Optimalizace příjmu multi-konstelačních signálů družicové navigace

Abstract

Disertační práce se zabývá akvizicí, česky zachycením, signálů družicové navigace (GNSS). Tedy počátečním hrubým odhadem parametrů, časového zpoždění a Dopplerova posunu, jejich signálů. Práce cílí na využití algoritmu paralelního prohledávání v kódu (PCS) pro výpočet zobecněné korelační funkce (CAF) moderních GNSS signálů se sekundárním kódem (tzv. stupňovité signály) a periodou primárního kódů delší, než je jednorázová výpočetní délka PCS algoritmu, realizovaného pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT) s omezenou délkou. Práce rozebírá metody částečné korelace (PCM) period primárního kódu použitím PCS algoritmu, nekoherentní i koherentní kombinování těchto částečných korelací, i metody doplňování nul (SBZP a DBZP). Práce popisuje jejich použití na stupňovitém signálu, kde částečná korelace, doplňování nul, přítomnost a neznámá poloha změny bitů sekundárního kódu signálu působí vznik fragmentů a ztrát ve výsledné CAF. Tyto účinky jsou způsobeny cyklickou vlastností použité korelační funkce a omezují využití jinak efektivní PCS metody pro tyto GNSS signály. Omezení podobných PCS metod, i založených na modifikovaném DBZP, neumožnuje jejich práci přes sekundární kód signálu. Práce tyto efekty analyzuje v obou doménách (časového zpoždění a Dopplerova posunu) vypočítané CAF. Na základě této analýzy pak optimalizuje a odvozuje vlastní modifikaci koherentní PCM metody s modifikovaným SBZP (mSBZP). Tato metoda zpracování potlačuje fragmenty a ztráty v CAF, má optimální, nulové ztráty zpracováním, umožnuje akceptování znaménka přítomného sekundárního kódu a tak konstrukci sdruženého PCS estimátoru primárního a sekundárního kódu. Sdružený estimátor tak může pracovat, prohledávat primární kód stupňovitého GNSS signálu pomocí mSBZP PCM PCS algoritmu. To znamená mnohem efektivněji, než kvůli výše uvedeným obtížím na tyto signály dosud užívaný pomalý algoritmus sekvenčního prohledávání. Práce dále optimalizuje metodu pre-korelačního zpracování (mPCA) sekundárního kódu. To je metodu, umožňující navýšit koherentní integrační čas před samotným výpočtem mSBZP PCM PCS algoritmu. Tak umožnuje ještě větší úsporu výpočetních zdrojů. Výsledky metod jsou prezentovány a porovnávány odpovídajícími metrikami, též křivkami pravděpodobnosti detekce a provozní charakteristikou přijímače (ROC).

The thesis is devoted to GNSS signal acquisition, the initial rough estimation of signal parameters, the code phase, and the Doppler shift. The work focuses on the Parallel code search algorithm (PCS) for computation of the Cross-correlation ambiguity function (CAF) of modern tiered GNSS signals. These signals are equipped with the secondary code and the primary code with a period longer than an available PCS algorithm using the Fast Fourier transform algorithm (FFT) of limited length. A chosen approach focuses on the Partial correlation method (PCM) of primary code period PCS processing, coherent and noncoherent PCM combining, and the Single block (SBZP) and the Double block (DBZP) zero padding methods. Their utilization, together with tiered signals with a not-known edge position and sign of its secondary code, causes fragments and losses in resulting CAF. The cyclic property of computed CAF is the origin of these effects. Thus, the utilization of the PCS algorithm for modern tiered signals is limited. Similar problems also limit other PCS algorithms, like the modified DBZP, for its usage on tiered signals. The thesis investigates and presents an analysis of these effects in the code phase domain and the Doppler shift domain of the CAF. Then, a novel modified SBZP (mSBZP) coherent combining PCM PCS algorithm is presented based on this analysis. The algorithm suppresses fragments, losses, and is optimal for its zero processing loss. The algorithm also enables us to accept the secondary code bit sign for its coherent processing, and its utilization as a joint primary and secondary code phase estimator. It is more effective than a joint sequential search that has been used due to the PCS algorithm problems mentioned above so far. The other objective is a modified pre-correlation coherent accumulation (mPCA) method and its utilization for a pre-correlation secondary code processing. The method enables an extension of the coherent integration time in front of the mSBZP PCM PCS algorithm calculation. It saves computational resources. The results are presented and compared using the detection metrics and the Receiver operating characteristic (ROC).