Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

• Main Author: Avanzi, Alessandro <1983>
• Other Authors: Tortora, Paolo
• Format: Doctoral Thesis
• Language: en
• Published: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna 2012
• Subjects: ING-IND/05 Impianti e sistemi aerospaziali
• Online Access: http://amsdottorato.unibo.it/4751/

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model. === L’attività di dottorato è stata svolta svolge nell’ambito del laboratorio di Microsatelliti e Microsistemi Spaziali della II Facoltà di Ingegneria, Università di Bologna. L’oggetto principale dell’attività di dottorato è lo sviluppo di un ricevitore GNSS per la determinazione orbitale di microsatelliti in orbita bassa. Questo sviluppo parte dall’architettura elettronica per arrivare fino agli algoritmi di navigazione, coinvolgendo tutti gli aspetti che riguardano questo tipo di applicazioni. L’utilizzo di ricevitori GPS per determinazione orbitale è un’applicazione sperimentata e consolidata in diverse missioni spaziali, tuttavia l’avvento di nuovi sistemi GNSS come l’europeo Galileo e il cinese COMPASS oltre all’ammodernamento del russo GLONASS, offrono nuove possibilità in termini di segnali e servizi disponibili. La valutazione dei benefici derivanti dall’utilizzo di questi nuovi sistemi, insieme all’implementazione di un ricevitore compatibile con almeno una delle nuove costellazioni, sono tra le tematiche trattate nella attività di dottorato. Il complesso delle attività si può dividere in tre blocchi: la definizione dei requisiti del ricevitore e implementazione del prototipo, il progetto e la verifica degli algortimi di tracking del segnale GNSS, e il progetto e la verifica degli algoritmi di navigazione. Il prototipo di ricevitore è basato su FPGA Virtex di Xilinx, e include un processore PowerPC. L’architettura segue il paradigma di software defined radio, per cui la maggior parte della elaborazione del segnale è effettuata in software mentre solo quanto è strettamente necessario è effettuato in hardware. Gli algoritmi di tracking sono una combinazione di Phase Locked Loop e Frequency Locked Loop per la portante e un Delay Locked Loop a banda variabile per il codice. L’algoritmo di navigazione che produce i dati di posizione e velocità a partire dalle osservabili GNSS, è basato su un filtro di Kalman esteso, ed include un accurato modello dinamico dell’orbita.