Progetto e collaudo di un ricevitore GPS satellitare per il satellite universitario PiCPoT Relatori: Leonardo Reyneri Claudio Sansoè Candidata: Monica Piemontese

PiCPoT: Piccolo Cubo del POlitecnico di Torino Primo satellite artificiale del Politecnico di Torino 13/09/2006

PiCPoT - Obiettivi Realizzato con componenti commerciali a basso costo (COTS) Piccole dimensioni Orbita di tipo LEO (Low Earth Orbit) Assenza di propulsore a bordo Assenza di controllo dell’orbita Necessità di un ricevitore GPS spaziale 13/09/2006

Sistema GPS: Global Positioning System La posizione è individuata a partire dalla distanza da 4 satelliti 13/09/2006

Segnale GPS Ogni satellite utilizza due portanti: Modulate in fase da: L1=1575,42MHz L2=1227,60MHz Modulate in fase da: Codice P Codice C/A Codice D (Messaggio di Navigazione) Effemeridi: posizione del satellite Almanacco: posizione della costellazione Codici PRN 13/09/2006

Ricevitore GPS Ricerca bidimensionale del segnale GPS: Frequenza L1 Codice C/A Due modalità di ricerca: Cold Start senza almanacco più lenta Hot/Warm Start con almanacco più rapida 13/09/2006

Ricevitore GPS Aggancia frequenza e codice del segnale GPS Trasla di frequenza ed effettua la correlazione con il segnale GPS Calcola la distanza dal satellite come Trova la posizione da almeno 4 distanze 13/09/2006

Ricevitore GPS – SigNaV MG5001 Ricevitore commerciale SigNaV MG5001: ARM7TDMI Ampia RAM per applicazioni custom RF Front-end Zarlink GP2015 (4,309MHz) Correlatore a 12 canali Zarlink GP4020 13/09/2006

Ricevitore GPS spaziale Problemi: Restrizioni sul software commerciale imposte dal DOD Radiazioni cosmiche Alta dinamica Il SigNaV MG5001 è sufficientemente robusto su orbita LEO Spostamento di frequenza dovuto all’Effetto Doppler 13/09/2006

Effetto Doppler Per la portante L1 lo spostamento di frequenza è di 40kHz su PiCPoT con rate di 50Hz, mentre a terra è di 5kHz I principali problemi: Ricerca a Freddo Tracking 13/09/2006

Effetto Doppler - Soluzione Modifica del firmware del ricevitore GPS intervenendo su ricerca e tracking del segnale GPS per: eliminare restrizioni software compensare effetto Doppler 13/09/2006

Progetto GPL-GPS: firmware GPS Open Source Dalla descrizione C/UML del sistema: 13/09/2006

Progetto GPL-GPS – Ricerca bidimensionale a terra La ricerca a terra viene effettuata: a step di 200Hz per un totale di 40 passi per la frequenza da 1 a 2046 mezzi chip per il codice scansione di tutti i codici per ogni frequenza 13/09/2006

Algoritmi di ricerca nello spazio Sono stati analizzati diversi algoritmi che si basano su: Ricerca della frequenza L1 a step di 200Hz su un range di ±40kHz  400 passi di ricerca Ricerca del codice da 1 a 2046 mezzi chip Ogni algoritmo è stato implementato e simulato in MATLAB® 13/09/2006

Algoritmi di ricerca nello spazio - Esempio Ricerca incrementale: Frequenza: a passi di +200Hz a partire da -40kHz fino a 40kHz Codice: da 1 a 2046 mezzi chip Per ogni frequenza si effettua l’intera scansione dei codici 13/09/2006

Analisi del Tracking Analisi simulative dimostrano che l’algoritmo terrestre di tracking del segnale risulta sufficientemente robusto 13/09/2006

Piattaforma di sviluppo Utilità della piattaforma di sviluppo: Sviluppare firmware spaziale Programmare l’ARM7TDMI da un PC Collaudare il firmware durante il funzionamento Composizione della piattaforma: Tool di sviluppo firmware Board di supporto 13/09/2006

Tool di sviluppo Si compone principalmente di: eCos: sistema operativo RTOS per sistemi embedded RedBoot: boot loader GCC: compilatore del firmware HyperTerminal: comunicazione tra PC e ricevitore GPS 13/09/2006

Board di sviluppo Alimenta il ricevitore e supporta lo sviluppo del firmware collegando direttamente l’AM7TDMI con il PC tramite linea seriale 13/09/2006

Board di sviluppo Programmazione Debug Ricevitore SigNaV MG5001 13/09/2006

Ambiente di collaudo L’ambiente spaziale è difficilmente riproducibile Simulazione del segnale GPS come viene ricevuto dal ricevitore nello spazio in MATLAB® 13/09/2006

Segnale GPS emulato Il segnale GPS trasmesso si compone di: Messaggio di navigazione Codice C/A (PRN) di ciascun satellite modulati alla frequenza di lavoro del RF Front-end (4,309MHz) 13/09/2006

Segnale GPS emulato Il segnale GPS deve tenere conto del tempo di propagazione, ottenuto da: Posizione dei satelliti GPS Posizione di PiCPoT Distanza ds(t) Tempo di propagazione 13/09/2006

Segnale GPS emulato Il segnale GPS ricevuto è ottenuto: Sommando il segnale GPS di più satelliti, tenendo conto del tempo di propagazione di ciascuno di essi Campionando a 5,715MHz (frequenza di lavoro del correlatore) 13/09/2006

Ambiente di collaudo Il segnale GPS emulato viene iniettato direttamente sui pin del correlatore 13/09/2006

Conclusioni Il progetto ha fornito le basi per l'implementazione a bordo di PiCPoT di un ricevitore GPS commerciale come il SigNaV MG5001 attraverso: L’analisi delle principali difficoltà dovute alle alte dinamiche raggiunte nello spazio Studio del firmware terrestre attraverso realizzazione di Diagrammi UML Analisi di modifiche al firmware del ricevitore riguardanti soprattutto l'algoritmo di ricerca del segnale Progetto e realizzazione di una piattaforma di sostegno Sviluppo di un ambiente di collaudo Ulteriori sviluppi: Implementazione di uno degli algoritmi proposti Collaudo finale attraverso l’emulatore di segnale GPS sviluppato 13/09/2006