Satellietnavigatie en Software Defined Radio

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) verwijst naar systemen die satellieten in een baan om de aarde gebruiken om aardgebonden apparaten te helpen bij het bepalen van navigatie-informatie. Ontvangers gebruiken meestal multilateratie-algoritmen om hun locatie af te leiden ten opzichte van de in een baan om de aarde draaiende satellieten. Deze informatie bestaat typisch uit verschillende timing- en baanparameters, waaruit een ontvanger zijn positie ten opzichte van de in een baan om de aarde draaiende satellieten kan afleiden. Hoewel deze technologie oorspronkelijk werd ontwikkeld voor defensiedoeleinden, is deze technologie nu in gebruik genomen in een verscheidenheid aan consumenten-, commerciële en industriële producten.

Het originele en meest bekende GNSS-systeem is het Global Positioning System, dat eigendom is van en wordt beheerd door de regering van de Verenigde Staten. De impact, het nut en de voordelen van GPS omvatten alles, van persoonlijke navigatie via mobiele telefoons, tot vliegtuignavigatie, tot bouwonderzoeken en logistiek. Het strategische en economische belang van het systeem heeft ook andere landen en allianties gemotiveerd om hun eigen, alternatieve systemen te ontwikkelen, zoals Galileo, Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) en BeiDou.

De kritische criteria die worden gebruikt om de prestaties van ontvangers te beoordelen, zijn onder meer ruimtelijke nauwkeurigheid, gevoeligheid en integriteit. Dit is belangrijk omdat GNSS-satellieten rond de aarde draaien op een hoogte van ongeveer 20.000 km met een zendvermogen tussen 20-240W; dit komt overeen met een gemeten ontvangen signaalsterkte op het aardoppervlak van ongeveer -130 dBm (of ongeveer 0,05% van de sterkte van een mobiel telefoonsignaal). Bovendien worden de signalen ook op dezelfde frequentie verzonden en moeten de ontvangers op aarde niet alleen het signaal detecteren, maar ook de gecodeerde informatie herstellen om de gegevens te verwerken.

Dit vereist dat GNSS-ontvangers tegelijkertijd de concurrerende vereisten van hoge gevoeligheid voor zwakke signalen in evenwicht brengen en ook agressief uitfilteren van signalen buiten het gespecificeerde bereik. De gevoeligheid van een ontvanger is een belangrijke maatstaf voor prestaties en heeft betrekking op de minimale signaalsterkte die kan worden ontvangen, terwijl er toch voor wordt gezorgd dat de gecodeerde gegevens kunnen worden vastgelegd en gedecodeerd. Hoewel hoge gevoeligheid de sleutel is tot hoge prestaties, moeten ontvangers ook een methode bevatten om de binnenkomende gegevens te filteren. Deze filters zijn nodig om ervoor te zorgen dat de ontvanger niet wordt beschadigd door ongewenste interferentie en kunnen worden gebruikt om de gewenste signalen te versterken. Zodra het signaal is ontvangen en gefilterd, moeten de gecodeerde gegevens worden gedecodeerd voor de specifieke toepassing; hiervoor moet de ontvanger verwerkingscapaciteiten hebben.

Elk van de bovenstaande functies wordt meestal bereikt via speciale, toepassingsspecifieke, geïntegreerde schakelingen (IC's). Deze IC's worden overal gebruikt waar GNSS vereist is; van voertuignavigatie tot mobiele telefoons tot het volgen van logistieke toepassingen die locatietracering vereisen. Traditionele GNSS-ontvangers zijn ontworpen met gebruikmaking van deze IC's, maar zijn daardoor doorgaans niet flexibel en kunnen niet worden geüpgraded, waardoor ze alleen kunnen voldoen aan de behoeften voor een specifieke constellatiefrequentie, bijvoorbeeld GPS L1. Dit brengt meerdere uitdagingen en kosten met zich mee voor diegenen die flexibiliteit nodig hebben over meerdere constellaties en frequenties en die de mogelijkheid willen hebben om hun ontvangers te upgraden naarmate de technologie vordert.

Traditionele GNSS-ontvangers zijn vaak beperkt tot specifieke constellaties en, bij uitbreiding, afstemmingsbereiken. Er zijn echter aanzienlijke voordelen aan multi-GNSS-mogelijkheden waar meerdere frequenties en/of constellaties worden gebruikt. Niet alleen verbeteren meer satellieten de continuïteit en beschikbaarheid van het systeem, ze verbeteren ook de tijd die nodig is om het systeem voor het eerst op te lossen en bieden betere ondersteuning voor de operatie in uitdagende gebieden, zoals poolgebieden of bergachtige gebieden, waar de topografie zichtbaarheidsproblemen veroorzaakt tussen de ontvanger en de satelliet .

De integriteit van GNSS-systemen is verre van verzekerd – deze systemen zijn niet alleen onderhevig aan natuurlijke storingsbronnen en atmosferische verschijnselen, ze zijn ook onderhevig aan radio-interferentie van kunstmatige bronnen. Deze interferentie kan een enkele of meerdere frequenties beïnvloeden, en door onechte of opzettelijke emissies. In het geval van onechte interferentie, zorgt de redundantie van de ontvanger voor een correcte werking.

Traditionele ontvangers worden echter geconfronteerd met ernstige beperkingen bij het werken in opzettelijk omstreden omgevingen, zoals die waarin specifieke banden kunnen worden vastgelopen of voorzien van valse of misleidende informatie. Deze gevallen vereisen vaak dat ontvangers valse of valse emissies en het werkelijke onderliggende signaal identificeren en onderscheiden. Voor bedrijfskritieke toepassingen is het een essentiële vereiste om te kunnen identificeren wanneer ze in een omstreden omgeving werken.

In dergelijke gevallen is het ontvangen van gegevens van meerdere sterrenbeelden en frequenties en het controleren van resultaten tussen verwachte en werkelijke positie een belangrijk kenmerk. Aangezien traditionele GNSS-ontvangers over het algemeen zijn ontwikkeld voor gebruik in onbetwiste omgevingen, zijn er niet-triviale kosten en uitvaltijd verbonden aan het upgraden van deze systemen om aan deze behoefte te voldoen. Software Defined Radio's (SDR) bieden steeds vaker de mogelijkheid om de flexibiliteit te bieden om robuuste algoritmen te implementeren die niet alleen verschillende betwiste omgevingen kunnen identificeren, maar ook met succes vergrendelings- en navigatie-informatie kunnen behouden.

Software-gedefinieerde radio-ontvangers zijn inherent flexibel en maken het mogelijk om traditioneel hardware-gedefinieerde functies nu te wijzigen met behulp van software. De software-gedefinieerde ontvangerhardware bestaat uit twee delen, waardoor ze een aantrekkelijke oplossing zijn als GNSS-ontvanger. De eerste is de flexibele front-end van de radio, waarmee gebruikers op verschillende frequenties en in veel gevallen tegelijkertijd kunnen afstemmen. Deze radio-frontends kunnen ook analoge filtering bieden om de interferentie veroorzaakt door nabijgelegen bronnen te verminderen. Dit kan over meerdere frequenties en constellaties tegelijk, mits de SDR-ontvanger over voldoende radiokanalen beschikt. Het tweede onderdeel van SDR-ontvangers dat ze tot een aantrekkelijke oplossing maakt, zijn de ingebouwde digitale signaalverwerking (DSP)-mogelijkheden. Veel SDR's hebben een vorm van DSP aan boord die de verwerking van de ontvangen signalen mogelijk maakt. Deze DSP maakt ook extra digitale filtering op het inkomende signaal mogelijk om de kwaliteit verder te verbeteren.

Samen vormen deze mogelijkheden een platform dat in staat is om economisch de functionaliteit van traditionele GNSS-ontvangers te bieden, terwijl het gebruik van aanzienlijk grotere bandbreedtes mogelijk maakt. Samen zorgen ze ervoor dat meer geavanceerde algoritmen op ontvangers kunnen worden geïmplementeerd en bieden ze ook een middel om ze snel te upgraden naarmate nieuwe verwerkingstechnieken en -technologieën worden ontwikkeld. Deze softwaregedefinieerde systemen creëren een geheel nieuwe reeks mogelijkheden voor GNSS en zouden voor elk GNSS-project in overweging moeten worden genomen.