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Robustness techniques for Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers

Fortin, Marc-Antoine (2015). Robustness techniques for Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The world of satellite navigation has known a constant evolution for several years. At the turn of the century, its craze resulted in a multitude of automated applications being released in both the commercial and industrial markets. All this occurred in areas as diverse as agriculture, construction, security and transport of all kinds. Through integration with complementary technologies and ever smaller achieved accuracy thresholds, eopositioning also managed to break through initially incompatible markets, such as hostile environments and confined spaces (e.g. in urban canyons, inside buildings, under the canopy, etc.). Indeed, recent technological and algorithmic advances can now mitigate or solve the traditional limitations of GPS, namely availability, integrity, accuracy and resistance to interference.

With so much variety and changes, a universal and flexible approach is best suited as a basic structure of a satellite navigation receiver. The work herein therefore focuses on universal architectures for such channels, through various hardware modules forming the receiver. Although indispensable, upstream radio frequency modules and downstream software in navigation receivers are beyond the scope of this thesis.

Following a comprehensive review of the specificities of each satellite signal, a list of their associated tracking techniques is classified. This information sets the stage for the architecture requirements of the targeted universal channels, which are broken up into three and divided into as many papers: 1) frequency domain acquisition, 2) match filter tracking and 3) solution augmentation with differential corrections. Various analyses and receiver configuration Tools enabling a flexible and efficient development platform are then presented, including the decoding of navigation messages, different approaches to compute the signal to noise ratio and the quantification level of the incoming signal.

Since the project is ambitious, validation is based on experimentation with real signals, thus avoiding the additional development of complex multifrequency simulators for different constellations. Impacts and benefits of this patent-rewarded research are considerable, especially with the exponential growth of the market for mobile and wearable electronics.

The thesis opens with a renewed old problem, namely the signal selection (rather than the satellite selection). It is revived by leveraging the universal channels to minimize the acquisition time with old signals, while maximizing the robustness of the solution by the gradual transition to modernized and new signals. In addition, this channel flexibility paves the way for cognitive and tactical receivers, enabling them to adapt to their environment or frequency conditions.

Titre traduit

Techniques de robustesse des récepteurs pour les systèmes globaux de navigation satellitaire (GNSS)

Résumé traduit

Depuis plusieurs années, le monde de la navigation satellitaire connait une évolution constante. Son engouement a connu un fort essor au tournant du siècle, donnant lieu à une multitude d’applications automatisées, tant aux niveaux commercial qu’industriel et ce, dans des domaines aussi variés que l’agriculture, la construction, la sécurité et les transports de tout genre. Grâce à l’intégration avec des technologies complémentaires et à des seuils atteints de précision toujours plus petits, la navigation parvient aussi à percer des marchés initialement incompatibles tels que dans des environnements hostiles et des endroits confinés (p. ex. au milieu de canyons urbains, à l’intérieur de bâtiments, sous la canopée, etc.). En effet, les récentes avancées technologiques et algorithmiques permettent d’atténuer, voire résoudre, les limitations traditionnelles du GPS, soient la disponibilité, l’intégrité, la précision et la résistance aux interférences.

Avec autant de variété et de changements, une approche universelle et flexible est préconisée comme structure de base d’un récepteur de géopositionnement. Les présents travaux portent donc sur des architectures universelles de tels canaux, en passant par différents modules matériels composant un récepteur de navigation par satellites. Bien qu’indispensables, les modules radiofréquence en amont et logiciels en aval de ces canaux excèdent la portée de cet ouvrage.

À la suite d’une revue exhaustive des spécificités de chacun des signaux de géopositionnement, une liste des techniques de poursuite de ces signaux est classifiée. Ces informations imposent les requis d’architecture des canaux universels visés, qui sont morcelés en trois et répartis en autant d’articles : 1) acquisition dans le domaine fréquentiel, 2) poursuite par corrélation avec une réplique local fidèle et 3) augmentation de la solution avec corrections différentielles. Viennent ensuite différents outils d’analyse et de configuration du récepteur pour en faire une plate-forme de développement flexible et efficace, dont le décodage des messages de navigation, différentes approches du calcul du rapport de signal à bruit et un niveau variable de quantification du signal entrant.

Puisque le projet est ambitieux, la validation est basée sur de l’expérimentation avec des signaux réels, évitant ainsi le recours à l’élaboration additionnelle de simulateurs complexes de différentes constellations multifréquentielles. Les impacts et retombées de cette recherche gratifiée d’un brevet sont considérables, surtout avec la croissance exponentielle du marché de l’électronique mobile et portable.

Cet ouvrage s’ouvre sur une vieille problématique renouvelée, à savoir la sélection de signaux (plutôt que celle des satellites). Celle-ci est ravivée par la mise à profit des canaux universels pour minimiser le temps d’acquisition tout en maximisant la robustesse de la solution par le passage progressif des anciens signaux aux plus récents. De surcroît, cette flexibilité des canaux pave la voie des récepteurs cognitifs et tactiques en leur permettant de s’adapter à leur environnement ou condition fréquentielle.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 191-202.
Mots-clés libres: Récepteurs GPS. Commande robuste. Traitement du signal. Satellites artificiels en navigation. architecture, global, navigation, satellite, système GNSS, acquisition, poursuite, augmentation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Landry, René Jr.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 janv. 2016 16:14
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:53
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1605

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