CA 02522059 2005-10-11
WO 2004/092761 PCT/EP2004/050298
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PR~CE~E ~'AC~UISITI~N ~'lJM SIGNAL ~E RA~I~NAVIGATI~N
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 oeuvre,
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
1o 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
is 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
2o 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
25 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
so 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.
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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
s porteuse par un code d'étalement étale le spectre, ce qui accroit 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
to 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
15 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
2o 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
25 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 pseudo-
aléatoires entières s'écoulant pendant les trajets des signaux est
relativement petits. On parle de mesures de code.
3o 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
35 brouillages et précision de mesure de la position du récepteur, les
nouveaux
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systèmes de navigation par satellite proposent d'utiliser une modulation de
type BOC « Binary Offset Carrier » en langue anglaise, ou modulation sur
porteuse à double décalage, dont le spectre présente deux lobes principaux
écartés. 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-corrélation d'un tel signal
BOC. La modulation de type BOC peut étre préférée à 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 BPSi< au centre est brouille. Pour des
to 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 étalé.
Chaque signal émis par un satellite visible et reçu par l'antenne
t5 doit étre démodulé par le récepteur, afin d'en déduire une mesure de temps
de propagation, de Doppler, et éventuellement de données transmises.
La démodulation consiste à asservir un signal généré localement,
image du signal reçu en provenance du satellite considéré caractérisé par un
code d'étalement propre et une porteuse, en recherchant le maximum de
2o corrélation entre ce signal reçu et le signal local.
L'asservissement est réalisé 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 à la
corrélation
25 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 à la
corrélation aven des signaux locaux modulé par des codes dérivés (avance,
retard ou delta).
Dès que l'asservissement a convergé, les mesures de Doppler et
3o de temps de propagation sont élaborées à 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 considéré, des signaux des
autres
satellites et des bruits d'origines diverses (thermique, quantification,
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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 connait 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.
1o 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 étë 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
2o 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 F,, ~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 voïe 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.
3o 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 IP et OP 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
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E=~ (1p2+
La détection du signal est considérée comme obtenue lorsque cette énergie
E dépasse un seuil d'énergie prédéterminé SI.
Néanmoins, la modulation de type B~C comporte des
5 inconvénients. En effet, l'acquisition d'un signal de type B~C 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
1o 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-
t5 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
2o 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,
25 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 ;
30 - 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 ;
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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
s 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
to rëcepteur 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.
15 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 mëme
2o 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).
2s 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
3o commande numérique (NGO) 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
35 signaux intégrés en sortie de la voie de corrélation de onde, les vitesses
de
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porteuse, de sous-porteuse et de code pour commander les respectifs
oscillateurs à commande numérique générant les porteuses, sous-porteuses
et codes locaux.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de
réalisations de récepteurs mettant en oeuvre le procédé d'acquisition selon
l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels
- les figures 1a et b, déjà décrites, montrent respectivement un
signal de type BOC et la fonction d'auto-corrélation d'un récepteur de l'état
de fart ;
to - 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-corrélation résultante après décentrage de la fréquence locale ;
t5 - la figure 4 montre le synoptique d'un récepteur selon l'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
20 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
25 d'auto-corrélation 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 Q~c en fonction du temps t dans la phase d'acquisition du récepteur
3o 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 où le code local et la sous-porteuse
35 locale sont synchrones ;
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- 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 ;
io - la figure 13 montre une variante du récepteur de la figure 12 ;
- 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.
Nous allons, par la suite, décrire des récepteurs mettant en ouvre
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
2o 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 FiP, FQP. Ces porteuses locales en quadrature
(cos, sin) sont générées par un oscillateur à commande numérique de
3o porteuse 32 (NCO p) du récepteur ;
- une voie de corrélation de sous-porteuse 34 en phase et en
quadrature entre les signaux IPT et OPT en sortie de la voie de corrélation de
porteuse et deux respectives sous-porteuses locales F,s, FQS en phase et en
quadrature ;
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- 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 oodes locaux Gc 36 ;
- une détection d'énergie 44 des signaux Ilp, lop, QIP, OoP 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.
1o Les figures 5a, 5b, 50, 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.
i5 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
2o 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 Ilp, lop, QIP, QQp au détecteur
25 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.
3o La somme des énergies E est donnée par la relation suivante
E = ~ ~ IIP2 '~' I4P2 + QIP2 '~' QQP2 J
La somme E étant une somme non cohérente de plusieurs
échantillons sur un temps T multiple d'un temps Tc cohérent.
Deux solutions pour trouver l'énergie montrées à la figure 6
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Première solution : on teste les hypothèses de code en faisant
glisser continüment 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-
5 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 0~ (temps Td1, Td2,
1o 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 ~~
peuvent ëtre générés en accélérant la vitesse de l'oscillateur local de code
(NCO c) sur des durées courtes 4t 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 ~~.
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
2o 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 FrP, 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 Fis, 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.
so Le récepteur de la figure 7 COti~me 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 FrP, FoP générées par l'oscillateur à commande
numérique de porteuse 50 (NCO p) du récepteur.
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- la voie de col°rélation 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, Fos 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 Ilp, IoP, Qlp, Qop en sortie
de la voie de corrélation de code après intégration par des respectifs
1o 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
75 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 I,p, Iqp,
QIP, QoP 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
2o 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 = ~ ( 11p2 -i- Ipp2+ QIP2'f' ~qp2 )
La somme E étant une somme non cohérente de plusieurs
25 échantïllons sur un temps T multiple d'un temps Tc 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.
3o 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
35 corrélation suivantes
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IIP = ~[nT,(n+1)T] Reçu - ~~S((~(t)) - ~Pln phase~t~ - ~~d~Ponctuel ~t~ dt
~QP = ~[nT,(n+1)T] SReçu ~ ~~5~~(t~~ ' '~PCuadrature~~~ - ~~d~Ponctuel ~t) dt
QIP = ~[nT,(n+1)T] SReçu . SII'1~(p(t)~ - Pin phase~t~ - ~Od~Ponctuel (t~ dt
~G1P = l[nT,(n+1)T] SReçu - SII-1((P(i)) . ~Ppuadrature~t~ - ~Odeponctuel ~t~
dt
1 o Avec
T Durée d'intégration cohérente
cos(c~(t)) , sin(cp(t)) Porteuses locales en phase et en quadrature
SPh phase . SPauadrature Sous-porteuse locale en phase et en quadrature
CodePonctueyt) 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.
2o 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.
Définition
Intégration cohérente et non cohérente
Intégration cohérente : ~n = ~[nT,(n+1)T] SReçu~t~ - SLocal In phase~t~ dt
Qn = ~(nT,(n+1)T] SReçUt~ - SLocal Quadrature~t~ dt
Intégration non cohérente :E = ~n= y à N ~ ~n2 '~" ~n2
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Pertes d'énergie : S~nC2(Opoppier~T~~>
Avec
SLocal In phase(t) = COS(OJt) . ~Pln phase(t) . CodePcnciuel (t)
SLocal Quadrature (t) = Sln((ut) . ~Pln phase(t) ~ CodePcnctuel (t)
Doppler : 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.
to 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.
2o 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
3o 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.
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Dans cette phase de poursuite, le récepteur de la figure 8 génère,
à partir des signaux IiA, IiR, IQA, IoR, OiA, QiR, GiQA, Ooa, 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
to 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.
~5 Dans cette phase de poursuite, le récepteur de la figure 9 génère,
à partir des signaux IiA, I,R, IQA, IaR, QiA, QiA, QoA, QoR, 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.
2o 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.
25 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
30 Eoode = ( IIA2'f'IpA2-1-QIA2 f. (~qA2 - IIR2'~'IqR?-F-C~IR~'F QQRZ)/Energie
Energie = I~A2-I-Ipp2-I-Q~A2-i-QqAZ -1- I~R2-I-IpR2-EQIR2'+'Qpq2
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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.
5 Dans ces variantes, on réalise indépendamment l'asservissement
des phases de porteuse et de sous-porteuse en mëme temps que le code
(traitements réalisés en parallèles). L'intérët 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
io 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-
15 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 FiP, FaP 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, Fos 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
3o boucle de porteuse 96 (Crp) fournissant à partir des signaux liP, loP, Q~P,
QoP
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.
s5 Le discriminateur de porteuse fournit un signal
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porteuse = ( QLI~ + Qq.lq ) / ( IIPZ+Ipp2+QIP2+(~~P~ )
dans une variante
~porteuse = Arctan [ 2( Qi.li + Qo.lo ) / ( li.li + IQ.IQ - Cy.Qi - Qo.Oo ) 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
1o respectives porteuses locales F,P, FoP 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
~5 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
2o 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 liP, loP, QiP, QoP en sortie
de
25 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.
3o Le discriminateur de porteuse fournit un signal
Esous-porteuse = ( Ip.l~ + Qq.(y ) / ( I~p2+Iqpz-I-Q~p2+QQPZ )
dans une variante
Esous-porteuse = Arctan [ 2( lo.li + OQ.Qi ) / ( 1i.1, + Qi.Qi - IQ.Io - QQ.Qo
) 1
35 Justification
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20
Boit cp l'écart de phase de porteuse et 0 l'écart de phase de sous-
porteuse (assimilé à un signal sinusoïdal)
IIp= A.cos<p.cos0 Iqp =_ A. coscp. sin()
Qlp=A.sincp.cos0 Qqp=A.sincp.sinA
( A : amplitude après corrélation avec le code local ponctuel )
Iq.ll + Qq.Q, = AZ.sin(). cos0 ( coscp2 + sincp2 ) = A2.sin8.cos6 = Az.~/z
sin20
1 o IL II + Q,.QI = A2.cos0.cos0 ( coscp2 + sincp2 ) = A2.cost).cos6
Iq.lq + Qq.Qq = A2.sin0 .sin6 ( coscp2 + sincp2 ) = A2.sin6.sin8
ILII + QLQI - Iq.lq - Qq.Qq = AZ ( cos6.cosA - sin0.sin0 ) = A2 cos2A
QLII + Qq.lq = A2.sincp.coscp ( cosA2 + sini32 ) = A2.sincp.coscp = A2.~/2
sin2cp
ILII + Iq.lq = A2.coscp.coscp ( cos82 + sin6z ) = A2.coscp.coscp
QLQI + Qq.Qq = A2.sincp .sincp ( cos02 + sinA2 ) = A2.sincp.sincp
I,.II + Iq.lq - QLOI - Qq.Qq = A2 ( coscp.coscp - sincp sincp ) = A2.cos2cp
I,p2 + Iqp2 + QIP2 + Qqp? - 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
so 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.
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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 F,,
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
1o 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 I,P, IoP, OiP, QQP en sortie de la voie de corrélation de code
après
1s 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.
2o Le discriminateur de code fournissant un signal
code = ~ ( IA- IR) ~ IP '~' (~A - QR) ~ QP ) ~ / ( IP2 '+' QP2 )
OU Ecode = ~ ( IA- IR)2 '+' (QA - QR)2 ~ / ~ ( IA'~' IR)2 + (QA '~' ~R)2
La figure 13 montre le récepteur de type BOC dans une variante
25 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 C0,
obtenue en différentiant les codes avance Cav et retard Crt.
Dans la configuration du récepteur de la figure 13, la voie de
3o 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 C0 et code ponctuel Cp
Le discriminateur de code fournissant un signal
35 code = ( L~ ~ IP -I- Qp . QP ) / ( IPZ i- QPZ )
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~n peut remarquer que les codes B~C 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
to 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'intérët 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
2o 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.
