Non-Coherent Acquisition Techniques for High-Sensitivity GNSS Receivers

Abstract

Los sistemas de radionavegación por satélite (GNSSs) se han convertido en una herramienta indispensable de la vida diaria, ya que nos ofrecen la posibilidad de conocer de manera precisa nuestra ubicación en tiempo real y en entornos al aire libre. Desde la aparición de estos sistemas, han surgido una gran cantidad de exitosas aplicaciones de GNSS. Algunos ejemplos de estas aplicaciones son los siguientes: navegación para automóviles, rastreo de vuelos, seguimiento de actividad deportiva y juegos de realidad aumentada. Debido al éxito alcanzado por los sistemas de GNSS, un gran interés está surgiendo para extender sus servicios a entornos más complicados tales como cañones urbanos e interiores. No obstante, en estos entornos los receptores de GNSS tienen grandes dificultades para poder detectar las señales recibidas desde los satélites, las cuales son muy débiles ya que sufren una severa atenuación a causa de la presencia de obstáculos en el camino de propagación entre los satélites y el receptor.

Esta tesis aborda varios problemas del procesamiento de señales de GNSS débiles como la detección en la etapa de adquisición, la determinación de la calidad de la señal y las estimaciones de la frecuencia Doppler y el tiempo de retraso. Para ello, se emplean las herramientas de detección y estimación de la señal, que se basan en teoría de probabilidad y estadística. Para poder emplear estas herramientas es necesario tener un conocimiento sobre la arquitectura y las señales que transmiten los sistemas de GNSS. Por este motivo, la primera parte de la tesis se centra en describir las principales características de dos de los sistemas de GNSS más conocidos el americano GPS y el europeo Galileo. Además, tratamos los fundamentos de los receptores y analizamos las señales que están implementadas actualmente en estos sistemas. Después, se explican los fundamentos de teoría de detección requeridos, que son el Neyman-pearson criterion, el Generalized likelihood Ratio Test y el Bayesian approach. Más adelante, se realiza una revisión del estado del arte sobre la detección de señales de GNSS.

Las principales contribuciones de esta tesis ocupan lugar en la segunda parte, las cuales tratan de derivar los detectores óptimos para adquirir las señales de GNSS débiles. Hemos encontrado que el detector óptimo depende de las características de la señal trasmitida por el satélite, que puede variar dependiendo de la constelación seleccionada. Los resultados teóricos y simulados demuestran que los detectores propuestos en esta tesis superan claramente el rendimiento de los detectores utilizados en la práctica actualmente. Además, se concluye en qué condiciones es mejor utilizar un detector u otro. También, en esta tesis se aborda el problema de estimar la relación portadora a ruido de las señales de GNSS débiles. Esta relación aporta información esencial ya que se utiliza en todas las etapas de los receptores de GNSS. En esta tesis proponemos nuevos estimadores de la relación portadora a ruido, que son muy sencillos de implementar en receptores de alta sensibilidad de GNSS y ofrecen una mejora de precisión con respecto a los estimadores propuestos en la literatura. Finalmente, la última parte de la tesis se centra en las binary offset carrier (BOC) de alto orden, un tipo de señal que está implementada en el sistema Galileo. Más precisamente, esta parte está dedicada a proponer estimadores precisos de tiempo de retardo y frecuencia Doppler. Estos estimadores mejoran la precisión del método generalmente aplicado en la práctica para estimar estos parámetros.

Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) have become an indispensable tool of daily life, since they offer us the possibility of accurately knowing our location in real time and in open-sky environments. Since the advent of these systems, a large number of successful GNSS applications have emerged. Some examples of these applications are: car navigation, flight tracking, sport activity tracking and augmented reality games. Due to the success achieved by GNSS, a great interest is emerging to extend its services to harsher environments such as urban canyons and indoor scenarios. However, in these environments GNSS receivers face great difficulties to detect the signals received from the satellites, which are very weak since they suffer from severe attenuation due to the presence of obstacles in the propagation path between satellites and the receiver.

This thesis addresses several problems of processing weak GNSS signals, such as the detection at the acquisition stage, the determination of their signal quality and the time delay and Doppler frequency estimations. To do so, detection and estimation tools are used, which are based on the probability theory and statistics. In order to use these tools, it is necessary to understand the architecture and the signals that GNSSs transmit. For this reason, the first part of the thesis focuses on describing the main features of two of the best-known GNSSs, the American GPS and the European Galileo. In addition, we describe the fundamentals of the receivers and analyze the signals that are implemented in these systems. After that, we explain the required fundamentals of detection theory, namely the Neyman-pearson criterion, the Generalized Likelihood Ratio Test and the Bayesian approach. Then, a review of the state of the art in the detection of GNSS signals is carried out.

The main contribution of this thesis is provided in the second part, which tackles the problem of deriving optimal detectors to acquire weak GNSS signals. We have found that the optimal detector depends on the characteristics of the signal transmitted by the satellite, which is different depending on the selected constellation. The theoretical and simulated results show that the detectors proposed in this thesis clearly outperform the detectors currently used in practice. In addition, we conclude when it is better to apply each detector. Moreover, this thesis addresses the problem of estimating the carrier-to-noise ratio of weak GNSS signals. This parameter provides essential information since it is used in all stages of GNSS receivers. In this thesis, we propose new estimators of the carrier-to-noise ratio, which are very simple to implement in high-sensitivity GNSS receivers and offer an enhanced accuracy with respect to the estimators proposed in the literature. Finally, the last part of the thesis focuses on the so-called high-order binary offset carrier (BOC) signals, a kind of signal that is implemented in the Galileo system. More precisely, this part is devoted to proposing accurate estimators of time delay and Doppler frequency. These estimators improve the accuracy of the method usually applied in practice to estimate these parameters.