Aerospace Engineering and Engineering Mechanic

Humphreys, Todd E.

Joplin, Andrew J.

Lightsey, E. Glenn

English

Texas ScholarWorks

Development and Testing of a Miniaturized, Dual­Frequency, Software­Defined GPS Receiver for Space ApplicationsAndrew J. Joplin, E. Glenn Lightsey, Todd E. HumphreysThe University of Texas at AustinFebruary 1, 201202/01/2012Andrew Joplin2Outline● Motivation● Goals● Background● Initial Testing● On­Orbit Acquisition/Duty Cycling● LEO Navigation● Radio Occultation Observation● GEO Navigation● Hardware/Flight Testing● Conclusions02/01/2012Andrew Joplin3Motivation● Why is there a need for a small, high­precision GPS receiver for space missions?– Space science missions often require precise positioning– Use of legacy high­precision receivers on small satellites restricted by volume, mass, and power requirements● Why use small satellites for space science missions?– Low cost encourages university involvement– Large constellations of small satellites provide more instrument coverage at a fraction of the cost02/01/2012Andrew Joplin4Goals● <1 W Orbit­Average Power● <500 g Mass● 0.5U CubeSat Form Factor● Sub­Meter Low Earth Orbit (LEO) Navigation● Ionospheric Occultation Observation● Geosynchronous Orbit (GEO) Navigation02/01/2012Andrew Joplin5Background02/01/2012Andrew Joplin6Background: CASES● CASES: Connected Autonomous Space Environment Sensor– Software­defined, dual­frequencyreceiver– Developed by the University ofTexas and Cornell University– Designed to measure ionosphericscintillation● Data Output– Navigation, observations, raw IQ, TEC, SV dataCASES: A Smart, Compact GPS Software Receiver forSpace Weather Monitoring. 2011 ION GNSS Conference02/01/2012Andrew Joplin7Background: FOTON● FOTON: Fast, Orbital, TEC, Observables, and Navigation Receiver– Space­based, dual­frequency,software­defined receiver– Developed from CASES– Hardware repackaged into smaller form factor– Software altered to allow LEOnavigation02/01/2012Andrew Joplin8Background: FOTON● Hardware (COTS components on custom boards)– Bobyn RF Front End– TI C6457 Digital Signal Processor– Interface Board (Z­Board)– Volume: 0.5U CubeSat form factor (8.3 x 9.6 x 3.8 cm)– Mass: 326 g– Power: 4.5 W, <1 W orbit average power● Software– Tracks GPS L1 C/A, L2C, and L5– Configurable for tracking other L­band signals– Arbitrary number of channels, limited by data downlinkRF Front EndDSP Z-Board02/01/2012Andrew Joplin9Background: Software Changes● Terrestrial   Space­based Conversion:→● Release ITAR altitude/speed limits* – Done● Widen Doppler range to ±40 kHz (increases memory requirements) – Done● Radio Occultation:● Occultation prediction – In Process● Suppress clock fix­up during occultation – Done● Open­loop tracking – Done● Data bit prediction – Done*Software uploads/testing done within ITAR­restricted lab02/01/2012Andrew Joplin10Initial Testing02/01/2012Andrew Joplin11Initial Testing● Testing on Spirent GPS signal simulator– Baseline receiver (Rx) testing– Ionosphere and Troposphere not simulated– Satellite (SV) clock and ephemeris errors not simulated● Tests include:– Static simulation– Rectangular track (low­dynamics) simulation– Low earth orbit simulations02/01/2012Andrew Joplin12Initial TestingTerrestrial TestsStatic Simulation● 0.46 m RMS errorRectangular Track Simulation● 0.83 m, 0.12 m/s RMS error02/01/2012Andrew Joplin13Tracked Doppler● Before software updates● Tracked 1­3 signals● ± 10 kHz Doppler rangeInitial TestingLEO Doppler TestSimulated Doppler● Inclined, 90 min. period LEO● Produced ± 40 kHz Doppler02/01/2012Andrew Joplin14Initial TestingLEO Benchmark Tests● Simulated polar LEO● Double­difference of observables– Removes geometry and Rx clock effects– Leaves only Rx­ and channel­specific noise● RMS Errors:● Pseudorange: 0.1616 m● Carrier Phase: 0.5973 mm● Range Rate: 0.0569 m/s02/01/2012Andrew Joplin15On­Orbit Acquisition/Duty Cycling02/01/2012Andrew Joplin16On­Orbit Acquisition/Duty Cycling● FOTON currently operates at 4.5 W● <1 W orbit­average power desired● On/off duty cycling required02/01/2012Andrew Joplin17On­Orbit Acquisition/Duty Cycling● Current on­orbit acquisition capability:– DSP reset time: 15 sec– FFT­based acquisition: <5 sec– Ephemeris retrieval: <30 sec– Overall time to first fix (TFF): <1 min.● TFF dominated by DSP reset and ephemeris retrieval– Store ephemerides in memory (in process)– Operate DSP in low­power mode (in process)– TFF of a few seconds attainable● Duty cycling is possible02/01/2012Andrew Joplin18LEO Navigation02/01/2012Andrew Joplin19LEO NavigationKalman Filter● Extended Sequential Kalman Filter (EKF)● Combine L1 pseudorange and Doppler with assumed LEO dynamics to smooth nav solution● State: ECEF position/velocity, Rx clock bias/rate● State dynamics model:● Pos/vel: J2 gravity model + noise● Clock: 1st order + noise02/01/2012Andrew Joplin20LEO NavigationKalman Filter● Tested with LEO simulation● Comparison of EKF with point­wise linear least­squares solutions:● Can be improved with higher­fidelity dynamics modelKalman Filter Point SolutionsRMS Position (m) 0.544 0.739RMS Velocity (m/s) 0.0121 0.24702/01/2012Andrew Joplin21LEO NavigationDual­Frequency Capability● Ionospheric modelling algorithm:● Running estimate of TEC (Total Electron Content) used to model ionosphere real­time● L2 pseudorange not otherwise used in nav solution● LEO Test:● Polar LEO simulation● Ionosphere, L2C simulated02/01/2012Andrew Joplin22● Point Solution Results● RMS Errors:– Pos: 1.47 m– Vel: 0.29 m/s● Results can be improved with a Kalman filter that ingests L2C pseudorangeLEO NavigationDual­Frequency Capability02/01/2012Andrew Joplin23Radio Occultation Observation02/01/2012Andrew Joplin24Radio Occultation Observation● Rising/setting GPS satellite transmits through multiple layers of ionosphere● GPS receiver on LEO satellite measures time history of ionospheric delay/total electron content (TEC)http://www.cosmic.ucar.edu/02/01/2012Andrew Joplin25Radio Occultation Observation● FOTON software already designed to measure TEC● Dual­frequency LEO simulation demonstrates:– Low elevation tracking– TEC estimation● To do:– Occultation predictionSlant TEC vs. Elevation02/01/2012Andrew Joplin26GEO Navigation02/01/2012Andrew Joplin27GEO Navigation● Geosynchronous Earth Orbit (GEO) outside of GPS orbit● Low signal strength, navigation very challenging● FOTON GEO Simulation Results● Used OCXO + coherent accumulation● Unable to pull in side lobes● Tracked 2­4 SVs at a time over 2 hr period● RMS Errors:– 10 m horizontal, 155 m vertical– 0.75 m/s horizontal, 15 m/s vertical● Better results attainable using data bit wipe­off● Already implemented, but not tested in GEOhttp://www.gpsworld.com02/01/2012Andrew Joplin28Hardware/Flight Testing02/01/2012Andrew Joplin29Hardware/Flight Testing● Completed:– Vibration testing– Thermal testing– Vacuum testing● Upcoming:– Sounding rocket launch (Cornell): March 2012– Armadillo CubeSat launch (UT): 201402/01/2012Andrew Joplin30Conclusions● FOTON – a high­precision, adaptable, space­based software receiver● Duty cycling allows <1 W orbit average power● 326 g, 0.5U volume small enough for CubeSats● Kalman filter + dual­frequency   meter­level navigation→● Low elevation tracking, TEC estimation demonstrates occultation observation potential● Data bit wipe­off + long coherent integration   GEO navigation →possible● Upcoming test flights in 2012­201402/01/2012Andrew Joplin31Acknowledgements● UT Radionavigation Laboratoryradionavlab.ae.utexas.edu● UT Center for Space Researchwww.csr.utexas.edu● UT Satellite Design Laboratory● Cornell Universitygps.ece.cornell.edu02/01/2012Andrew Joplin32Backup Slides02/01/2012Andrew Joplin33Motivation● Why dual­frequency?– Increased precision using ionosphere­free pseudorange– Direct computation of ionospheric delay● Why software­defined?– Quick development – just recompile and test– Adaptable – use for navigation, ionospheric sensing, …– Reconfigurable on­orbit02/01/2012Andrew Joplin34Kalman Filter­Based POD● LEO Simulation Testing● Repeat benchmark test simulationPos. Error (m) Vel. Error (m/s)02/01/2012Andrew Joplin35Kalman Filter­Based POD● RMS Errors:● Pos: 0.544 m(vs. 0.739 m)● Vel: 0.0121 m/s(vs. 0.247 m/s)● Can be improved with more accurate dynamics modelClock rate (m/s)02/01/2012Andrew Joplin36GEO Navigation● High Earth Orbits (HEO) and Geosynchronous Earth Orbits (GEO) very challenging for GPS navigation● Weak signals from GPStransmitter side lobes● Very slow geometricchangehttp://www.gpsworld.com02/01/2012Andrew Joplin37GEO NavigationDescription and Performance of the GPS Block I and II L­Band Antenna and Link Budget. 1993 Institute of Navigation Conference, 1993.● Solutions:● More stable clock (e.g. OCXO)– Allows smaller PLL bandwidth (increases C/No)● Long coherent integration of weak signals– Pulls in signal from GPS side lobe– Requires data bit wipe­off● Kalman filtering02/01/2012Andrew Joplin38GEO Navigation● Results

Development and Testing of a Miniaturized, Dual­Frequency, Software­Defined GPS Receiver for Space Applications

https://repositories.lib.utexas.edu/bitstream/2152/63425/2/joplin_C4_pres.pdf

Development and Testing of a Miniaturized, DualFrequency, SoftwareDefined GPS Receiver for Space Applications

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Texas ScholarWorks

Development and Testing of a Miniaturized, Dual­Frequency, Software­Defined GPS Receiver for Space Applications

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Texas ScholarWorks

Development and Testing of a Miniaturized, DualFrequency, SoftwareDefined GPS Receiver for Space Applications