EP4168829A1 - Procédé de traitement d'un signal de radionavigation issu d'un satellite - Google Patents

Procédé de traitement d'un signal de radionavigation issu d'un satellite

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EP4168829A1
EP4168829A1 EP21740152.0A EP21740152A EP4168829A1 EP 4168829 A1 EP4168829 A1 EP 4168829A1 EP 21740152 A EP21740152 A EP 21740152A EP 4168829 A1 EP4168829 A1 EP 4168829A1
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EP
European Patent Office
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amplitude
frequency
signal
processing
radio navigation
Prior art date
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Pending
Application number
EP21740152.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Arnaud Lilbert
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Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/21—Interference related issues ; Issues related to cross-correlation, spoofing or other methods of denial of service
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/393—Trajectory determination or predictive tracking, e.g. Kalman filtering

Definitions

  • TITLE Process for processing a radio navigation signal from a satellite
  • the invention relates to positioning by satellites and relates in particular to a method and a device for processing signals in a satellite positioning system.
  • Global Navigation Satellite System Global Navigation Satellite System
  • GLONASS Global Navigation Satellite System
  • satellite positioning receivers implement a correlation between a measurement signal (from satellites) (hereinafter GNSS signal) and a replica signal and processing s making it possible to reduce interference in the measurement signal before it correlates with the aftershock signal.
  • GNSS signal a measurement signal from satellites
  • GNSS signal a measurement signal from satellites
  • processing s making it possible to reduce interference in the measurement signal before it correlates with the aftershock signal.
  • These treatments are generally called: pre-correlative interference elimination treatments.
  • Gaussian noise power For certain types of pre-correlative interference elimination processing, it is necessary to estimate the Gaussian noise power to separate, on the one hand, the GNSS signals embedded in the noise and, on the other hand, the interference whose power is greater than Gaussian noise. This separation is used in particular in frequency filtering techniques such as frequency excision or amplitude blocking, for which a good estimate of the Gaussian noise power is essential.
  • the invention makes it possible to separate a useful GNSS signal from interference in a simple manner.
  • the invention proposes, according to a first aspect, a method for processing a radionavigation signal originating from a satellite, said method comprising the following steps implemented in a processing unit of a radionavigation receiver :
  • the processing of the frequency radio navigation signal can comprise a frequency excision, the processing consisting in removing the components whose amplitude is greater at the determined threshold;
  • the processing of the frequency radio navigation signal can include amplitude blocking;
  • determining the distribution law consists in obtaining a histogram of the amplitude of the real component;
  • the method further comprises a conversion of the frequency radio navigation signal in which the components whose amplitude is greater than the determined threshold have been removed in the time domain by means of a complex inverse Fourier transform so as to obtain a signal of radio navigation processed.
  • the invention provides, according to a second aspect, a computer program product comprising program code instructions for the execution of steps of a method according to the first aspect of the invention, when this program is executed by a computer.
  • FIG. 1 illustrates a receiver of signals from a satellite according to the invention
  • FIG. 2 a method of processing signals from a satellite according to the invention
  • FIG. 3a and 3b illustrate representations of a frequency signal obtained during the method according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates a radionavigation receiver 1 hereinafter GNSS receiver comprising a reception unit 11 configured to acquire a radionavigation signal (hereinafter GNSS signal) originating from a SAT satellite, for example of the GPS or GLONASS type and convert it to a digital GNSS signal.
  • the reception unit 11 comprises in particular an antenna A and an analog-to-digital converter (not shown) to obtain a digital signal S at the output of the reception unit 11.
  • the reception unit 11 comprises other elements which will not be not described in more detail because they are well known to those skilled in the art.
  • the GNSS receiver 1 comprises a processing unit 2 to which the reception unit 11 communicates the digitized GNSS signal S (hereinafter the GNSS signal).
  • the processing unit 2 consists of one or more processors which make it possible to implement various processing operations.
  • the received and digitized GNSS signal comprises a useful signal transmitted by the SAT satellite, a white Gaussian noise and interference to be eliminated.
  • the processing unit 2 comprises a module 20 for dividing the GNSS signal into blocks of samples of predetermined size.
  • the processing unit 2 comprises a time / frequency converter 21 configured to convert the GNSS signal into the frequency domain, the GNSS signal being in the time domain.
  • the converter 21 makes it possible to apply a complex discrete Fourier transform (DFT, for Discrete Fourier Transform).
  • DFT complex discrete Fourier transform
  • the receiver 1 comprises an interference suppression module 22 configured to implement a certain number of processing operations on the frequency signal coming from the converter 21. These steps will be detailed below.
  • This module 22 supplies a frequency signal in which interference has been eliminated to a frequency / time converter 23 which is configured to convert this signal in the time domain.
  • converter 23 makes it possible to apply a complex discrete Fourier transform inverse to that applied by converter 21.
  • This time signal is then supplied to a correlation unit 24 which allows processing to be applied to the time signal to provide the navigation signal as known to those skilled in the art.
  • the processing unit 2 also includes a memory 25 which makes it possible to store signals during the various processing operations.
  • FIG. 2 illustrates the steps of a method for processing GNSS signals originating from a satellite implemented by the processing unit 2.
  • a signal from a satellite is received and digitized by receiver 1 (step 100) to obtain the GNSS signal denoted S.
  • the digitized GNSS signal S comprising a useful signal transmitted by the satellite
  • SAT a Gaussian white noise and interference to be eliminated is first windowed (step 101) and cut into blocks of several samples on which a complex DFT (step 102) is applied to obtain a frequency signal.
  • Windowing has the effect of limiting the spectral diffusion resulting from the complex DFT and linked to the temporal truncation.
  • An example of windowing is of the Blackman-Harris type.
  • the frequency signal comprises N samples of indices 1 to N, N being a multiple of 2, for example 256 ⁇ N ⁇ 1024.
  • the frequency signal comprises a real part (component in phase I) and an imaginary part (component in quadrature Q).
  • the determination of this distribution function consists in calculating the amplitude I, 2 of each samples li of the real part and classifying them by level to obtain a histogram of the number of samples having a certain amplitude value.
  • the step of the histogram is constant and is for example equal to 1.
  • the amplitude of the real part for which the distribution function vanishes is determined (step 104). This determined amplitude corresponds to a threshold so that the samples for which the amplitude of the real part is greater than this threshold are noise levels.
  • Figure 3a illustrates the amplitude of the real part as a function of frequency, the corresponding distribution function being illustrated in Figure 3b.
  • the spectrogram represents a GPS C / A signal embedded in Gaussian noise in the presence of CW interference centered on the L1 frequency.
  • the frequency signal is processed so as to filter or remove its components whose amplitude of the real part is greater than the determined threshold (step 105).
  • the signal thus processed is then converted into a temporal signal via the application of a complex inverse transform (complex DFT 1 ) to this signal (step 106).
  • complex DFT 1 complex inverse transform
  • a signal S ’ is then obtained. It is this signal which then makes it possible to obtain the navigation signal S ".
  • the processing on the frequency signal in step 105 can consist of frequency excision on this signal.
  • Such treatment consists in canceling the frequency components for which the amplitude of the real part is greater than the threshold determined in step 104.
  • the cancellation of the frequency components is implemented on the real and imaginary parts.
  • the processing on the frequency signal in step 105 can consist of amplitude blocking.
  • amplitude blocking involves fixing the amplitude in the frequency range of the interference while maintaining its phase.
  • the value of the fixed amplitude can be chosen to: maximize the signal to noise ratio; take into account the percentage of frequency components to be processed; keep the spectral representation of the signal (advantageous variant) to limit the contribution of distortion in the rest of the processing.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'un signal de radionavigation issu d'un satellite (SAT), ledit procédé comprenant les étapes suivantes mises en œuvre dans un unité de traitement L'invention concerne un procédé de traitement d'un signal de radionavigation issu d'un satellite, ledit procédé comprenant les étapes suivantes mises en oeuvre dans un unité de traitement d'un récepteur de radionavigation : conversion (102) du signal de radionavigation dans le domaine fréquentiel au moyen d'une transformée de Fourier complexe de manière à obtenir un signal de radionavigation fréquentiel comprenant une partie réelle I et une partie imaginaire Q, la partie réelle I ayant une amplitude I2 associée à une fréquence; détermination (103) d'une loi de répartition d'amplitude I2 de la composante réelle I du signal de radionavigation fréquentiel; détermination (104) d'une amplitude de la composante réelle pour laquelle la fonction de répartition s'annule, ladite amplitude définissant un seuil; traitement (105) du signal de radionavigation fréquentiel de manière à filtrer les composantes dont l'amplitude sont supérieures au seuil déterminé.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de traitement d’un signal de radionavigation issu d’un satellite
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L’invention concerne le positionnement par satellites et concerne notamment un procédé et un dispositif de traitement de signaux dans un système de positionnement par satellites.
ETAT DE LA TECHNIQUE Dans les systèmes de positionnement par satellite ou GNSS (pour en anglais,
« Global Navigation Satellite System ») (GPS, GLONASS, etc.) la tenue aux interférences est un élément primordial des performances de ces systèmes.
En particulier, les récepteurs de positionnement par satellites mettent en oeuvre une corrélation entre un signal de mesure (issu de satellites) (ci-après signal GNSS) et un signal de réplique et des traitement s permettant de réduire des interférences dans le signal de mesure avant qu’il ne soit corrélé avec le signal de réplique. Ces traitements sont généralement appelés : traitements pré-corrélatifs d’élimination d’interférences.
Pour certains types de traitement pré-corrélatif d’élimination d’interférences, il est nécessaire d’estimer la puissance de bruit gaussien pour séparer d’une part les signaux GNSS noyés dans le bruit et d’autre part les interférences dont la puissance est supérieure au bruit gaussien. Cette séparation est utilisée notamment dans les techniques de filtrage fréquentiel de type excision de fréquence ou bien blocage de l’amplitude, pour lesquels une bonne estimation de la puissance de bruit gaussien est indispensable.
Cette estimation de la puissance de bruit gaussien n’est pas aisée et en particulier pour la réception de signaux GNSS. En effet, tous ces signaux sont présents en même temps ; l’interférence est 100 à 1000 fois plus puissante que le bruit, lui-même 1000 fois plus fort que le signal GNSS. En outre, dans le cadre d’un récepteur GNSS il convient d’estimer cette puissance en utilisant peu de ressources numériques compte tenu de la miniaturisation des récepteurs. PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention permet de séparer un signal utile GNSS des interférences de manière simple. A cet effet, l’invention propose, selon un premier aspect, un procédé de traitement d’un signal de radionavigation issu d’un satellite, ledit procédé comprenant les étapes suivantes mises en oeuvre dans un unité de traitement d’un récepteur de radionavigation :
- conversion du signal de radionavigation dans le domaine fréquentiel au moyen d’une transformée de Fourier complexe de manière à obtenir un signal de radionavigation fréquentiel comprenant une partie réelle I et une partie imaginaire Q, la partie réelle I ayant une amplitude I2 associée à une fréquence ;
- détermination d’une loi de répartition d’amplitude I2 de la composante réelle I du signal de radionavigation fréquentiel ; - détermination d’une amplitude de la composante réelle pour laquelle la fonction de répartition s’annule, ladite amplitude définissant un seuil ;
- traitement du signal de radionavigation fréquentiel de manière à filtrer les composantes dont l’amplitude sont supérieures au seuil déterminé.
L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : le traitement du signal de radionavigation fréquentiel peut comprendre une excision de fréquence, le traitement consistant à supprimer les composantes dont l’amplitude sont supérieures au seuil déterminé; le traitement du signal de radionavigation fréquentiel peut comprendre un blocage en amplitude ; la détermination de la loi de répartition consiste à obtenir un histogramme de l’amplitude de la composante réelle ; le procédé comprend, en outre, une conversion du signal de radionavigation fréquentiel dans lequel les composantes dont l’amplitude sont supérieures au seuil déterminé ont supprimées dans le domaine temporel au moyen d’une transformée de Fourier inverse complexe de manière à obtenir un signal de radionavigation traité.
L’invention propose, selon un deuxième aspect, un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé selon le premier aspect de l’invention, lorsque ce programme est exécuté par un ordinateur.
Le fait de considérer dans le procédé uniquement la partie réelle permet d’obtenir un procédé qui est nécessite moins de ressource qu’une solution qui serait basée sur les parties réelle et imaginaire.
PRESENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre un récepteur de signaux issus d’un satellite selon l’invention ;
- la figure 2 un procédé de traitement de signaux issus d’un satellite selon l’invention ; - les figures 3a et 3b illustrent des représentations d’un signal fréquentiel obtenu au cours du procédé selon l’invention.
Sur l’ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 illustre un récepteur 1 de radionavigation ci-après récepteur GNSS comprenant une unité de réception 11 configurée pour acquérir un signal de radionavigation (ci-après signal GNSS) issu d’un satellite SAT par exemple de type GPS ou GLONASS et le convertir en un signal GNSS numérique. L’unité de réception 11 comprend notamment une antenne A et un convertisseur analogique numérique (non représenté) pour obtenir un signal numérique S en sortie de l’unité de réception 11. L’unité de réception 11 comprend d’autres éléments qui ne seront pas décrits plus en détails car bien connus de l’homme du métier.
Le récepteur 1 GNSS comprend une unité de traitement 2 à laquelle l’unité de réception 11 communique le signal GNSS numérisé S (ci-après le signal GNSS). L’unité de traitement 2 est constituée par un ou plusieurs processeurs qui permettent de mettre en oeuvre différents traitements.
Le signal GNSS reçu et numérisé comprend un signal utile émis par le satellite SAT, un bruit blanc gaussien et des interférences à éliminer. L’unité de traitement 2 comprend un module 20 de découpage du signal GNSS en blocs d’échantillons de taille prédéterminée.
L’unité de traitement 2 comprend un convertisseur 21 temps/fréquence configuré pour convertir le signal GNSS dans le domaine fréquentiel, le signal GNSS étant dans le domaine temporel. En particulier, le convertisseur 21 permet d’appliquer une transformée de Fourrier discrète complexe (TFD, pour Transformée de Fourrier Discrète).
A la suite du convertisseur 21 , le récepteur 1 comprend un module de suppression des interférences 22 configuré pour mettre en oeuvre un certain nombre de traitement sur le signal fréquentiel issu du convertisseur 21. Ces étapes seront détaillées plus loin. Ce module 22 fournit un signal fréquentiel dans lequel les interférences ont été éliminées à un convertisseur 23 fréquence/temps qui est configuré pour convertir ce signal dans le domaine temporel. En particulier, le convertisseur 23 permet d’appliquer une transformée de Fourrier discrète complexe inverse à celle appliquée par le convertisseur 21.
Ce signal temporel est alors fourni une unité de corrélation 24 qui permet d’appliquer des traitements au signal temporel pour fournir le signal de navigation comme connu par l’homme du métier.
L’unité de traitement 2 comprend également une mémoire 25 qui permet de stocker des signaux au cours des différents traitements.
La figure 2 illustre des étapes d’un procédé de traitement de signaux GNSS issus d’un satellite mis en oeuvre par l’unité de traitement 2.
En premier lieu, un signal issu d’un satellite est reçu et numérisé par le récepteur 1 (étape 100) pour obtenir le signal GNSS noté S. Le signal GNSS numérisé S comprenant un signal utile émis par le satellite
SAT, un bruit blanc gaussien et des interférences à éliminer est d’abord fenêtré (étape 101) et découpé par blocs de plusieurs échantillons sur lequel une TFD complexe (étape 102) est appliquée pour obtenir un signal fréquentiel.
Le fenêtrage a pour effet de limiter la diffusion spectrale issue de la TFD complexe et liée à la troncature temporelle. Un exemple de fenêtrage est de type Blackman-Harris.
A l’issue de la TFD complexe, le signal fréquentiel comprend N échantillons d’indices 1 à N, N étant un multiple de 2, par exemple 256 < N < 1024. S’agissant d’une TFD complexe, le signal fréquentiel comprend une partie réelle (composante en phase I) et une partie imaginaire (composante en quadrature Q). En outre, le signal comprend N échantillons décrivant la partie réelle (notés h, i=1 à N) et N échantillons décrivant la partie imaginaire (notés Q,). Ensuite, comme cela est visible sur la figure 2, une fonction de répartition d’amplitude de la partie réelle du signal fréquentiel est déterminée (étape 103). La détermination de cette fonction de répartition consiste à calculer l’amplitude I,2 de chaque échantillons li de la partie réelle et de les classer par niveau pour obtenir un histogramme du nombre d’échantillons présentant une certaine valeur d’amplitude. Le pas de l’histogramme est constant et est par exemple égal à 1.
Un exemple d’une telle fonction de répartition est illustré sur la figure 3b.
A partir de la fonction de répartition obtenue, l’amplitude de la partie réelle pour laquelle la fonction de répartition s’annule est déterminée (étape 104). Cette amplitude déterminée correspond à un seuil de sorte que les échantillons dont l’amplitude de la partie réelle est supérieure à ce seuil sont des niveaux de bruit.
La figure 3a illustre l’amplitude de la partie réelle en fonction de la fréquence, la fonction de répartition correspondante étant quant à elle illustrée sur la figure 3b.
Dans cet exemple, le spectrogramme représente un signal GPS C/A noyé dans le bruit gaussien en présence d’une interférence CW centrée sur la fréquence L1. L’estimation de la puissance de bruit est déduite du niveau pour lequel l'histogramme s’annule, ici la valeur est représentée par le seuil = 9.
Tout ce qui est au-dessus de ce seuil est du bruit et on constate dès lors que seuls les niveaux de faible amplitude correspondent au signal avec seulement du bruit gaussien car ils correspondent au bruit gaussien dont la répartition suit une loi de type normale centrée.
Ensuite, le signal fréquentiel est traité de manière à filtrer ou supprimer ses composantes dont l’amplitude de la partie réelle est supérieure au seuil déterminé (étape 105).
Le signal ainsi traité est alors converti en un signal temporel via l’application d’une transformée inverse complexe (TFD 1 complexe) sur ce signal (étape 106).
Un signal S’ est alors obtenu. C’est ce signal qui permet ensuite d’obtenir le signal de navigation S”.
Selon un mode de réalisation, le traitement sur le signal fréquentiel à l’étape 105 peut consister en une excision en fréquence sur ce signal. Un tel traitement consiste à annuler les composantes fréquentielles pour lesquelles l’amplitude de la partie réelle est supérieure au seuil déterminé à l’étape 104. L’annulation des composantes fréquentielles est mise en oeuvre sur les parties réelle et imaginaire.
Selon un autre mode de réalisation, le traitement sur le signal fréquentiel à l’étape 105 peut consister en un blocage d’amplitude.
Selon ce mode de réalisation, contrairement à l’annulation des composantes fréquentielles, le blocage d’amplitude consiste à fixer l’amplitude dans la plage fréquentielle de l’interférence tout en conservant sa phase. La valeur de l’amplitude fixée peut-être choisie pour : maximiser le rapport signal sur bruit ; tenir compte du pourcentage de composantes fréquentielles à traiter ; conserver la représentation spectrale du signal (variante avantageuse) pour limiter l’apport de distorsion dans la suite du traitement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d’un signal de radionavigation issu d’un satellite (SAT), ledit procédé comprenant les étapes suivantes mises en oeuvre dans un unité de traitement (2) d’un récepteur (1) de radionavigation :
- conversion (102) du signal de radionavigation dans le domaine fréquentiel au moyen d’une transformée de Fourier complexe de manière à obtenir un signal de radionavigation fréquentiel comprenant une partie réelle I et une partie imaginaire Q, la partie réelle I ayant une amplitude I2 associée à une fréquence ; - détermination (103) d’une loi de répartition d’amplitude I2 de la composante réelle I du signal de radionavigation fréquentiel ;
- détermination (104) d’une amplitude de la composante réelle pour laquelle la fonction de répartition s’annule, ladite amplitude définissant un seuil ;
- traitement (105) du signal de radionavigation fréquentiel de manière à filtrer les composantes dont l’amplitude sont supérieures au seuil déterminé.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le traitement du signal (105) de radionavigation fréquentiel comprend une excision de fréquence, le traitement (105) consistant à supprimer les composantes dont l’amplitude sont supérieures au seuil déterminé.
3. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le traitement du signal (105) de radionavigation fréquentiel comprend un blocage en amplitude. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la détermination
(103) de la loi de répartition consiste à obtenir un histogramme de l’amplitude de la composante réelle.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant une conversion (106) du signal de radionavigation fréquentiel dans lequel les composantes dont l’amplitude sont supérieures au seuil déterminé ont supprimées dans le domaine temporel au moyen d’une transformée de Fourier inverse complexe de manière à obtenir un signal de radionavigation traité.
6. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé selon l’une des revendications précédentes, lorsque ce programme est exécuté par un ordinateur.
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