Advanced GPS signal processing techniques for LBS services - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

Advanced GPS signal processing techniques for LBS services

Techniques avancées de traitement du signal GPS pour les services LBS

Résumé

In the past, in order for GPS (Global Positioning System) to work accurately, the presence of an unobstructed LOS (Line-Of- ight) signal was necessary. Weak signals were not suitable for use because they may have large associated noise and other errors. The expansion of GPS to LBS (Location- ased Services) and other navigation applications all over the world, such as the E-911 and the E-112 mandates in the United States and Europe respectively, changed the paradigm. Consequently a dramatic increase in the need for more and more performant positioning techniques is expected, especially in urban and indoor environments. These rising localization requirements pose a particularly difficult challenge for GPS receivers design. The thesis objective is to evaluate and enhance existing GPS signal acquisition techniques for positioning goals in harsh environments, in the context of AGPS (Assisted GPS). The AGPS system assumes that the GPS receiver is connected to or introduced in a mobile phone. This allows for the transfer of AD (Assistance Data) to the GPS receiver via the GSM (Global System for Mobile communications) cellular network. Amongst others, the AD provides the GPS receiver with the list of visible satellites and estimates of their Dopplers and code delays, thus reducing the search window of these parameters. This work consists in exploring different GPS signal acquisition to reduce the acquisition time or TTFF (Time To First Fix), without affecting the receiver sensitivity. This is done after a prior study of the GPS radio channel. The study starts out with a revue of the GPS system and the GPS transmitted and received signal structure. The acquisition process is then described in details: the classical acquisition is first described in order to proceed afterwards with the impact of the propagation environment on this stage of the signal processing. For this purpose, harsh environments (urban and indoor) are modelled and analysed. This analysis enables to study the problems which encounter the radio frequency signal propagation through such environments. Note that the urban channel is studied using an existing statistical model developed by Alexander Steingass and Andreas Lehner at the DLR (German Aerospace Center) [Steingass et al., 2005]. On the other hand, an indoor channel model was developed by the ESA (European Space Agency) in the frame of a project entitled “Navigation signal measurement campaign for critical environments” and presented in [Pérez-Fontán et al, 2004]. But this model considers a time invariant statistical channel. Consequently, we developed an Indoor model which rather considers a time variant channel, by taking into account temporal variations of some channel parameters, like the transfer function delay and phase. The initial values are however based on the statistical distributions provided by the ESA model. The channels are analysed is terms of multipaths, cross-correlations and signal masking. The multipaths replicas are particularly disturbing in urban environments while the cross-correlations and masking effects are more disturbing in indoor environments. These phenomena may induce errors in the final solution calculated by the receiver. In order to avoid this error, one solution consists in increasing the signal observation duration in order to enhance the signal to noise ratio. But this generally implies longer acquisition time, thus affecting the receiver iv performance, commercially speaking. Indeed, the time requirements are as important as sensitivity requirements for GPS users. However, these two requirements are not generally compatible with each other. Consequently, an ideal solution consists in reducing the acquisition time without greatly affecting the receiver sensitivity. Accordingly, such advanced methods for acquisition signal processing are described next. Most of these methods aim at reducing the total acquisition time, rather than enhancing the receiver sensitivity. This means however that longer signal blocks can be processed (thus enhancing sensitivity) without affecting the global processing duration. At first, each of these methods is evaluated through the description of its advantages and drawbacks. A performance evaluation of these algorithms, using signals generated with a Spirent STR4500, ensues as a final step of this study
Dans le passé, pour que le GPS (Global Positioning System) fonctionne avec précision, la présence d'un signal LOS (Line Of Right) non obstrué était nécessaire. Les signaux faibles n'étaient pas adaptés à l'utilisation, car ils pouvaient être associés à un bruit important et à d'autres erreurs. L'extension du GPS aux LBS (Location- ased Services) et à d'autres applications de navigation dans le monde entier, telles que les mandats E-911 et E-112 aux États-Unis et en Europe respectivement, a changé le paradigme. En conséquence, on s'attend à une augmentation spectaculaire du besoin de techniques de positionnement de plus en plus performantes, en particulier dans les environnements urbains et intérieurs. Ces exigences croissantes en matière de localisation constituent un défi particulièrement difficile à relever pour la conception des récepteurs GPS. L'objectif de la thèse est d'évaluer et d'améliorer les techniques existantes d'acquisition de signaux GPS pour des objectifs de positionnement dans des environnements difficiles, dans le contexte de l'AGPS (Assisted GPS). Le système AGPS suppose que le récepteur GPS est connecté à un téléphone mobile ou introduit dans celui-ci. Cela permet le transfert de données d'assistance (AD) au récepteur GPS via le réseau cellulaire GSM (Global System for Mobile communications). Entre autres, les AD fournissent au récepteur GPS la liste des satellites visibles et des estimations de leurs Dopplers et des retards de code, réduisant ainsi la fenêtre de recherche de ces paramètres. Ce travail consiste à explorer les différentes acquisitions de signaux GPS pour réduire le temps d'acquisition ou TTFF (Time To First Fix), sans affecter la sensibilité du récepteur. Ceci est fait après une étude préalable du canal radio du GPS. L'étude commence par une revue du système GPS et de la structure des signaux émis et reçus par le GPS. Le processus d'acquisition est ensuite décrit en détail : l'acquisition classique est d'abord décrite afin de procéder ensuite à l'impact de l'environnement de propagation sur cette étape du traitement du signal. À cette fin, des environnements difficiles (urbains et intérieurs) sont modélisés et analysés Cette analyse permet d'étudier les problèmes que pose la propagation du signal radiofréquence à travers de tels environnements. Il est à noter que le canal urbain est étudié en utilisant un modèle statistique existant développé par Alexander Steingass et Andreas Lehner au DLR (Centre aérospatial allemand) [Steingass et al., 2005]. D'autre part, un modèle de canal intérieur a été développé par l'ESA (Agence spatiale européenne) dans le cadre d'un projet intitulé "Campagne de mesure des signaux de navigation pour les environnements critiques" et présenté dans [Pérez-Fontán et al, 2004]. Mais ce modèle considère un canal statistique invariant dans le temps. Par conséquent, nous avons développé un modèle intérieur qui considère plutôt un canal variant dans le temps, en prenant en compte les variations temporelles de certains paramètres du canal, comme le retard et la phase de la fonction de transfert. Les valeurs initiales sont cependant basées sur les distributions statistiques fournies par le modèle ESA. Les canaux sont analysés en termes de trajets multiples, de corrélations croisées et de masquage du signal. Les répliques des multitrajets sont particulièrement perturbantes dans les environnements urbains, tandis que les corrélations croisées et les effets de masquage sont plus perturbants dans les environnements intérieurs. Ces phénomènes peuvent induire des erreurs dans la solution finale calculée par le récepteur. Afin d'éviter cette erreur, une solution consiste à augmenter la durée d'observation du signal afin d'améliorer le rapport signal/bruit. Mais cela implique généralement un temps d'acquisition plus long, ce qui affecte les performances du récepteur iv sur le plan commercial. En effet, les exigences de temps sont aussi importantes que les exigences de sensibilité pour les utilisateurs de GPS. Cependant, ces deux exigences ne sont généralement pas compatibles entre elles. Par conséquent, une solution idéale consiste à réduire le temps d'acquisition sans affecter grandement la sensibilité du récepteur. C'est pourquoi ces méthodes avancées de traitement du signal d'acquisition sont décrites ci-après. La plupart de ces méthodes visent à réduire le temps d'acquisition total, plutôt qu'à améliorer la sensibilité du récepteur. Cela signifie cependant que des blocs de signaux plus longs peuvent être traités (ce qui améliore la sensibilité) sans affecter la durée globale du traitement. Dans un premier temps, chacune de ces méthodes est évaluée à travers la description de ses avantages et inconvénients. Une évaluation des performances de ces algorithmes, utilisant des signaux générés avec un Spirent STR4500, s'ensuit comme étape finale de cette étude
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Dates et versions

tel-02981298 , version 1 (27-10-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02981298 , version 1

Citer

Hanaa Al Bitar-El Natour. Advanced GPS signal processing techniques for LBS services. Signal and Image processing. Institut National Polytechnique (Toulouse), 2007. English. ⟨NNT : 2007INPT024H⟩. ⟨tel-02981298⟩
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