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