Un ricevitore Gnss aperto multi-costellazione per scopi didattici

AEROSPAZIO & DIFESA –

La collaborazione tra Enac, M3 Systems e National Instruments ha portato allo sviluppo di un sistema satellitare globale di navigazione multi-costellazione configurabile per la ricerca e per scopi didattici.

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 sistemi di posizionamento satellitare (Compass e Galileo) e altri due satelliti Galileo sono stati lanciati nel 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 di successo

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, 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. 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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