Navigation par satellite et radio logicielle

Les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) font référence aux systèmes qui utilisent des satellites en orbite pour aider les appareils terrestres à déterminer les informations de navigation. Les récepteurs utilisent généralement des algorithmes de multilatération pour déduire leur emplacement par rapport aux satellites en orbite. Ces informations consistent généralement en divers paramètres de synchronisation et d'orbite, à partir desquels un récepteur peut déduire sa position par rapport aux satellites en orbite. Développée à l'origine à des fins de défense, l'utilité de cette technologie l'a maintenant déployée dans une variété de produits de consommation, commerciaux et industriels.

Le système GNSS original et le plus connu est le Global Positioning System, qui appartient et est exploité par le gouvernement des États-Unis. L'impact, l'utilité et les avantages du GPS couvrent tout, de la navigation personnelle via les téléphones portables à la navigation aérienne, en passant par les enquêtes de construction et la logistique. L'importance stratégique et économique du système a également motivé d'autres pays et alliances à développer leurs propres systèmes alternatifs, tels que Galileo, Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) et BeiDou.

Les critères critiques utilisés pour évaluer les performances des récepteurs comprennent la précision spatiale, la sensibilité et l'intégrité. Ceci est important car les satellites GNSS orbitent autour de la Terre à une altitude d'environ 20 000 km avec une puissance de transmission comprise entre 20 et 240 W; cela correspond à la force du signal reçu mesuré à la surface de la Terre d'environ -130 dBm (ou environ 0,05 % de la force d'un signal de téléphone portable). De plus, les signaux sont également transmis sur la même fréquence et les récepteurs sur Terre doivent non seulement détecter le signal, mais ils doivent également récupérer les informations codées afin de traiter les données.

Cela nécessite que les récepteurs GNSS équilibrent simultanément les exigences concurrentes de sensibilité élevée aux signaux faibles et de filtrage agressive des signaux en dehors de la plage spécifiée. La sensibilité d'un récepteur est une mesure clé de la performance et se rapporte à la puissance minimale du signal pouvant être reçu tout en garantissant que les données codées peuvent être capturées et décodées. Bien qu'une sensibilité élevée soit la clé de performances élevées, les récepteurs doivent également contenir une méthode de filtrage des données entrantes. Ces filtres sont nécessaires pour garantir que le récepteur n'est pas endommagé par des interférences indésirables et peuvent être utilisés pour améliorer les signaux souhaités. Une fois le signal reçu et filtré, les données codées doivent être décodées pour l'application spécifique; cela nécessite que le récepteur ait des capacités de traitement.

Chacune des fonctions ci-dessus est généralement accomplie par le biais de circuits intégrés (CI) dédiés et spécifiques à l'application. Ces circuits intégrés sont utilisés partout où le GNSS est requis; de la navigation des véhicules aux téléphones portables, en passant par les applications logistiques de suivi nécessitant un suivi de localisation. Les récepteurs GNSS traditionnels sont conçus à l'aide de ces circuits intégrés, mais par conséquent, ils sont généralement rigides et ne peuvent pas être mis à niveau, ce qui permet de répondre uniquement aux besoins d'une fréquence de constellation spécifique, par exemple GPS L1. Cela présente de multiples défis et coûts pour ceux qui ont besoin de flexibilité sur plusieurs constellations et fréquences et qui souhaitent pouvoir mettre à niveau leurs récepteurs à mesure que la technologie progresse.

Les récepteurs GNSS traditionnels sont souvent limités à des constellations spécifiques et, par extension, à des plages de réglage. Les capacités multi-GNSS présentent cependant des avantages significatifs lorsque plusieurs fréquences et/ou constellations sont utilisées. Non seulement un plus grand nombre de satellites améliorent la continuité et la disponibilité du système, mais ils améliorent également le temps de première réparation et prennent mieux en charge les opérations dans les zones difficiles, telles que les régions polaires ou montagneuses, où la topographie entraîne des problèmes de visibilité entre le récepteur et le satellite .

L'intégrité des systèmes GNSS est loin d'être assurée – non seulement ces systèmes sont soumis à des sources naturelles d'interférences et à des phénomènes atmosphériques, mais ils sont également soumis à des interférences radio provenant de sources artificielles. Ces interférences peuvent affecter une ou plusieurs fréquences, et dues à des émissions parasites ou intentionnelles. En cas d'interférences parasites, la redondance du récepteur permet d'assurer un fonctionnement correct.

Cependant, les récepteurs traditionnels sont confrontés à de sérieuses limitations lorsqu'ils fonctionnent dans des environnements intentionnellement contestés, tels que ceux dans lesquels des bandes spécifiques peuvent être brouillées ou fournies avec des informations fausses ou trompeuses. Ces cas demandent souvent aux récepteurs d'identifier et de faire la distinction entre les émissions parasites ou fausses et le signal sous-jacent réel. Pour les applications critiques, être capable de s'identifier lorsqu'il fonctionne dans un environnement contesté est une exigence essentielle.

Dans de tels cas, recevoir des données de plusieurs constellations et fréquences, et vérifier les résultats entre la position attendue et réelle est un attribut important. Comme les récepteurs GNSS traditionnels sont généralement développés pour fonctionner dans des environnements incontestés, la mise à niveau de ces systèmes pour répondre à ce besoin entraîne un coût et un temps d'arrêt non négligeables. De plus en plus, les radios définies par logiciel (SDR) offrent la possibilité de fournir la flexibilité nécessaire pour mettre en œuvre des algorithmes robustes qui peuvent non seulement identifier divers environnements contestés, mais également maintenir avec succès les informations de verrouillage et de navigation.

Les récepteurs radio définis par logiciel sont intrinsèquement flexibles et permettent désormais de modifier les fonctions définies par le matériel à l'aide d'un logiciel. Le matériel du récepteur défini par logiciel comporte deux parties qui en font une solution attrayante en tant que récepteur GNSS. Le premier est le frontal radio flexible, qui permet aux utilisateurs de syntoniser différentes fréquences et, dans de nombreux cas, en même temps. Ces frontaux radio peuvent également fournir un filtrage analogique pour réduire les interférences causées par les sources proches. Cela peut être fait sur plusieurs fréquences et constellations simultanément, à condition que le récepteur SDR dispose de suffisamment de canaux radio. La deuxième partie des récepteurs SDR qui en font une solution attrayante est les capacités de traitement du signal numérique (DSP) embarquées. De nombreux SDR ont une forme de DSP à bord qui permet le traitement des signaux reçus. Ce DSP permet également un filtrage numérique supplémentaire sur le signal entrant pour améliorer encore la qualité.

Ensemble, ces capacités fournissent une plate-forme capable de fournir économiquement la fonctionnalité des récepteurs GNSS traditionnels, tout en permettant l'utilisation de bandes passantes considérablement plus larges. Ensemble, ils permettent d'implémenter des algorithmes plus sophistiqués sur les récepteurs et fournissent également un moyen de les mettre à niveau rapidement à mesure que de nouvelles techniques et technologies de traitement sont développées. Ces systèmes définis par logiciel créent un tout nouvel ensemble de possibilités pour le GNSS et devraient être pris en compte pour tout projet GNSS.