Olivier DESENFANS, M3 Systems
Développer un récepteur GNSS multi-constellation (GPS, Galileo, Glonass) entièrement paramétrable qui permette à l’utilisateur de plonger au cœur des algorithmes de traitement du signal, dans un objectif pédagogique et de recherche.
Utiliser une application NI LabVIEW de contrôle/commande pour piloter une radio logicielle NI USRP-2920 et encapsuler les fonctions d’un récepteur logiciel GNSS.
Pendant de nombreuses années, le système GPS a été le seul système de positionnement par satellite offrant une couverture globale. Depuis 2011, le système russe Glonass offre lui aussi un service à l’échelle planétaire. En outre, la Chine et l’Europe déploient actuellement leur propre système de positionnement par satellite baptisé respectivement Compass et Galileo. Ce 12 octobre 2012, l’Europe a d’ailleurs placé deux satellites Galileo supplémentaires en orbite.
La multiplication des systèmes de positionnement offre une augmentation conséquente du nombre de satellites disponibles ainsi qu’une diversification des fréquences utilisées. Pour l’utilisateur, cela se traduit par une amélioration significative au niveau de la précision du positionnement et de la disponibilité du service, quelle que soit la région où il se trouve.
La coexistence de ces systèmes GNSS (Global Navigation Satellite System) offre donc des opportunités certaines en termes de qualité du positionnement, mais elle offre aussi de nouveaux défis technologiques tant au niveau de la conception matérielle des récepteurs (ex. : étage d’entrées multifréquences, bande passante, etc.) qu’au niveau des algorithmes de traitement du signal (ex. : acquisition et poursuite des satellites). À ceci, il faut ajouter que l’utilisation des systèmes GNSS occupe une place de plus en plus importante dans nos vies courantes (aussi bien de par le nombre d’applications qui les utilisent que de par le caractère critique de ces applications).
Compte tenu de ces nouveaux défis, les besoins en termes de formation sont criants 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, avec le soutien de l’Europe, un master en GNSS qui a débuté en septembre 2011 (G-Train project, 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 et de recherche permettant aux experts de demain que sont les étudiants d’aujourd’hui, de plonger au cœur même du traitement du signal. Cet outil leur offre la plus grande flexibilité possible tant au niveau de la compatibilité avec les différentes constellations GNSS et leurs différentes fréquences, qu’au niveau du paramétrage des algorithmes de traitement du signal. Nous avons donc mis au point un récepteur logiciel ouvert multi-constellation multifréquence. En comparaison de la version matérielle traditionnelle, le récepteur logiciel permet non seulement d’implémenter des algorithmes de traitement plus compliqués, mais il offre surtout une flexibilité totale à l’utilisateur.
Sur les trois blocs fonctionnels que compte généralement un récepteur GNSS, la solution développée se concentre uniquement sur les deux qui relèvent directement du traitement du signal : l’étage d’entrée RF et le bloc d’acquisition et de poursuite. Le premier a pour fonction de filtrer et amplifier le signal haute fréquence entrant et de le convertir en une fréquence intermédiaire plus basse, avant de l’échantillonner pour la suite du traitement. Le second permet d’extraire les mesures de phase et de distance, ainsi que les messages de navigation (i.e., almanachs et éphémérides des satellites).
Grâce à sa large gamme de fréquences (50 MHz - 2,2 GHz), et sa bande passante (jusqu’à 20 MHz), l’USRP-2920 constitue un parfait compromis entre performances, flexibilité et coût pour les applications GNSS à usage pédagogique ou de recherche. Une fois les données I/Q numérisées, elles sont traitées par le récepteur logiciel qui offre à l’utilisateur une architecture ouverte presque entièrement paramétrable. L’utilisateur a donc accès à l’ensemble des observables tout au long de la chaîne de traitement du signal.
Il convient de relever deux contraintes liées à l’utilisation de l’USRP-2920 comme étage d’entrée RF dans le cas de signaux GNSS. Premièrement, les signaux GNSS reçus ont une puissance environ 45 fois inférieure au bruit thermique. Malgré le gain interne offert par l’USRP (jusqu’à 25 dB), et l’utilisation d’une antenne active (Ublox ANN-MS-0-005 d’un gain d’environ 27 dB, ou Septentrio PolaNt MC d'un gain d’environ 39 dB), il s’avère nécessaire d’ajouter un pré-ampli (un ZX60-33LN-S+ offrant un gain de 18 dB dans notre cas) avant l’étage d’entrée.
Deuxièmement, il est aussi nécessaire de fournir une référence de temps externe à l’USRP pour améliorer la stabilité en fréquence et en phase nécessaire pour les applications GNSS. Dans notre cas, nous avons asservi l’oscillateur de l’USRP grâce à une référence de temps fournie par un récepteur GPS externe. Il faut toutefois noter qu’un simple générateur de fréquence 10 MHz de qualité (type OCXO d’une stabilité thermique de l’ordre de 0,005 ppm) aurait tout aussi bien rempli ce rôle.
En résumé, l’étage d’entrée RF se compose d’une antenne active, d’un pré-ampli et d’une radio logicielle NI USRP-2920 (asse rvie à une référence de temps externe). Le bloc d’acquisition et de poursuite fait appel à un récepteur logiciel (ORUS) ouvert et entièrement paramétrable ; mis au point par M3 Systems. Le tout est piloté et paramétré par une application de contrôle/commande développée avec NI LabVIEW, qui permet d’afficher les observables.
Le dispositif développé a permis de réaliser avec succès l’acquisition et la poursuite de signaux GPS et Galileo. Il est possible d’observer, entre autres, la sortie des corrélateurs des voies I et Q, la sortie de discriminateur, la phase et le Doppler générés localement, etc.
Dans un avenir très proche le système va évoluer afin d’englober le bloc fonctionnel de navigation et ainsi permettre le calcul de la position, de la vitesse et du temps. Ensuite, un système similaire de génération de signaux GNSS multifréquences et multi-constellations sera développé afin de fournir une offre complète Générateur/Récepteur ouverts à usage pédagogique et de recherche.
Dans une seconde étape, nous prévoyons de transférer le récepteur logiciel sous l’environnement LabVIEW FPGA afin d’obtenir une solution d’analyse temps réel portable sur différentes plates-formes NI, telles que NI FlexRIO ou VST (transcepteur de signaux vectoriels) par exemple.
Novembre 2012
Olivier DESENFANS
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