módulos de búsqueda y seguimiento para receptor gps sobre...

Módulos de búsqueda y seguimiento para receptor GPS

sobre FPGA

AutorEsp. Ing. Facundo S. Larosa

DirectorDr. Ing. Héctor A. Lacomi

CodirectorIng. Nicolás Álvarez

Maestría en Sistemas EmbebidosUniversidad de Buenos Aires

Índice

1. Contexto y motivación

2. Marco teórico

3. Desarrollo

4. Resultados y conclusiones

Contexto y motivación 1

Sistemas de posicionamiento global

Los sistemas de posicionamiento globalson de gran importancia para laactividad económica, científica,comercial y militar.

Órbitas del sistema GPS

◉ GPS (Estados Unidos)◉ GLONASS (Rusia)◉ Beidou (China)◉ Galileo (Unión Europea)◉ INSS (India) *

¿Por qué GPS?

La elección del sistema GPS sobre los otros sistemas se basa en:

1. De los sistemas más desarrollados (GPS y GLONASS) está mejordocumentado y existe mayor cantidad de bibliografía al respecto.

2. El sistema está en proceso de modernización (Bloque III) lo cualimplicará nuevas señales que ampliarán el campo de estudio.

3. Es el sistema de uso más difundido, facilitando el contraste de losresultados obtenidos con otros receptores tanto comerciales comoexperimentales.

Arquitectura del sistema GPS

Se compone de:

◉ Segmento satelital

Está conformado por los satélites de la

constelación.

◉ Segmento de usuario

Está compuesto por los receptores que se

utilizan para obtener la solución de navegación

◉ Segmento de control

Se compone de las estaciones terrenas

que controlan los satélites

¿Para qué hacer otro receptor?

Receptor GPS dedicado

Receptores integrados a celulares

Módulos GPS integrables

Limitaciones

Monolíticos

Arquitectura fija

Prestaciones

Objetivos

Modular

Flexible

Configurable

Restricciones acceso

Desarrollo independiente

Marco teórico 2

Señales GPS: Generación satelital

◉ Mensaje de navegación: Se compone de efemérides (parámetros orbitales) yvariables del estado del satélite.

◉ Código C/A: Es una secuencia pseudoaleatoria y es única para cada satélite.Provee redundancia al mensaje y permite diferenciarlo del de otros satélites.

◉ Portadora: Permite la radiación del mensaje y su frecuencia es única para todoslos satélites de la constelación.

Generación de señal GPSDiagrama en bloques

Recuperación de señal GPS

Recuperación de señal GPS

Recuperación de señal GPS

Para realizar la recuperación, se requiere de dos funciones fundamentales:

Arquitectura de receptor

En función de los objetivos planteados y las funcionalidades a implementar sepropone desarrollar la siguiente arquitectura:

Arquitectura de receptorLa arquitectura posee las siguientes características principales:

Programable

Modular

Objeto del trabajo

Implementación 3

Desarrollo de la arquitectura del receptor

En esta sección, a partir de la arquitectura planteada se van a desarrollar los

siguientes módulos:

◉ Front end

◉ Módulo de búsqueda

◉ Módulo de seguimiento

Además, se explicarán algunos criterios adoptados, metodología de trabajo y

resultados.

Front end: Funcionalidad

El front end tiene como funciones principales:◉ Preamplificar la señal proveniente de la antena (mejorar la figura de ruido)◉ Filtrar la señal de entrada◉ Convertir la señal a frecuencia intermedia◉ Digitalizar la señal para que pueda ser procesada

Front end

Conector FPGA

Conector Antena

Se diseñó y fabricó una placa de circuito impreso que puede utilizar una antena activao pasiva para conectarse directamente al kit de desarrollo de FPGA (Nexys 2).

Se utilizó un circuito integrado específico (Skyworks 4150):

◉ Bajo costo◉ Interoperabilidad◉ Permite diferentes posibilidades de configuración

Integración del front end con el kit FPGA

Front end Kit de desarrollo

FPGA(Nexys 2)

Antena activa

Metodología de desarrollo

Modelo matemático del

sistema

Se estudian las ecuaciones que

realizan las distintas

operaciones (tiempo discreto, dominio Z,

etc.)

Simulación del modelo

matemático

Se simula el modelo a partir de

diferentes estímulos (señales sintéticas y

reales)

Diseño de circuito digital

Se plantea un modelo circuital

que implementa el sistema a partir de

su modelo matemático.

Implementación de circuito digital

Se describe el circuito utilizando

un lenguaje de descripción de

hardware (VHDL)

Los circuitos de lógica programable se desarrollaron a partir de la siguiente metodología:

Módulo de búsquedaLa operación de búsqueda consiste en encontrar para la señal de entrada:

◉ Fase de código C/A

◉ Frecuencia de portadora

Método exhaustivo

Módulo de búsqueda: Estructura

Réplica código C/A

Réplicas portadora

EstimadorSeñal de entrada

1. Se varían los parámetros de las

réplicas locales

2. Se obtiene un valor del

estimador y se compara con un

umbral de detección

Módulo de búsqueda

Como resultado del proceso de búsqueda se obtiene el valor del estimador C paralos diferentes valores del dominio. La búsqueda de un satélite en particular puededar como resultado:

◉ Satélite presente

Módulo de búsqueda

Como resultado del proceso de búsqueda se obtiene el valor del estimador C paralos diferentes valores del dominio. La búsqueda de un satélite en particular puededar como resultado:

◉ Satélite ausente

Módulo de seguimientoLa operación de seguimiento consiste en mantener en todo momentosincronizadas las réplicas locales con la señal de entrada:

◉ Fase de código C/A

◉ Frecuencia de portadora

Sistema de control

Módulo de seguimiento: Estructura propuesta

Módulo de seguimiento

El sistema planteado puede analizarse desacoplando los lazos de control:

◉ Código C/A: Considerando que la portadora coincide en fase yfrecuencia y analizando únicamente la parte de la estructura quedepende del código C/A.

◉ Portadora: Considerando que el código C/A coincide en fase yanalizando únicamente la parte de la estructura que depende de laportadora.

Módulo de seguimiento: Lazo de código C/APartimos de la estructura original y asumiendo que la réplica de portadoraestá enfasada, se desafectan las operaciones que depende únicamente dedicha señal.

Módulo de seguimiento: Lazo de código C/APartimos de la estructura original y asumiendo que la réplica de portadoraestá enfasada, se desafectan las operaciones que depende únicamente dedicha señal.

A partir de las tres versiones de código se generan tres

estimadores que indican el estado de sincronización

Módulo de seguimiento: Lazo de código C/ASe generan tres versiones de código C/A desplazadas entre sí, de forma tal quecuando el sistema:

◉ Está sincronizado

Módulo de seguimiento: Lazo de código C/ASe generan tres versiones de código C/A desplazadas entre sí, de forma tal quecuando el sistema:

◉ Comienza a perder sincronia (en este caso, la señal de entrada se atrasa)

Seguimiento: Lazo de código C/A

Prompt

Early

Late

Módulo de seguimiento: Lazo de portadoraPartimos de la estructura original y asumiendo que la réplica de códigoC/A está enfasada, se desafectan las operaciones que depende únicamentede dicha señal.

Módulo de seguimiento: Lazo de portadoraPartimos de la estructura original y asumiendo que la réplica de códigoC/A está enfasada, se desafectan las operaciones que depende únicamentede dicha señal.

Módulo de seguimiento: Lazo de portadoraSuponiendo que se produzca una variación de la frecuencia de la señal deentrada se puede modelar la dinámica del lazo de portadora:

Condición de enganche

Variación repentina de la frecuencia de

entrada

Módulo de seguimiento: Lazo de portadoraEl sistema actuará respondiendo a la perturbación y compensando ladiferencia de frecuencia entre la señal de entrada y la réplica:

Condición de enganche

Respuesta a la perturbación

Módulo de seguimiento: Lazo de portadora

La modulación de fase del mensaje de navegación puede demodularsedirectamente a partir de la rama en fase del lazo de portadora:

ResultadosConclusiones 4

Resultados

Se obtuvieron como resultados del trabajo:

◉ Se logró diseñar, construir y validar un front end modular

Se obtuvieron como resultados del trabajo:

Resultados

◉ Se logró diseñar, simular y construir un módulo de búsqueda utilizando señales sintéticas y reales e implementarlo sobre hardware programable (FPGA)

◉ Se logró diseñar, simular y construir un módulo de seguimiento utilizando señales sintéticas y reales e implementarlo sobre hardware programable (FPGA).

Resultados

◉ Se diseñaron de forma portable y flexible al implementarse en lógica programable

◉ Se logró un uso eficiente de los recursos de la FPGA

Los módulos desarrollados:

Módulo de búsqueda

Recurso Cantidad Ocupación

Slice FFs 399 4%

4 Input LUTs 470 5%

Slices 425 9%

Módulo de seguimiento

Recurso Cantidad Ocupación

Slice FFs 470 5%

4 Input LUTs 432 5%

Slices 464 10%

Resultados

◉ Se logró integrar diferentes áreas de conocimiento: procesamiento de señales digitales, simulación de sistemas, control digital, implementación de circuitos en lógica programable, entre otros.

Se obtuvieron como resultados del trabajo:

Conclusiones

Se obtuvieron como conclusiones del trabajo:

◉ La arquitectura planteada pudo construirse modularmente integrando diferentes sistemas:

◉ La metodología de trabajo utilizada resultó ser adecuada para elproyecto, pudiendo utilizarse en otras iniciativas de similarescaracterísticas.

Conclusiones

Se obtuvieron como conclusiones del trabajo:

Modelo matemático del

sistema

Simulación del modelo

matemático

Diseño de circuito digital

Implementación de circuito

digital

◉ A mi familia

◉ A Ariel Lutenberg

◉ A mis docentes

◉ A mis directores: Héctor Lacomi y Nicolás Álvarez

◉ A la UTN Haedo

◉ A la Universidad de Buenos Aires

◉ A CITEDEF

¿Preguntas?