Un ricevitore Gnss multi-costellazione

AEROSPAZIO –

M3 Systems ha sviluppato un sistema satellitare di navigazione multi-costellazione configurabile per la ricerca e per scopi didattici, realizzando un’applicazione di comando e controllo basata su LabView.

Per
decenni il Gps è stato l'unico sistema di posizionamento satellitare globale
disponibile. Nel 2011, il sistema di navigazione russo a segnale radio Glonass
ha iniziato a fornire copertura a livello mondiale. Anche la Cina e l'Europa stanno
realizzando dei sistemi di posizionamento satellitare (Compass e Galileo,) e
altri due satelliti Galileo sono stati lanciati nell'ottobre 2012. Con il
proliferare dei nuovi sistemi di navigazione a segnali radio, il numero dei
satelliti disponibili e delle frequenze utilizzate è aumentato. Dal punto di
vista dell'utente, in termini di accuratezza di posizionamento e disponibilità,
siamo di fronte progressi notevoli. La
compresenza di questi sistemi Gnss produce, senza dubbio, miglioramenti nelle
prestazioni di posizionamento. Aggiunge, per di più, nuove sfide tecnologiche,
sia nella progettazione di ricevitori hardware (multi-frequenza, front-end e
larghezza di banda), che negli algoritmi di elaborazione del segnale
(acquisizione o tracking). I sistemi Gnss, inoltre, rivestono un ruolo sempre
più importante nella nostra vita quotidiana.

Comprendere e formare

Alla luce
di queste nuove sfide, in Europa l'esigenza di una formazione sui Gnss è forte.
Per questo motivo, L'Enac, in collaborazione con l'Universitaet der Bundeswehr di
Monaco, il Politecnico di Torino e altri, ha istituito un master europeo dedicato
ai Gnss, sostenuto dall'Unione Europea mediante il progetto G-Train. L'Enac e
M3 Systems hanno deciso, quindi, di collaborare allo sviluppo di uno strumento
di formazione per gli studenti e i ricercatori, in grado di permettere agli
utenti di approfondire lo studio degli algoritmi di elaborazione dei Gnss.
Hanno così realizzato un ricevitore software aperto multi-frequenza e
multi-costellazione. Completamente compatibile con la maggior parte dei sistemi
Gnss esistenti (e le rispettive frequenze), garantisce una libertà completa,
rispettando la parametrizzazione degli algoritmi. Rispetto a un normale
ricevitore hardware, questo software è in grado di implementare algoritmi di
elaborazione del segnale complessi e offrire una flessibilità completa agli
utenti.

Front-end Rf,
acquisizione e tracking

Solitamente,
le architetture dei ricevitori Gnss si compongono di tre blocchi funzionali. La
soluzione realizzata si concentra sui due blocchi che eseguono l'elaborazione
del segnale - il front end Rf e le funzioni di acquisizione e tracking. Il
front-end Rf filtra e amplifica il segnale ad alta frequenza. Successivamente,
il segnale viene convertito in una frequenza intermedia più bassa ed, infine,
campionato. Le funzioni di acquisizione e tracking garantiscono l'estrazione
delle misure di range, di fase e la demodulazione dei messaggi di navigazione.

Un trasmettitore definito da software

L'USRP-2920
di National Instruments, grazie alla sua ampia gamma di frequenze centrali regolabili (da 50 MHz a 2.2
GHz) e alla sua larghezza di banda (fino a 20 MHz), offre il perfetto
equilibrio tra rendimento, flessibilità e costi per un'applicazione Gnss di
tipo didattico. Una volta digitalizzati, i dati I/Q vengono elaborati dal
ricevitore software. Questo ricevitore aperto è quasi del tutto configurabile e
gli utenti hanno la possibilità di accedere ai dati durante tutte le fasi di
elaborazione. I dati vengono visualizzati mediante un'applicazione Hmi sviluppata
in LabView, che controlla i sistemi e su cui gli utenti possono modificare i
parametri. Utilizzando USRP-2920 come front-end per i segnali Gnss si hanno
soltanto due limitazioni. La prima riguarda la potenza dei segnali Gnss, 45 volte
inferiore a quella del rumore termico. Nonostante il guadagno interno di USRP
(fino a 25 dB) e l'impiego di un'antenna attiva è necessario aggiungere un
preamplificatore. In secondo luogo, è necessario aumentare la frequenza e la
stabilità di fase del clock USRP mediante un riferimento esterno. Abbiamo usato
un tempo di riferimento fornito da un Gps esterno per sincronizzare l'USRP. È
importante notare che qualsiasi generatore di frequenza da 10 MHz di alta
qualità (come un oscillatore a cristallo controllato in temperatura con una
stabilità termica di circa 0,005 ppm) potrebbe funzionare.

Una soluzione LabView, Orus e USRP

La
funzione Rf consiste in un'antenna attiva, un preamplificatore e il
trasmettitore definito da software USRP-2920, sincronizzato con un riferimento
temporale esterno. Il blocco di acquisizione e tracking è garantito da un
ricevitore software aperto completamente configurabile (Orus), realizzato da M3
Systems. Un'applicazione di comando e controllo in LabView controlla l'intero
sistema e visualizza i dati del processo. Con la soluzione realizzata l'acquisizione
e il tracking dei segnali Gps e Galileo sono stati eseguiti con successo.
Utilizzando i dati disponibili, è possibile analizzare le uscite di
correlazione I e Q, le uscite del discriminatore, la fase e il doppler.

Implementazione futura con Fpga

Il passo
successivo è aggiungere alla soluzione il blocco funzionale di navigazione,
così da calcolare la posizione, la velocità e il tempo. Sarà, inoltre,
sviluppato un sistema reciproco per generare il segnale Gnss multi-frequenza e
multi-costellazione, utilizzando USRP per fornire un ricevitore aperto completo
e uno strumento generatore per le attività di ricerca e formazione. Come
secondo step, intendiamo implementare il ricevitore software nell'ambiente di
sviluppo LabView Fpga per ottenere una soluzione Gnss aperta, real-time da
utilizzare su diverse piattaforme NI, come FlexRIO o Vector Signal Transceiver.

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