space Communications Simulation System (SCSS) (Version 1) documents the software developed for the Space Station FDMA communications system simulation. The final report, SCSS user's manual, and the software located in the NASA JSC system analysis division's VAX 750 computer together serve as the deliverables from LinCom for this project effort

Design and Implementation of a Stepped Frequency Continuous Wave Radar System for Biomedical Applications

There is a need to detect vital signs of human (e.g., the respiration and heart-beat rate) with noncontact method in a number of applications such as search and rescue operation (e.g. earthquakes, fire), health monitoring of the elderly, performance monitoring of athletes Ultra-wideband radar system can be utilized for noncontact vital signs monitoring and tracking of various human activities of more than one subject. Therefore, a stepped-frequency continuous wave radar (SFCW) system with wideband performance is designed and implemented for Vital signs detection and fall events monitoring. The design of the SFCW radar system is firstly developed using off-the-shelf discrete components. Later, the system is implemented using surface mount components to make it portable with low cost. The measurement result is proved to be accurate for both heart rate and respiration rate detection within ±5% when compared with contact measurements. Furthermore, an electromagnetic model has been developed using a multi-layer dielectric model of the human subject to validate the experimental results. The agreement between measured and simulated results is good for distances up to 2 m and at various subjects’ orientations with respect to the radar, even in the presence of more than one subject. The compressive sensing (CS) technique is utilized to reduce the size of the acquired data to levels significantly below the Nyquist threshold. In our demonstration, we use phase information contained in the obtained complex high-resolution range profile (HRRP) to derive the motion characteristics of the human. The obtained data has been successfully utilized for non-contact walk, fall and limping detection and healthcare monitoring. The effectiveness of the proposed method is validated using measured results

Multipath and receiver models for assessing the VOR bearing error: application to wind farms

L'implémentation des éoliennes à proximité des systèmes VOR (VHF Omnidirectional Range) est une préoccupation importante pour l'aviation civile. Les éoliennes constituent une source de multitrajets qui peuvent produire des erreurs sur l'information d'azimut estimée par le récepteur d'avion. Dans la littérature, l'erreur VOR est calculée à partir de paramètres multitrajets en utilisant l'expression analytique proposée par Odunaiya et Quinet. Dans cette thèse de doctorat, nous avons développé un modèle d'un récepteur IQ numérique qui peut reproduire la réponse d'un récepteur VOR lorsque les multitrajets varient dans le temps tout au long d'une trajectoire réaliste d'avion. Le Chapitre 1 présente les principes de base des systèmes : VOR conventionnel (VORC) et VOR Doppler (VORD). Le phénomène de multitrajets générés par les éoliennes à proximité des stations VOR est détaillé en présentant ses paramètres et certaines méthodes de modélisation associées qui existent dans la littérature. Un aperçu des récepteurs VOR est présenté en décrivant la structure classique d'un récepteur VOR et les étapes du traitement du signal appliquées afin d'extraire l'information d'azimut. Les expressions de l'erreur VOR proposées par Odunaiya et Quinet pour les systèmes VORC et VORD sont données et illustrées. Dans le Chapitre 2, nous présentons notre modèle de récepteur IQ numérique. Un générateur de séries temporelles au long d'une trajectoire réaliste d'avion est présenté. Un critère échantillonnage est également proposé pour être sûr de capturer toutes les variations de multitrajets dans l'espace. Le modèle de récepteur IQ numérique est détaillé en décrivant ses composantes. Afin d'analyser l'effet et dynamique de multitrajets sur le récepteur VOR, un test d'illustration est donné en comparant la réponse du modèle avec l'expression d'Odunaiya. Dans le Chapitre 3, le comportement de notre modèle de récepteur IQ numérique est analysé en le comparant avec un récepteur de calibration (R&S EVS300) à l'aide de deux mesures de laboratoire. La première mesure est effectuée dans la bande des fréquences VHF en traitant un multitrajet canonique. La seconde mesure est effectuée en utilisant des signaux en bande de base IQ générées à partir d'une simulation d'un scénario complexe. Les résultats des mesures montrent un bon accord entre les récepteurs. Une analyse critique de récepteur VOR est présentée dans le Chapitre 4. Pour le VORC, nous présentons une méthode permettant de déterminer le domaine de validité de l'expression statique d'Odunaiya afin de calculer l'erreur VOR. Pour le VORD, nous montrons que l'erreur VOR est sensible au type de démodulateur FM en développant et en validant une expression alternative de l'erreur Doppler analytique qui est cohérente avec notre démodulateur FM. Enfin, nous évaluons l'analyse de Bredemeyer qui indique que l'effet et des multitrajets sur le signal de référence doit être pris en compte dans le calcul de l'erreur VORD. Dans le Chapitre 5, nous proposons un modèle statistique d'erreur VOR dont les seuls paramètres sont les positions de l'avion et de l'éolienne et les autres paramètres suivent des distributions statistiques. Ce modèle permet de réduire le temps de simulation électromagnétique. Tout d'abord, nous déterminons les distributions statistiques associées aux paramètres multitrajets. Ensuite, la distribution statistique associée à l'erreur VOR est déduite. Enfin, nous effectuons des simulations de Monte Carlo pour évaluer les paramètres des distributions statistiques.The implementation of wind turbines close to VHF Omnidirectional Range (VOR) systems is an important concern for civil aviation. The wind turbines constitute a source of multipath that can yield bearing errors in the azimuth estimated by aircraft receivers. In the literature, the bearing error is computed from the multipath characteristics by means of the analytic expression proposed by Odunaiya and Quinet. In this PhD thesis, we have developed a digital IQ receiver model which can reproduce the response of a VOR receiver when the multipath change in time along a realistic aircraft trajectory. In Chapter 1, the basic principle of the Conventional VOR (CVOR) and Doppler VOR (DVOR) is pre-sented. The multipath phenomenon generated by the wind turbines in the vicinity of VOR stations is detailed by presenting its parameters and some associated modeling methods that exist in the literature. An overview of the VOR receivers is presented by describing the standard structure of a VOR receiver and the signal processing steps to extract the azimuth information. The analytical expressions proposed by Odunaiya and Quinet for the CVOR and DVOR systems are given and illustrated. In Chapter 2, we present our digital IQ receiver model. A time series generator along a realistic aircraft trajectory is presented. A sampling criterion is also proposed to be sure to capture all the multipath variations in space. The digital IQ receiver model is detailed by describing its components. In order to analyze the effect of multipath dynamics on the VOR receiver, an illustration test is given by comparing the receiver model response with the Odunaiya expression. In Chapter 3, the behavior of our digital IQ receiver model is analyzed by comparing with a calibration receiver (R&S EVS300) from two laboratory measurements. The first one is performed in the VHF frequency band for one canonical multipath. The second one is performed using baseband IQ signals in a complex scenario. The measurements results are shown a good agreement between receivers. A CVOR and DVOR analysis are given in Chapter 4. For CVOR, we present a method to determine the validity domain of the static Odunaiya expression for computing the bearing error. For DVOR, we show that the bearing error is sensitive to the type of FM demodulator by developing and validating an alternative expression of the analytic Doppler error which is consistent with our FM demodulator. Finally, we evaluate the analysis of Bredemeyer which indicates that the effect of multipath on the reference signal must be considered in the DVOR error computation. In Chapter 5, we propose a statistical model for the bearing error with which the only parameters are the aircraft and wind turbine positions and the other parameters follow statistical distributions. This model allows to reduce the electromagnetic simulation time. Firstly, we determine the statistical distributions associated with the multipath parameters. Secondly, the statistical distribution associated with the bearing error is deduced. Finally, we perform Monte Carlo simulations to assess the parameters of the statistical distributions

Dynamic phasors to enable distributed real-time simulation

© 2017 IEEE. Distributed real-time simulation allows the sharing of simulator equipment and components connected in Hardware-In-the-Loop experiments. In this paper, we analyze the challenges of geographically distributed real-time power system simulation and how dynamic phasors could be applied to improve the accuracy of the simulation results for large time steps. The time step is of particular interest since the communication delay between simulators interconnected through wide area network is much larger than the simulation time step typically used in electromagnetic transient real-time simulations. However, commercially available real-time simulators use either the electromagnetic transient or classic complex phasor representation. Results in the dynamic phasor and electromagnetic transient domain are compared to quantify the advantage of dynamic phasor simulations in practice. The test platform for this evaluation is a power system simulator which is currently under development