WO2003054575A1 - Procede de traitement d'un signal de navigation contenant des donnees - Google Patents

Procede de traitement d'un signal de navigation contenant des donnees Download PDF

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Blandine Coatantiec
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    • 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
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system

Definitions

  • the present invention relates to methods for processing navigation signals when they also include one or more additional modulations making it possible to transmit data which complement the information intrinsically contained in the elementary signal. It applies more particularly to the processing of navigation signals transmitted by satellites.
  • Radio navigation by satellite currently mainly uses the signals emitted by the GPS system, and incidentally those of the GLONASS system. In the future, it will use the signals from the GALILEO system.
  • This radio navigation makes it possible to obtain the position of the receiver by processing the signals transmitted by at least three satellites and by performing phase measurements and code measurements on these signals. Code measurements are not very precise but unambiguous, while phase measurements are much more precise but ambiguous.
  • the signals transmitted by the satellites contain data bits which make it possible to transmit navigation messages. These messages are used in the calculation algorithms to determine the position, speed and time of the receiver.
  • the received phase rotates and it is then necessary to use an integration system, which makes it possible to obtain a reactive control over this phase.
  • the invention proposes a method of processing a navigation signal containing data, in which a first DBPSK type carrier band for demodulating navigation signals, and in which a second BPSK type loop is also used to identify the data tests.
  • the code 101 and carrier 102 oscillators are controlled by the error signals which are described below. They make it possible respectively to obtain a point code and a ⁇ code in a generator 103 and sin signals. and cos. in phase shifters 104 and 105.
  • the punctual signals, ⁇ , cos. and sin. are applied to a correlator 106 which makes it possible, from the received signal, to obtain the signals l p , l ⁇ , Q p and Q ⁇ in a conventional manner using a set of multipliers 107 and blocking samplers 108.
  • these signals are sampled at a given frequency.
  • two demodulators are used, a first demodulator of the DBPSK type for the carrier and a second demodulator of the DBPSK type for the data.
  • the signals sampled at the output of the correlator 106 are multiplied together in a module 109 to obtain crossed products l p . I ⁇ , l Q ⁇ > Qp • I ⁇ and Q p . Q ⁇ .
  • These cross products are integrated into a set of blocking integrator circuits 110, to then obtain the variables A, B, C and D defined by the formulas:
  • the signals l p and Q p are subjected to a so-called "squaring" treatment, which consists in performing a complex product l p x / Q p .
  • These signals are themselves integrated into a second set of blocking integrators 112.
  • the signal ⁇ is then applied to a code corrector 114 which performs a conventional filtering operation. After sampling at the loop frequency, this filtered signal ⁇ forms the error signal applied to the input of the code oscillator 101.
  • the signals l p 'and Q p ' coming from "squaring" are applied to the discriminator carrier type DBPSK 115 which will be described later.
  • the signal ⁇ coming from this discriminator 115 is applied on the one hand to the code discriminator 113, and on the other hand to a carrier corrector 116, which also performs a simple known filtering operation.
  • the signal ⁇ is thus filtered and then sampled at the loop frequency to form the error signal of the carrier oscillator 102.
  • the signals l p 'and Q p ' are first applied to a differentiator 201.
  • the signals at the output of this differentiator are then applied to a BPSK 202 type discriminator which performs the tangent arc operation (x, y) in an interval - ⁇ + ⁇ .
  • This discriminator 202 is then applied to an integrator 203, which operates conventionally with an adder 213 and a generator 223 with a function in Z "1 .
  • a ⁇ n + 1 argument (l n + 1 + iQ n + 1 ). - argument ⁇ + iQ n )
  • the identification of the data bits is done in an identifier 117 from the signals l p and Q p supplied by the correlator 106.
  • This identifier operates on the basis of a BPSK type discriminator. The phase discrimination is therefore then limited between - ⁇ and + ⁇ and the time constant Te / K is chosen small enough to decorrelate the successive bit errors.
  • the signals l p and Q p are applied to a complex multiplier 301, which also receives the signals at the output of a module 302 which will be described later.
  • the signals I and Q coming from this complex conduit are then applied to a discriminator 303 of the BPSK type, which performs the tangent arc operation (x, y) on a signal bounded between - ⁇ / 2 and + ⁇ 12.
  • the signal at the output of this discriminator is multiplied by a constant K in an amplifier 304, then it is applied to an integrator 305 in the structure is identical to that of the integrator 203 of FIG. 2.
  • the signal ⁇ at the output of this integrator is applied to the module 302 which performs the operation e "1 ⁇ to give the signals provided above.
  • the data bits are then obtained by determining, using a comparator circuit 306, the sign of the signal I leaving the complex product generator 301.

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Abstract

L'invention concerne les procédés de traitement des signaux de navigation par satellite qui supportent également des données. Elle consiste à utiliser deux boucles de porteuse imbriquées, l'une comportant un discriminateur étendu de type différentiel DBPSK (115) pour tenir la dynamique, et l'autre un discriminateur non étendu de type BPSK (117) pour ne pas corréler les erreurs de code. Elle permet d'utiliser une vitesse de transmission de données beaucoup plus élevée nécissitant l'utilisation d'un algorithme de type 'Viterbi'.

Description

Procédé de traitement d'un signal de navigation contenant des données.
La présente invention se rapporte aux procédés de traitement des signaux de navigation lorsque ceux ci comportent en outre une ou des modulations supplémentaires permettant de transmettre des données qui viennent compléter les informations intrinsèquement contenues dans le signal élémentaire. Elle s'applique plus particulièrement au traitement des signaux de navigation émis par les satellites.
La radio navigation par satellite utilise actuellement essentiellement les signaux émis par le système GPS, et accessoirement ceux du système GLONASS. Elle utilisera dans l'avenir les signaux du système GALILEO. Cette radio navigation permet d'obtenir la position du récepteur en traitant les signaux émis par au moins trois satellites et en effectuant des mesures de phase et des mesures de code sur ces signaux. Les mesures de code sont peu précises mais non ambiguës, alors que les mesures de phase sont beaucoup plus précises mais ambiguës.
Les signaux émis par les satellites contiennent des bits de données qui permettent de transmettre des messages de navigation. Ces messages sont utilisés dans les algorithmes de calcul pour déterminer la position, la vitesse et le temps du récepteur.
Dans les systèmes actuellement utilisés, du type GPS, on utilise un débit de donnée de l'ordre de 50 Bauds, ceci permet d'une part d'extraire sans trop de difficulté ces données du signal reçus, dont le niveau est très faible, et d'autre part de ne pas perturber le signal principal de navigation. Par ailleurs, compte tenu de l'optimisation ainsi choisie, il n'est pas nécessaire d'utiliser un système correcteur d'erreurs et en conséquence chaque bit transmis correspond à un bit utile.
Dans les futurs systèmes actuellement à l'étude, du Type GALILEO, on souhaiterait transmettre beaucoup plus de données, ce qui implique d'utiliser un débit numérique d'environ 1000 Bauds.
Dans ces conditions le taux d'erreurs augmente considérablement, ce qui nécessite d'utiliser un code de correcteur d'erreur. Il est donc prévu d'utiliser un système du type dit " Forward Error Corrector", comportant une redondance de niveau 2 et une convolution de niveau 7. La correction d'erreur se ferait alors avec par exemple un algorithme de type Viterbi, dont on sait que pour fonctionner correctement il nécessite que les erreurs soient décorrelées. Pour démoduler alors le signal reçu afin que le débit de données ne perturbe pas trop la démodulation du signal de navigation, on est amené à utiliser un discriminateur différentiel du type connu sous le nom de DBPSK. Un tel discriminateur utilise pour démoduler l'information correspondant à un bit l'information correspondant à la démodulation du bit précédent, d'où le qualificatif de "différentiel".
Dans ces conditions, la phase reçue tourne et il est alors nécessaire d'utiliser un système d'intégration, qui permet d'obtenir un asservissement réactif sur cette phase.
Par ailleurs dans un démodulateur différentiel de type DBPSK on utilise la différence de signes d'un échantillon au suivant pour déterminer la valeur du bit de donnée reçu. Comme le signal est bruité ceci entraîne que l'erreur sur un bit dépend de la valeur de 2 échantillons successifs. Dans ces conditions l'erreur n'est plus décorrélée et l'algorithme de Viterbi ne fonctionne pas. Pour pouvoir néanmoins obtenir les données avec un taux d'erreur suffisamment faible, tout en gardant une réception correcte des signaux de navigation, l'invention propose un procédé de traitement d'un signal de navigation contenant des données, dans lequel on utilise une première bande de porteuse de type DBPSK pour démoduler les signaux de navigation, et dans lequel on utilise en outre une deuxième boucle de type BPSK pour identifier les tests de données.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée en regard des figures annexées qui représentent : - la figure 1 , un schéma d'ensemble de l'architecture des boucles utilisées dans le procédé selon l'invention;
- la figure 2 un schéma du discriminateur de porteuse; et
- la figure 3, un schéma du discriminateur de codes.
Dans le schéma du décodeur représenté sur la figure 1 , les oscillateurs de code 101 et de porteuse 102 sont commandés par les signaux d'erreur qui sont décrits plus loin. Ils permettent d'obtenir respectivement un code ponctuel et un code Δ dans un générateur 103 et des signaux sin. et cos. dans des déphaseurs 104 et 105.
Les signaux ponctuel, Δ, cos. et sin. sont appliqués à un corrélateur 106 qui permet à partir du signal reçu d'obtenir les signaux lp, lΔ , Qp et QΔ de manière classique à l'aide d'un ensemble de multiplicateurs 107 et d'échantillonneurs bloqueurs 108.
Pour la suite du traitement ces signaux sont échantillonnés à une fréquence de donnée. Selon l'invention, pour pouvoir simultanément maintenir les performances des boucles de démodulation aussi bien en dynamique qu'en robustesse et décoder correctement les signaux de données en laissant fonctionner l'algorithme de viterbi, on utilise deux démodulateurs, un premier démodulateur du type DBPSK pour la porteuse et un deuxième démodulateur du type DBPSK pour les données.
Dans la première boucle les signaux échantillonnés en sortie du corrélateur 106 sont multipliés entre eux dans un module 109 pour obtenir des produits croisés lp . IΔ , l QΔ > Qp • IΔ et Qp . QΔ . Ces produits croisés sont intégrés dans un ensemble de circuits intégrateurs bloqueurs 110, pour ensuite obtenir les variables A,B,C et D définies par les formules :
A = ∑IP.IΔ (1)
B = ∑IP.QΔ (2)
C = ∑QP.IΔ (3)
D = ΣQp.QΔ (4)
Selon l'invention, les signaux lp et Qp sont soumis à un traitement dit de "squaring", qui consiste à effectuer un produit complexe lp x / Qp. Ceci élimine les données, et donc leur influence, et introduit toutefois des pertes quadratiques et multiplie par deux la dynamique du signal. Cette opération permet de lever la limitation de la bande de prédétection provenant des bits de données. Elle est effectuée dans un module de carré complexe 1 11 qui délivre donc les deux signaux l'p = lp 2 - Qp 2 et Q'p = 2 lp x Qp. Ces signaux sont eux-mêmes intégrés dans un deuxième ensemble d'intégrateurs bloqueurs 112.
Les six signaux ainsi obtenus par les opérations précédentes sont échantillonnés à une fréquence de boucles, puis ils sont combinés entre eux dans un discriminateur de code 113 pour obtenir un signal ε déterminé par la formule : ε = (cos2
Figure imgf000005_0001
+ sin2 φ.D)l Jr2 p+Q'2 p (5) cette opération permet d'obtenir un gain de 3 dB sur la précision du code. Le signal ε est alors appliqué à un correcteur de code 114 qui effectue une opération classique de filtrage. Après échantillonnage à la fréquence de boucles ce signal ε filtré forme le signal d'erreur appliqué à l'entrée de l'oscillateur de code 101. Par ailleurs les signaux lp' et Qp' provenant du "squaring" sont appliqués au discriminateur de porteuse du type DBPSK 115 qui sera décrit plus loin.
Le signal φ provenant de ce discriminateur 115 est appliqué d'une part au discriminateur de code 113, et d'autre part à un correcteur de porteuse 116, qui effectue lui aussi une simple opération de filtrage connue.
Le signal φ est ainsi filtré puis échantillonné à la fréquence de boucles pour former le signal d'erreur de l'oscillateur de porteuse 102.
Dans un exemple de réalisation du discriminateur de porteuse de type DBPSK, dont le schéma est représenté sur la figure 2, les signaux lp' et Qp' sont d'abord appliqués à un différentiateur 201.
Dans ce différentiateur, un organe 211 effectue la transformé en Z"
1 de ces signaux lp' et Qp'. Les deux signaux provenant de cette transformée sont appliqués, après multiplication par -1 pour l'un d'entre eux dans un multiplicateur 221 , à un calculateur de produit complexe 231 , qui reçoit également directement les signaux lp' et Qp'.
Les signaux en sortie de ce différentiateur sont alors appliqués à un discriminateur de type BPSK 202 qui effectue l'opération arc tangente (x,y) dans un intervalle - π + π .
La sortie de ce discriminateur 202 est ensuite appliquée à un intégrateur 203, qui fonctionne de manière classique avec un sommateur 213 et un générateur 223 de fonction en Z"1.
On mesure donc ainsi Δ φn, qui est compris entre - π et + π, et Δ φn +ι est alors obtenu par les formules :
Aφn+1 = argument (ln+1 + iQn+1 ). - argument^ + iQn )
= argument (ln+1 + iQn+1 )./(ln + iQn ) (6)
= argument (ln+1 + iQn+1 ).(ln -iQn ) Selon l'invention, l'identification des bits de données se fait dans un identificateur 117 à partir des signaux lp et Qp fournis par le corrélateur 106. Cet identificateur fonctionne sur la base d'un discriminateur de type BPSK. La discrimination de phase est donc alors bornée entre - π et + π et la constante de temps Te/K est choisie suffisamment petite pour décorréler les erreurs de bit successifs.
L'inconvénient de cette méthode réside dans une moindre tenue à la dynamique, ce qui est largement compensé par le fait que l'algorithme de Viterbi peut fonctionner correctement.
Dans un exemple de réalisation, représenté sur la figure 3, les signaux lp et Qp sont appliqués à un multiplicateur complexe 301 , qui reçoit également les signaux en sortie d'un module 302 qui sera décrit plus loin. Les signaux I et Q provenant de ce conduit complexe sont alors appliqué à un discriminateur 303 du type BPSK, qui effectue l'opération arc tangente (x,y) sur un signal borné entre - π / 2 et + π 12.
Le signal en sortie de ce discriminateur est multiplié par une constante K dans un amplificateur 304, puis il est appliqué à un intégrateur 305 dans la structure est identique à celle de l'intégrateur 203 de la figure 2.
Le signal φ en sortie de cet intégrateur est appliqué au module 302 qui effectue l'opération e"1φ pour donner les signaux prévus plus haut.
Les bits de données sont alors obtenus en déterminant à l'aide d'un circuit comparateur 306 le signe du signal I sortant du générateur de produit complexe 301.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de traitement d'un signal de navigation contenant des données, dans lequel on utilise une première boucle de porteuse (101 ,102,103,104,105,106,113,114,115,116) de type DBPSK pour démoduler les signaux de navigation, caractérisé en ce que l'on utilise en outre une deuxième boucle de type BPSK (117) pour identifier les bits de données.
2 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on utilise dans la première boucle de porteuse une technique de "squaring" (111 ).
3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on effectue une corrélation (106) sur le signal reçu pour obtenir des signaux lp, lΔ , Qp et QΔ , que l'on effectue sur ces signaux des produits croisés (109) définis par les formules :
Λ = ∑rp J&
C ≈ ∑Qp Jà
D = ∑Qp .Qà
que la technique de "squaring" permet d'obtenir des signaux lp 2 - Qp 2 et 2 lp . Qp, et que l'on effectue une discrimination de code (113) à partir des produits croisés et des signaux obtenus par le "squaring" en effectuant l'opération donnée par la formule : ε = (cos2
Figure imgf000008_0001
+ sinç?.cosf? + sin2 φ.D)l Jl'p+Q'p
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