PROCEDE D'ACQUISITION D'UN SIGNAL DE RADIONAVIGATION PAR SATELLITE
L'invention concerne un procédé d'acquisition de signaux radioélectriques notamment ceux émis par les systèmes de positionnement par satellite de type GPS (Global Positioning System), Galileo, GLONASS (Global Navigation Satellite System, définition russe).
Les systèmes de positionnement par satellites mettent en œuvre, pour une localisation, plusieurs satellites transmettant des signaux radioélectriques et un récepteur placé à la position à localiser estimant les distances dites pseudo-distances, qui le séparent des satellites à partir des temps de propagation des signaux des satellites captés et effectuant la localisation par triangulation. Plus les positions des satellites sont connues avec précision du récepteur et plus les mesures des pseudo-distances faites par le récepteur sont précises, plus la localisation obtenue est précise.
Les positions des satellites sont déterminées à partir d'un réseau de stations sol de poursuite indépendant des récepteurs de positionnement. Elles sont communiquées aux récepteurs de positionnement par les satellites eux-mêmes par transmission de données. Les pseudo-distances sont déduites par les récepteurs de positionnement des retards apparents présentés par les signaux reçus par rapport aux horloges des satellites qui sont toutes synchrones.
Si la précision de la connaissance des positions des satellites du système de positionnement est indépendante des performances d'un récepteur de positionnement, ce n'est pas le cas de celle des mesures de pseudo-distance qui dépend de la précision des mesures de temps de propagation des signaux, au niveau du récepteur.
Les signaux radioélectriques émis par des satellites parcourant de grandes distances, et étant émis avec des puissances limitées, parviennent avec de très faibles puissances aux récepteurs, noyés dans un bruit radioélectrique dû à l'environnement physique. Pour faciliter leurs réceptions on a cherché à les rendre le moins sensible possible aux parasites à bande étroite, en augmentant leurs largeurs de bande au moyen de la technique de la bande étalée.
Les signaux émis par les satellites sont formés par modulation de la porteuse du signal avec un code d'étalement formée par une séquence binaire pseudo-aléatoire. Ainsi, les signaux satellites permettent deux types de mesure afin de localiser le récepteur. De plus, la modulation de la porteuse par un code d'étalement étale le spectre, ce qui accroît la résistance du système au brouillage. Et, en outre, cela permet de dissocier les satellites (en utilisant un code différent par satellite).
En réception, les informations binaires contenues dans un signal radioélectrique de satellite d'un système de positionnement sont extraites par deux démodulations effectuées de manière simultanée, une première démodulation à l'aide d'une porteuse engendrée localement par un oscillateur piloté par une boucle de poursuite en fréquence ou en phase dite PLL (sigle tiré de l'anglo-saxon : "Phase Lock Loop") permettant de transposer le signal reçu en bande de base et une deuxième démodulation à l'aide de la séquence binaire pseudo-aléatoires engendrée localement par un générateur de séquence binaire pseudo-aléatoire piloté par une boucle de poursuite de code dite DLL (sigle tiré de l'anglosaxon : Delay Lock Loop) permettant de désétaler le signal reçu.
Les temps de propagation des signaux reçus se manifestent, en réception, par des retards affectant les séquences binaires pseudo-aléatoires présentes dans les signaux reçus et la porteuse modulant le signal reçu.
Les retards affectant les séquences binaires pseudo-aléatoires sont accessibles, modulo la période d'un de leurs séquences binaires, au niveau des signaux d'asservissement des boucles de poursuite en code ou DLL. Les retards constatés par ces boucles permettent des mesures non ambiguës ou faiblement ambiguës, des temps de propagation des séquences binaires pseudo-aléatoires car le nombre de séquences pseudoaléatoires entières s'écoulant pendant les trajets des signaux est relativement petits. On parle de mesures de code. Généralement la modulation utilisée dans les systèmes de navigation par satellite est une modulation de type BPSK, « Binary Phase Shift Keying » en langue anglaise ou modulation carrée dont le spectre présente un lobe principal unique avec des lobes adjacents secondaires. Afin d'améliorer les performances de navigation, entre autres tenue aux brouillages et précision de mesure de la position du récepteur, les nouveaux
systèmes de navigation par satellite proposent d'utiliser une modulation de type BOC « Binary Offset Carrier » en langue anglaise, ou modulation sur porteuse a double décalage, dont le spectre présente deux lobes principaux écartes La figure 1 a représente un tel spectre de modulation de type BOC et la figure 1b montre la forme de la fonction d'auto-correlation d'un tel signal BOC La modulation de type BOC Deut être préférée a la modulation BPSK car elle permet une utilisation différente de la bande disponible Par exemple, lors d'applications militaires, cela permet de récupérer de l'énergie lorsque la bande utilisée par la modulation BPSK au centre est brouillée Pour des applications civiles, elle rend le système de radionavigation compatible aux systèmes américains qui utilisent des bandes différentes De plus, avec la modulation de type BOC, les performances du récepteur sont améliorées car le spectre est plus étale
Chaque signal émis par un satellite visible et reçu par l'antenne doit être démodulé par le récepteur, afin d'en déduire une mesure de temps de propagation, de Doppler, et éventuellement de données transmises
La démodulation consiste a asservir un signal génère localement, image du signal reçu en provenance du satellite considère caractérise par un code d'étalement propre et une porteuse, en recherchant le maximum de corrélation entre ce signal reçu et le signal local
L'asservissement est réalise par une boucle de porteuse, qui pilote la phase de la porteuse locale, et par une boucle de code qui pilote la position (ou phase) du code local La boucle de porteuse mesure un écart de phase de porteuse entre le signal local et le signal reçu grâce a la corrélation avec un signal local en quadrature de porteuse La boucle de code mesure un écart de phase de code entre le signal local et le signal reçu grâce a la corrélation avec des signaux locaux module par des codes dérives (avance, retard ou delta)
Des que l'asservissement a converge, les mesures de Doppler et de temps de propagation sont élaborées a partir respectivement de la fréquence de la porteuse locale et de la position du code local
Les erreurs de mesure proviennent de la présence dans le signal reçu Sr, en plus du signal utile du satellite considère, des signaux des autres satellites et des bruits d'origines diverses (thermique, quantification,
interférences etc.) qui perturbent l'asservissement et induisent des erreurs de synchronisation entre le signal local et le signal reçu.
Le but de la phase d'acquisition est d'initialiser le fonctionnement des boucles de poursuite, car au début on ne connaît pas précisément ni la position du code reçu, ni la valeur du Doppler. Or les boucles ne fonctionnent que si la position du code et le Doppler sont proches de celle du signal utile du satellite considéré. Si un des écarts est trop grand la corrélation nulle ne donne plus d'information (pas d'énergie détectée E), et l'asservissement ne peut plus fonctionner. Pour cela, on effectue lors d'une première phase dite d'acquisition une recherche d'un pic de corrélation entre le signal local et le signal reçu, dans un espace à deux dimensions, en essayant plusieurs hypothèses sur la phase du code et sur la valeur du Doppler, avec un pas d'échantillonnage suffisamment fin pour ne pas manquer le pic. Une fois qu'un pic a été trouvé, on affine la recherche du code et du Doppler en diminuant le pas d'échantillonnage, autour du pic détecté. Quand la précision obtenue est jugée suffisante on ferme les boucles, qui convergent vers le maximum de corrélation : on passe alors en phase de poursuite.
La figure 2 montre le synoptique d'un récepteur de positionnement par satellite de l'état de l'art lors d'une première phase d'acquisition avec un signal reçu de type BPSK. Le récepteur comporte une voie de corrélation de porteuse 10 en phase et en quadrature entre le signal reçu Sr et deux respectives porteuses locales Fi, FQ. Ces porteuses locales en quadrature (sin, cos) sont générées par un oscillateur à commande numérique de porteuse 12 (NCO p) du récepteur.
Les signaux I, Q en sortie de la voie de corrélation de porteuse sont ensuite corrélés dans une voie de corrélation de code 16 avec le code local, ponctuel et delta, fourni par un oscillateur de porteuse de code NCO c à commande numérique 18 et un générateur de code local Gc 19. Les signaux en sortie des voies de corrélation de code 16 sont ensuite intégrés par un respectif intégrateur de code 20, 22 pour fournir des signaux lP et QP à une détection d'énergie DEng 24 pour la détection de l'acquisition du signal
La somme des énergies fournies par les voies de corrélation du récepteur de la figure 2 est donnée par la relation :
E = Σ (lP 2 + QP2) La détection du signal est considérée comme obtenue lorsque cette énergie E dépasse un seuil d'énergie prédéterminé SI.
Néanmoins, la modulation de type BOC comporte des inconvénients. En effet, l'acquisition d'un signal de type BOC est plus difficile que celle un signal de type BPSK à cause des oscillations de la fonction d'auto-corrélation. D'une part, les zéros z de la fonction d'auto-corrélation (voir la figure 1 b) risquent d'engendrer des détections manquées (pas d'énergie détectée). D'autre part, les pics p multiples induisent une ambiguïté, lorsque l'on cherche à s'asservir sur un maximum local de corrélation, qu'il faut résoudre par la suite.
Une solution pour pallier cet inconvénient consiste à ne traiter qu'un seul lobe principal Lb après filtrage analogique. La figure 3a montre le spectre du signal résultant après filtrage et la figure 3b la fonction d'auto- corrélation résultante après décentrage de la fréquence locale. Le traitement d'un seul lobe permet de récupérer une fonction de corrélation sans oscillation. Cependant, cette solution conduit à une perte de la moitié de l'énergie du signal, ce qui augmente d'autant le seuil d'acquisition. En outre cela oblige à filtrer le signal et à revoir le traitement du signal (porteuse décentrée)
Afin de pallier les inconvénients des récepteurs de radionavigation de l'état de l'art, l'invention propose un procédé d'acquisition de signaux radioélectriques émis notamment par un système de positionnement par satellites comportant au moins une sous-porteuse, l'acquisition des signaux s'effectuant par un récepteur ayant :
- une voie de corrélation de porteuse, en phase et en quadrature entre le signal reçu et deux respectives porteuses locales en phase et en quadrature générées par un oscillateur local de porteuse à commande numérique ; - une voie de corrélation de sous-porteuse à partir des signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse avec une sous-porteuse locale ;
- une voie de corrélation de code à partir des signaux en sortie de la voie de corrélation de sous-porteuse avec les codes locaux fournis par un générateur numérique de codes locaux ;
caractérisé en ce que dans une première phase d'acquisition, la voie de corrélation de sous-porteuse comporte deux voies en phase et en quadrature entre les signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse et deux respectives sous-porteuses locales en phase et en quadrature par rapport au code local générées par un oscillateur local de sous-porteuse à commande numérique, le récepteur étant configuré de façon à ce que dans cette première phase d'acquisition des signaux on effectue une recherche d'énergie par la détection d'un pic de corrélation.
Dans une variante du procédé d'acquisition selon l'invention, le récepteur est configuré de façon à ce que dans la première phase d'acquisition des signaux, la phase de la sous-porteuse du signal reçu soit éliminée en sommant les puissances en phase et en quadrature de sous- porteuses en sorties de voies de corrélation puis de la même façon on effectue une recherche d'un pic de corrélation non ambigu. Dans une deuxième phase d'acquisition du signal reçu on réalise un asservissement des boucles à partir des sorties des corrélateurs faisant converger le code local vers le maximum du pic de corrélation de code, indépendamment de la sous porteuse.
L'idée nouvelle est d'éliminer la sous-porteuse de la même manière que l'on élimine la porteuse, après intégration cohérente, par sommation des énergies recueillies sur les voies de corrélation en phase et en quadrature. A cet effet on génère deux sous-porteuses locales en phase et en quadrature en plus des deux porteuses locales en phase et en quadrature et des codes locaux (ponctuel, avance, retard ou delta). Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre selon deux méthodes :
- dans une première méthode le code local et la sous-porteuse locale sont synchrones. La phase de la sous-porteuse locale est un multiple du code local. Les deux phases sont issues du même oscillateur local à commande numérique (NCO) commandé en vitesse et fonctionnant en intégrateur.
- dans une deuxième méthode, le code local et la sous-porteuse locale sont asynchrones.
Le récepteur fournit en outre, de façon connue, à partir des signaux intégrés en sortie de la voie de corrélation de code, les vitesses de
porteuse, de sous-porteuse et de code pour commander les respectifs oscillateurs a commande numérique générant les porteuses, sous-porteuses et codes locaux
L'invention sera mieux comprise a l'aide d'exemples de lealisations de récepteurs mettant en œuvre le procède d'acquisition selon l'invention, en référence aux dessins annexes, dans lesquels
- les figures 1 a et b, déjà décrites, montrent respectivement un signal de type BOC et la fonction d'auto-correlation d'un récepteur de l'état de l'art , - la figure 2, déjà décrite montre le synoptique d'un récepteur de positionnement par satellite de l'état de l'art lors de la phase d'acquisition ,
- les figure 3a et 3b, déjà décrites, montrent respectivement le spectre du signal de type BOC après filtrage d'un des lobes et la fonction d'auto-correlation résultante après décentrage de la fréquence locale , - la figure 4 montre le synoptique d'un récepteur selon I invention pendant la phase d'acquisition ,
- les figures 5a, 5b montrent respectivement le code reçu de type BPSK sans modulation par la sous-porteuse et le code reçu de type BOC avec la modulation par la sous-porteuse du récepteur de la figure 4 , selon l'invention ,
- les figures 5c 5d et 5e montrent respectivement le code local et les deux sous-porteuses locales en phase et en quadrature du récepteur de la figure 4 , selon l'invention ,
- les figures 5f, 5g et 5h représentent respectivement la fonction d'auto-correlation avec la sous-porteuse en phase, avec la sous-porteuse en quadrature et l'enveloppe de la détection d'énergie en sortie des voies de corrélation ,
- la figure 6 montre des courbes représentant la phase du code local Φc en fonction du temps t dans la phase d'acquisition du récepteur selon l'invention ,
- la figure 7 montre un autre récepteur, selon l'invention, avec un code local et des sous-porteuses locales asynchrones ,
- la figure 8 montre le récepteur de la figure 4 lors de la phase de transition vers la poursuite dans le cas ou le code local et la sous-porteuse locale sont synchrones ,
- la figure 9 montre un récepteur, selon l'invention, comportant trois oscillateurs à commande numérique lors de la phase de transition vers la poursuite dans le cas où le code local et la sous-porteuse locale sont asynchrones ; - les figures 10 et 11 représente deux récepteurs dans lesquels on réalise indépendamment l'asservissement des phases de porteuse et de sous-porteuse en même temps que le code ;
- la figure 12 montre un récepteur dans une phase finale de poursuite sans élimination de la sous- porteuse ; - la figure 13 montre une variante du récepteur de la figure 12 ;
- la figure 14a montre le pas minimum P 1 nécessaire au balayage de code pour obtenir une détection d'énergie avec élimination de la sous- porteuse ;
- la figure 14b montre le pas minimum P2 nécessaire sans élimination de la porteuse.
Nous allons, par la suite, décrire des récepteurs mettant en œuvre le procédé d'acquisition d'un signal BOC selon l'invention et par les deux méthodes citées précédemment.
La figure 4 montre un récepteur mettant en ouvre le procédé d'acquisition selon l'invention, lors de la réception d'un signal à bande étalée de type BOC, par la première méthode, avec un code local et des sous- porteuses locale synchrones : selon cette première méthode, la phase de la sous-porteuse locale est un multiple du code local. La figure 4 représente les éléments nécessaires pendant la phase d'acquisition. Le récepteur comporte :
- une voie de corrélation de porteuse 30 en phase et en quadrature entre les signaux reçus Sr des satellites de positionnement et deux respectives porteuses locales F|P, FQP. Ces porteuses locales en quadrature (cos, sin) sont générées par un oscillateur à commande numérique de porteuse 32 (NCO p) du récepteur ;
- une voie de corrélation de sous-porteuse 34 en phase et en quadrature entre les signaux IPT et QPT en sortie de la voie de corrélation de porteuse et deux respectives sous-porteuses locales Fis, FQS en phase et en quadrature ;
- une voie de corrélation de code 40 entre les signaux en sortie de la voie de corrélation de sous-porteuse et les codes locaux fournis par le générateur numérique de codes locaux 36.
- un oscillateur de code NCO c 38 pilotant un générateur de sous- porteuses locales Gsp 42 et le générateur de codes locaux Gc 36 ;
- une détection d'énergie 44 des signaux II , IQP, Q|P, QQP en sortie de la voie de corrélation de code après intégration par des respectifs intégrateurs 46, 47, 48, 49.
Nous allons, par la suite, décrire le fonctionnement du récepteur. Les figures 5a, 5b, 5c, 5d et 5e montrent respectivement le code reçu de type BPSK sans modulation par là sous-porteuse et le code reçu de type BOC avec la modulation par la sous-porteuse, le code local généré par le générateur code local Gc 36 et les deux sous-porteuses locales en phase et en quadrature. Les figures 5f, 5g, 5h, représentent respectivement la fonction d'auto-corrélation avec la sous-porteuse en phase, avec la sous-porteuse en quadrature et l'enveloppe Ev de la détection d'énergie en sortie des voies de corrélation.
Dans une première phase d'acquisition, les signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse 30 comportant la sous-porteuse du signal BOC, sont appliqués à la voie de corrélation de sous-porteuse 34 démodulant la sous-porteuse. Les signaux en sortie de la voie de corrélation de sous-porteuse 34 sont appliqués à la voie de corrélation de code 40 fournissant après intégration les signaux IIP, IQP, Q|P, QQP au détecteur d'énergie 44.
La somme des énergies recueillies sur chacune des voies de sous- porteuse en phase et en quadrature permet de détecter un pic d'énergie unique Pu (voir figure 5h) et non ambiguë identique à celui qu'on aurait avec un signal ne comportant pas de sous-porteuse. La somme des énergies E est donnée par la relation suivante :
E = Σ ( IIP2 + IQP2 + QIP 2 + QQP2 )
La somme E étant une somme non cohérente de plusieurs échantillons sur un temps T multiple d'un temps Te cohérent.
Deux solutions pour trouver l'énergie montrées à la figure 6 :
Première solution : on teste les hypothèses de code en faisant glisser continûment le code local (balayage, courbe Bc de la figure 6). Dans ce cas, la sous-porteuse glisse aussi et il faut une durée d'intégration cohérente inférieure à la durée de balayage d'une portion d'un pic de sous- porteuse (on prendra un quart de longueur d'onde de sous-porteuse) pour ne pas perdre trop d'énergie et réduire la capacité à détecter le signal en environnement bruité.
Deuxième solution : on teste les hypothèses fixes de code, (courbe Bi de la figure 6) en faisant des sauts de phase Δφ (temps Td1 , Td2, Td3,...Tdn) entre les intégrations. Dans ce cas, la phase de sous porteuse reste constante et on n'a pas de perte d'énergie. Les sauts de phase Δφ peuvent être générés en accélérant la vitesse de l'oscillateur local de code (NCO c) sur des durées courtes Δt entre deux intégrations, ou par un autre moyen consistant à changer instantanément la phase en sortie du NCO c et en incrémentant le générateur de code. On effectue un test de détection d'énergie après intégration à chaque incrémentation ou saut de phase Δφ.
La figure 7 montre un autre récepteur mettant en oeuvre le procédé d'acquisition selon l'invention, lors de la réception d'un signal à bande étalée de type BOC, par la deuxième méthode, avec un code local et des sous-porteuses locale asynchrones.
Le récepteur comporte trois oscillateurs, un oscillateur de porteuse locale 50 NCO p commandé numériquement générant les deux porteuses locales FI , FQP en phase et en quadrature pour la voie de corrélation de porteuse 30, un oscillateur de sous-porteuse 52 NCO sp à commande numérique générant, par un générateur de sous-porteuses locales Gsp, les deux sous-porteuses locales F|S, FQS en phase et en quadrature pour la voie de corrélation de sous-porteuse 34 et un oscillateur de code 54 fournissant par un générateur de code Gc le code local de la voie de corrélation de code 40 du récepteur. Le récepteur de la figure 7 comme celui décrit précédemment comporte :
- la voie de corrélation de porteuse 30 en phase et en quadrature entre les signaux reçus Sr des satellites de positionnement et les deux respectives porteuses locales FIP, FQP générées par l'oscillateur à commande numérique de porteuse 50 (NCO p) du récepteur.
- la voie de corrélation de sous-porteuse 34 en phase et en quadrature entre des signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse et les deux respectives sous-porteuses locales F|S, FQS en phase et en quadrature générées par l'oscillateur local de sous-porteuse 52 et de code local à commande numérique ;
- la voie de corrélation de code 40 entre le code du satellite reçu et les codes locaux fournis par le générateur numérique de codes locaux 54.
- une détection d'énergie 44 des signaux l|P, lQP, Q|P, QQP en sortie de la voie de corrélation de code après intégration par des respectifs intégrateurs 46, 47, 48, 49.
Comme décrit précédemment, dans une première phase d'acquisition, les signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse 30 comportant la sous-porteuse du signal BOC, sont appliqués à la voie de corrélation de sous-porteuse 34 démodulant la sous-porteuse. Les signaux en sortie de la voie de corrélation de sous-porteuse sont appliqués à la voie de corrélation de code 40 fournissant après intégration les signaux l|P, lQP, QIP, QQP au détecteur d'énergie DEng 44.
La somme des énergies recueillies sur chacune des voies de sous- porteuse (en phase et en quadrature) permet de détecter un pic d'énergie unique et non ambiguë identique à celui qu'on aurait avec un signal ne comportant pas de sous-porteuse.
La somme des énergies E est donnée par la relation suivante : E = ∑ ( IIP 2 + lQP 2 + Q,p2 + QQP 2 )
La somme E étant une somme non cohérente de plusieurs échantillons sur un temps T multiple d'un temps Te cohérent.
L'acquisition du signal est effectuée en faisant glisser le code pour balayer les hypothèses à tester indépendamment de la phase de la sous- porteuse. Cette dernière est rendue cohérente de la vitesse de phase de porteuse pour tenir compte du Doppler. Dans une variante du récepteur de la figure 7, on économise l'oscillateur local de sous-porteuse et on utilise un seul oscillateur (NCO) pour la porteuse et la sous-porteuse, en divisant la phase de porteuse par le rapport des longueurs d'onde pour obtenir la phase de la sous-porteuse.
Les récepteurs sont configurés pour effectuer les opérations de corrélation suivantes :
l|P = J[nT,(n+1)η Speçu - C0S(φ(t)) . SP|n phase(t) • Cθdθponotuel (t) dt
IQP = J[nT,(π+1)T] SReçu • G0S(φ(l)) . SPQUadrature(t) - Cθdep0nctuel (t) dt
QlP ≈ JinT,(π+1)η SReçu • Sin(φ(t)) SPjn phase(t) - Codeponctuel (t) dt
QQP ≈ J[nT,(n+1)η SReçu • Sin(φ(t)) . SPQuadrat_re(t) - Cθdeponctuel (t) dt Avec
T Durée d'intégration cohérente cos(φ(t)) , sιn(φ(t)) Porteuses locales en phase et en quadrature
SPin p ase , SPouadraiure Sous-porteuse locale en phase et en quadrature
Codep0notuei(t) Code ponctuel local
Pour l'asservissement de la phase du code (transition et poursuite) on effectue la même opération mais avec un code local en avance Cav, en retard Crt, ou « delta >> , le code delta étant le code avance moins le code retard La multiplication étant associative et commutative, on peut réaliser cette opération de plusieurs façons
- on multiplie le signal reçu successivement par la porteuse locale, la sous-porteuse locale puis le code local ,
- on multiplie le signal reçu par le produit de la porteuse locale, la sous-porteuse locale et le code local
- etc
Intégration cohérente et non cohérente Définition •
Intégration cohérente ln = J[nτ,(n+i)T] SReçu(t) . S oCal in phase(t) dt
Qn = J[nT,(n+1)T] Speou(t) SLocal Quadrature(t) dt
Intégration non cohérente E = ∑n _ •) a N ( in 2 + Qn 2 )
Pertes d'énergie : sinc2(ΔD0ppιer.T/2)
Avec :
SLocal In phase(t) = COS(û)t) . SP|π phase(t) . CθdePonctuel (t) S ocal Quadrature (t) = Sin(ωt) . SP|n phase(t) - Cθdeponctuel (t)
ΔDoppier : Erreur de Doppler entre la porteuse locale et la porteuse reçue
La durée d'intégration cohérente T est limitée par le Doppler qui induit des pertes d'énergie. Une durée d'intégration cohérente trop courte induit des pertes quadratiques qui dégradent le rapport signal sur bruit et nécessite un temps d'intégration total (non cohérent) plus long.
Une durée d'intégration longue réduit la largeur du pic en Doppler (en pratique la largeur du pic de Doppler à 3 dB est égale à 1/2T) et oblige donc à traiter plus d'hypothèses Doppler.
Le choix de la durée d'intégration cohérente résulte d'une optimisation du temps de recherche de l'énergie par un compromis entre le temps passé sur chaque hypothèse Doppler et le nombre d'hypothèse Doppler. Dans le cas où on fait glisser la sous-porteuse avec le code il faut tenir compte aussi des pertes d'énergie. La durée d'intégration cohérente peut devoir être réduite si la vitesse de balayage fait parcourir plus d'un quart de tour à la phase de sous-porteuse pendant cette durée d'intégration. D'où l'intérêt de procéder par saut (première méthode) ou de ne pas faire glisser la sous-porteuse (deuxième méthode).
Par la suite, nous allons décrire la phase de transition vers la phase de poursuite des récepteurs. En effet, une fois que de l'énergie a été trouvée, il faut affiner la synchronisation de la fréquence de porteuse et des phases de sous-porteuse et de code local pour pouvoir passer en recherche nominale et bénéficier des avantages de la modulation BOC (précision).
On commence par fermer la boucle de code grâce à des voies de corrélation avance et de corrélation retard.
La figure 8 montre le récepteur de la figure 4 lors de la phase de transition vers la poursuite dans le cas où le code local et la sous-porteuse locale sont synchrones.
Dans cette phase de poursuite, le récepteur de la figure 8 génère, à partir des signaux lιA, IIR, IQA, IQR, QIA, QIR, QQA, QQR, en sortie d'intégrateurs
80 des respectives voies de corrélation de code, à travers un discriminateur de code 90 suivi d'un correcteur de code 92, des commandes à l'oscillateur de code 38 aidé par la vitesse de porteuse Vp.
La vitesse Doppler (Vp) appliquée à l'oscillateur de porteuse contrôlé numériquement (NCO p) 32 est celle trouvée à l'issue de la recherche de l'énergie dans la première phase d'acquisition. Dans ce cas la durée d'intégration cohérente doit être compatible de l'erreur résiduelle de Doppler à l'issue de la phase de recherche d'énergie et aussi de la vitesse de ralliement appliquée à la sous-porteuse.
La figure 9 montre un récepteur comportant les trois oscillateurs à commande numérique 50, 52, 54, lors de la phase de poursuite dans le cas où le code local et la sous-porteuse locale sont asynchrones. Dans cette phase de poursuite, le récepteur de la figure 9 génère, à partir des signaux IIA, IIR, IQA, IQR. QIA, QIR, QQA, QQR, en sortie d'intégrateurs 80 des respectives voies de corrélation de code, à travers un discriminateur de code 90 suivi d'un correcteur de code 92, des commandes à l'oscillateur de code (NCO c) 54 aidé par la vitesse de porteuse Vp. La vitesse Doppler (Vp) appliquée à l'oscillateur de porteuse
(NCO p) 50 et de sous-porteuse (NCO sp) 52 contrôlés numériquement est celle trouvée à l'issue de la recherche de l'énergie dans la phase d'acquisition.
La durée d'intégration cohérente est aussi inchangée. Dans ce cas les vitesses des oscillateurs NCO de porteuse et de sous-porteuse sont identiques. On peut aussi avoir un seul NCO.
Le discriminateur de code fournit un signal :
ε∞dB = ( I|A 2+IQA2+QIA2+ QQA2 - IIR2+IQR2+QIR2+ QQR 2)/Energie
Energie = I|A 2+IQA 2+QIA2+QQA2 + IIR2+IQR2+QIR +QQR2
Les figures 10 et 11 représentent des variantes des récepteurs des figures 8 et 9 respectivement, pour la variante de la figure 10, avec un code local et des sous-porteuses synchrones et, pour la variante de la figure 11 , avec un code local et des sous-porteuses asynchrones. Dans ces variantes, on réalise indépendamment l'asservissement des phases de porteuse et de sous-porteuse en même temps que le code (traitements réalisés en parallèles). L'intérêt de la méthode est d'affiner la mesure du Doppler et de la phase de porteuse pour aider la boucle de code et pouvoir en réduire la bande de prédétection (inverse de la durée d'intégration cohérente) et de bruit. On obtient ainsi une meilleure précision finale du code, ce qui diminue les risque de passer en poursuite BOC nominale sur un pic latéral de la fonction d'auto corrélation induisant un biais sur la mesure.
Dans la variante de la figure 10, (avec un code local et des sous- porteuses synchrones) le récepteur comporte :
- la voie de corrélation de porteuse 30 en phase et en quadrature entre les signaux reçus Sr des satellites de positionnement et les deux respectives porteuses locales F|P, FQP générées par l'oscillateur à commande numérique de porteuse (NCO p) 32 du récepteur. - la voie de corrélation de sous-porteuse 34 en phase et en quadrature entre des signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse et les deux respectives sous-porteuses locales Fis, FQS en phase et en quadrature générées par l'oscillateur local de sous-porteuse Gsp et le générateur de code local Gc piloté par l'oscillateur de code (NCO c) 38 à commande numérique ;
- la voie de corrélation de code 40 entre le code du satellite reçu et le code local fourni par le générateur numérique de codes locaux Gc piloté par l'oscillateur de code (NCO c) 38 à commande numérique ;
- une discriminateur de porteuse 94 (Dsp) suivi d'un correcteur de boucle de porteuse 96 (Crp) fournissant à partir des signaux l|P, IQP, QIP, QQP en sortie de la voie de corrélation de code après intégration par des respectifs intégrateurs 46, 47, 48, 49 un signal de commande de l'oscillateur de porteuse aidé par la vitesse de Doppler Vp. Le discriminateur de porteuse fournit un signal :
Eporteuse = ( Ql-I| + QQ-IQ ) I ( '|P +IQP +Q|P +QQP~ ) dans une variante :
Eportousβ = Arctan [ 2( Q|.l) + QQ.IQ ) / ( l|.l| + lQ.lQ - Q|.Qt - QQ.QQ ) J
Dans la variante de la figure 11 , (avec un code local et des sous- porteuses asynchrones) le récepteur comporte :
- la voie de corrélation de porteuse 30 en phase et en quadrature entre les signaux reçus Sr des satellites de positionnement et les deux respectives porteuses locales FIP, FQP générées par l'oscillateur à commande numérique de porteuse 50 (NCO p) du récepteur.
- la voie de corrélation de sous-porteuse 34 en phase et en quadrature entre des signaux en sortie de la voie de corrélation de porteuse et les deux respectives sous-porteuses locales Fis, FQS en phase et en quadrature générées par l'oscillateur local de sous-porteuse Gsp piloté par l'oscillateur à commande numérique de sous-porteuse (NCO sp) 52 à commande numérique.
- la voie de corrélation de code 40 entre le code du satellite reçu et les codes locaux fournis par le générateur numérique de codes locaux Gc piloté par l'oscillateur à commande numérique de code (NCO c) 54.
- un discriminateur de porteuse 100 (Dsp) suivi d'un correcteur de boucle de porteuse 106 (Crp), un discriminateur de sous-porteuse 102 (Dssp) suivi d'un correcteur de boucle de sous-porteuse 104 (Crsp) fournissant respectivement à partir des signaux IIP, IQP, QIP, QQP en sortie de la voie de corrélation de code, après intégration par des respectifs intégrateurs 46, 47, 48, 49, un signal de commande de l'oscillateur de porteuse 50 aidé par la vitesse de Doppler Vp et un signal de commande de l'oscillateur de sous-porteuse 52. Le discriminateur de porteuse fournit un signal :
Esous-porteuse = ( IQ-I| + QQ-Q| ) / ( l|P +IQP +Q|P +QQP ) dans une variante : βsous-porteuse = Arctan [ 2( IQ.I| + QQ.QI ) / ( l|.l| + Q|.Q| - IQ. IQ - QQ.QQ ) l
Justification :
Soit φ l'écart de phase de porteuse et 0 l'écart de phase de sous- porteuse (assimilé à un signal sinusoïdal)
IIP= A.cosφ.cosO lQP = A. cosφ. sinO QIP = A.sinφ.cosθ QQP = A.sinφ.sinθ
( A : amplitude après corrélation avec le code local ponctuel )
IQ-II + QQ-QI = A .sin0. cosθ ( cosφ2 + sinφ2 ) = A2.sinθ.cosθ = A2.1/2 sin20 l|. + Q|.Qι = A2.cos0.cos0 ( cosφ2 + sinφ2 ) = A2. cosO. cosθ
IQ.IQ + QQ.QQ = A2.sin0 .sinθ ( cosφ2 + sinφ2 ) = A2.sinθ.sinθ
li.li + QI.QI - IQ.IQ - QQ.QQ = A2 ( cosθ.cosθ - sinθ.sinO ) = A2 cos2θ
Qi.li + QQ.IQ = A2. sinφ. cosφ ( cosθ2 + sinθ2 ) = A2.sinφ.cosφ = A2.1έ sin2φ li.li + IQ.IQ = A2.cosφ.cosφ ( cosθ2 + sinθ2 ) = A .cosφ.cosφ
QI.QI + QQ.QQ = A2.sinφ .sinφ ( cosO2 4- sinθ2 ) - A2.sinφ.sinφ
l)-lι + IQ.IQ - QI.QI - QQ.QQ = A2 ( cosφ.cosφ - sinφ sinφ ) = A2.cos2φ IIP2 + IQP + QIP2 + QQP 2 = A2
Après la phase de transition vers la poursuite, le récepteur passe à la phase finale de poursuite.
Après un temps de convergence à déterminer qui dépend des caractéristiques de la dynamique, du niveau de bruit et des gains des boucles, et si la précision l'asservissement de la phase du code est jugée suffisante, on passe en poursuite BOC nominale : on remplace le code par le code modulé par la sous-porteuse.
La figure 12 montre le récepteur dans cette phase finale, sans élimination de sous-porteuse.
Le récepteur comporte essentiellement dans cette phase de poursuite :
- une voie de corrélation de porteuse' 110, en phase et en quadrature entre le signal reçu Sr et deux respectives porteuses locales Fi, FQ en quadrature générées par un oscillateur local de porteuse 112 à commande numérique ;
- une voie de corrélation de code 114 comportant la sous-porteuse (signal de type BOC comme dans la figure 5b), un générateur 116 de code piloté par l'oscillateur de code 118 fournissant à la voie de corrélation de code 114, les signaux de code avance Cav, retard Crt et code ponctuel Cp.
- un discriminateur de porteuse 120 (Dsp) suivi d'un correcteur de boucle de porteuse 122 (Crp), un discriminateur de code 124 (Dsc) suivi d'un correcteur de boucle de code 126 (Crc) fournissant respectivement à partir des signaux l|P, IQP, Q|P, QQP en sortie de la voie de corrélation de code après intégration, un signal de vitesse de porteuse pour commander l'oscillateur de porteuse 112 et un signal de vitesse de code pour commander l'oscillateur de code 118 aidé par la vitesse de porteuse.
Le fonctionnement est dans cette phase dernière celui d'un récepteur de type BOC. Le discriminateur de code fournissant un signal : εoo β = [ ( IA- IR) • Ip + (QA - QR) • Qp ) ] / ( lp2 + Qp2 ) ] ou εcode = [ ( IA - IR)2 + (QA - QR)2 ] / [ ( lA + IR)2 + (QA + QR)2 ]
La figure 13 montre le récepteur de type BOC dans une variante du récepteur de la figure 12, dans la phase finale, sans élimination de sous- porteuse. Dans cette variante de la figure 13, la corrélation par les codes avance et retard est remplacée par une corrélation par un code delta CΔ , obtenue en différentiant les codes avance Cav et retard Crt.
Dans la configuration du récepteur de la figure 13, la voie de corrélation de code 114 comportant la sous-porteuse (signal de type BOC comme dans la figure 5b), un générateur de code 130 piloté par l'oscillateur de code 118 fournit à la voie de corrélation de code 114, les signaux de code delta CΔ et code ponctuel Cp
Le discriminateur de code fournissant un signal : εcodβ = ( . lp + QΔ - Qp ) / ( lp2 + Qp2 )
On peut remarquer que les codes BOC avance et retard locaux, obtenus en avançant ou retardant de manière cohérente le code local et la sous-porteuse locale peuvent être remplacés par un code local ponctuel modulé par une sous-porteuse avancée et retardée.
Dans le procédé selon l'invention, du temps d'intégration de la corrélation dépend la durée de la phase d'acquisition et la capacité à trouver le signal utile dans un environnement bruité. Le meilleur compromis sera obtenu en maximisant le rapport signal sur bruit en sortie de la détection d'énergie (plus le rapport signal sur bruit est élevé, plus le temps d'intégration totale est court). D'où l'intérêt de la méthode par rapport au traitement ne considérant qu'un seul lobe, qui fait perdre 3 dB.
La durée de l'acquisition dépend aussi du pas d'échantillonnage : un pas d'échantillonnage fin augmente le nombre d'hypothèse à tester. D'où l'intérêt de la méthode par rapport au balayage sans élimination de sous- porteuse qui imposerait un pas d'échantillonnage en code égal à la demi- largeur du pic principal de la fonction d'auto-corrélation.
La figure 14a montre le pas minimum P1 nécessaire au balayage de code pour obtenir une détection d'énergie avec élimination de la sous- porteuse. La figure 14b montre le pas minimum P2 nécessaire sans élimination de la porteuse. Le pas minimum P1 nécessaire est bien plus grand que le pas minimum P2, il faut donc moins d'hypothèses de code pour trouver de l'énergie dans le cas de élimination de la sous-porteuse.