Développement d’un récepteur ouvert GNSS multi-constellations à usage pédagogique

Pendant plusieurs décennies, le GPS a été le seul système de positionnement par satellite offrant une couverture mondiale. En 2011, le système russe de radionavigation GLONASS a commencé à proposer lui aussi un service à l’échelle planétaire. En outre, la Chine et l’Europe déploient actuellement leurs propres systèmes de positionnement par satellite (respectivement Compass et Galileo). Deux satellites Galileo supplémentaires ont d’ailleurs été lancés le 12 octobre 2012.

Multi-constellations et multifréquences pour de meilleures performances

La multiplication des systèmes de radionavigation offre une augmentation conséquente du nombre de satellites disponibles ainsi du nombre de fréquences utilisées. Pour les utilisateurs, cela se traduit par une amélioration significative de la précision du positionnement et de la disponibilité du service.

Nouveaux défis technologiques

La coexistence de ces systèmes GNSS offre donc une amélioration incontestable des performances de positionnement. Elle ajoute également de nouveaux défis technologiques, tant au niveau de la conception de matérielle des récepteurs (multifréquences, frontaux et bande passante, etc.) qu’au niveau des algorithmes de traitement du signal (p. ex., acquisition ou suivi). En outre, les systèmes GNSS occupent une place de plus en plus importante dans notre vie quotidienne.

Compréhension et formation

Compte tenu de ces nouveaux défis, les besoins en termes de formation GNSS sont importants en Europe. C’est ainsi que l’ENAC, en partenariat avec l’Universität der Bundeswehr München, Politecnico di Torino, et d’autres, a mis en place un master en GNSS. Ce master est soutenu par l’Union européenne à travers le projet G-Train (7th Framework Programme, Grant Agreement No. 248016). C’est dans ce contexte que M3 Systems et l’ENAC ont uni leurs efforts pour développer un outil pédagogique permettant aux experts de demain que sont les étudiants d’aujourd’hui de plonger au cœur même des algorithmes de traitement GNSS. Cet outil est un récepteur logiciel ouvert multi-constellations et multifréquences. Il est entièrement compatible avec la plupart des systèmes GNSS existants (et leurs fréquences respectives), tout en offrant une liberté totale en ce qui concerne le paramétrage des algorithmes. Comparé à un récepteur matériel traditionnel, ce récepteur logiciel peut non seulement implémenter des algorithmes de traitement du signal complexes, mais aussi offrir une flexibilité totale aux utilisateurs.

Frontal RF, acquisition et suivi

Les architectures de récepteur GNSS sont généralement composées de trois blocs fonctionnels. La solution développée se concentre sur les deux blocs effectuant le traitement du signal : le frontal RF et les fonctions d’acquisition et de suivi. Le frontal RF filtre et amplifie le signal haute fréquence. Ensuite, le signal est converti en fréquence intermédiaire avant d’être échantillonné. Les fonctions d’acquisition et de suivi permettent d’extraire les mesures de phase et de gamme et de démoduler des messages de navigation.

Une radio logicielle utilisant un NI USRP-2920 comme frontal RF

Grâce à sa large gamme de fréquences centrales réglables (50 MHz à 2,2 GHz) et sa bande passante (jusqu’à 20 MHz), le NI USRP-2920 offre un équilibre parfait entre performances, flexibilité et coût pour les applications GNSS pédagogiques. Une fois numérisées, les données I/Q sont traitées par le récepteur logiciel. Ce récepteur ouvert est presque entièrement configurable. Avec un tel outil, les utilisateurs peuvent accéder aux données tout au long de la chaîne de traitement. Ces données sont affichées à l’aide d’une application d’interface homme-machine (IHM) NI LabVIEW qui contrôle les systèmes et permet aux utilisateurs de modifier leurs paramètres. L’utilisation du NI USRP-2920 comme frontal pour les signaux GNSS ne présente que deux contraintes. Premièrement, la puissance des signaux GNSS est 45 fois inférieure à celle du bruit thermique. Malgré le gain interne du NI USRP™ (jusqu’à 25 dB) et l’utilisation d’une antenne active (comme un Ublox ANN-MS-0-005 avec un gain d’environ 27 dB, ou un Septentrio PolaNt MC avec un gain de 39 dB), il s’avère nécessaire d’utiliser un préamplificateur (un ZX60-33LN-S+ offrant un gain de 18 dB dans notre cas).

Deuxièmement, il est nécessaire de renforcer la stabilité de fréquence et de phase de l’horloge USRP en utilisant une référence externe. Nous avons utilisé un temps de référence fourni par un GPS externe pour synchroniser l’USRP. Il est important de noter que tout générateur de fréquence 10 MHz de haute qualité (comme un oscillateur à cristal contrôlé par four avec une stabilité thermique d’environ 0,005 ppm) pourrait fonctionner.

Une solution NI USRP, ORUS et LabVIEW

La fonction RF se compose d’une antenne active, d’un préamplificateur et de la radio logicielle NI USRP-2920 synchronisée à une référence de temps externe. Le bloc d’acquisition et de suivi est assuré par un récepteur logiciel ouvert (ORUS) entièrement configurable développé par M3 Systems. Une application LabVIEW de commande et contrôle gère l’ensemble du système et affiche les données du processus. L’acquisition et le suivi des signaux GPS et Galileo ont été effectués avec succès à l’aide la solution développée. En utilisant les données disponibles, il est possible d’analyser les sorties de corrélation I et Q, les sorties de discriminateur, la phase et le Doppler.

Future implémentation du FPGA

L’étape suivante consiste à ajouter le bloc fonctionnel de navigation à la solution afin de pouvoir calculer la position, la vitesse et le temps. Ensuite, un système réciproque de génération de signaux GNSS multi-constellations et multifréquences sera développé à l’aide d’USRP de NI pour fournir un récepteur ouvert complet et un outil générateur à usage pédagogique et de recherche. Dans un deuxième temps, nous avons l’intention d’implémenter le récepteur logiciel dans l’environnement de développement LabVIEW FPGA pour obtenir une solution GNSS ouverte temps réel pouvant être utilisée sur diverses plates-formes NI telles que NI FlexRIO ou le transcepteur de signaux vectoriels.

Informations sur l’auteur :

Olivier DESENFANS
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