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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DE LA MAÎTRISE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE M. Ing. PAR Jean-Christophe GUAY RÉCEPTEUR SBAS-GNSS LOGICIEL POUR DES APPLICATIONS TEMPS-RÉEL MONTRÉAL, LE 01 OCTOBRE 2010 ©Tous droits réservés, Jean-Christophe Guay, 2010 PRÉSENTATION DU JURY CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. René Jr. Landry, directeur de mémoire Génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Jacques-André Landry, président du jury Génie de la production automatisée à l’École de technologie supérieure M. David Bensoussan, membre du jury Génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Julien Sanscartier, membre du jury externe CMC Électronique IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 7 SEPTEMBRE 2010 À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS Je tiens sincèrement à remercier mon directeur, Professeur René Jr. Landry, de m’avoir donné l’occasion de vivre cette expérience enrichissante. Le monde exaltant du positionnent par satellite n’aurait pu m’être ouvert sans sa proposition de me joindre à son équipe professionnelle et dynamique. Par la même occasion, je remercie toutes les personnes du laboratoire GRN qui m’ont grandement aidé à mener à terme ce projet. Tout d’abord, merci à Bruno Sauriol, le précurseur de ce travail, qui a eu la gentillesse de me conseiller. Merci à Guillaume Lamontagne, Philipe Lavoie, Kaveh Mollaiyan et Thomas Delaporte sans qui les nombreuses heures passées au laboratoire n’auraient pas été aussi stimulantes. Je tiens également, et principalement, à remercier Marc-Antoine Fortin dont le support et les critiques qu’il m’a données m’ont amené à me surpasser. Puis, je tiens à remercier ma conjointe, Laurence Hemery, pour la patience qu’elle a démontrée tout au long de ce travail. RÉCEPTEUR SBAS-GNSS LOGICIEL POUR DES APPLICATIONS TEMPS-RÉEL Jean-Christophe GUAY RÉSUMÉ Le positionnement par satellites est à un point déterminant de son existence. La modernisation des systèmes américain (GPS – Global Positioning System) et russe (GLONASS - GLObal Navigation Satellite System) ainsi que la venue des systèmes européen (Galileo) et chinois (COMPASS) permettront une multitude de nouvelles applications. Ce regroupement de systèmes de positionnement par satellites (GNSS - Global Navigation Satellite System) ainsi que le système d’augmentation du GPS (SBAS - System Based Augmentation System) permettront d’améliorer l’intégrité, la disponibilité, la précision et la vulnérabilité électromagnétique. Afin de profiter au maximum de ces nouveaux signaux, les récepteurs GNSS devront être repensés. L’objectif de ce mémoire consiste à développer un récepteur multifréquence SBAS-GNSS logiciel pour des applications en temps-réel afin de tirer profit de ces nouveaux signaux GNSS. Pour atteindre cet objectif, une architecture de canal BPSK (Binary Phase Shift Keying) satisfaisant plusieurs signaux GNSS a été implémentée. Ces signaux sont : GPS L1 C/A, GPS L2C, SBAS L1, SBAS L5, GLONASS L1 et GLONASS L2. De plus, ce mémoire se concentre aussi sur l’implémentation d’une solution SBAS complète permettant d’améliorer la précision de la solution de navigation. Le canal générique BPSK réalisé permet de poursuivre à la perfection les signaux GPS L1 C/A, SBAS L1, SBAS L5, GLONASS L1, GLONASS L2, COMPASS B1 et COMPASS B2 couvrant ainsi toute la bande GNSS de 1176 MHz à 1602 MHz. Ce canal BPSK ne dégrade aucunement les performances du récepteur SBAS-GNSS comparativement à un canal GPS L1 C/A. En fait, la précision horizontale est passée de 2,3 m à 1 σ à 1,1 m à 1 σ avec quelques ajustements mineurs. De plus, l’implémentation d’un algorithme de lissage via la porteuse améliore cette précision jusqu’à 0,96 m à 1 σ. Le cercle de probabilité de 50% (CEP) pour cette solution lissée est de 0,62 m et celui de 95% de probabilité (R95) est de 2,21 m. Finalement, l’implémentation de la solution SBAS améliore ces performances à 0,73 m à 1 σ, à un CEP de 0,44 m et à un R95 de 1,4 m. Bref, une amélioration de 70% peut être observée entre les travaux précédents et ceux actuels lorsque l’on en compare les performances à 1 σ. De plus, les nouveaux canaux et algorithmes ont également été testés en dynamique. Une amélioration de 5 % peut être observée sur l’écart-type de l’erreur relative à une solution Real-Time Kinematics (RTK). Mots-clés : GNSS, SBAS, GPS, WAAS, GLONASS, Galileo, Compass, Positionnement SOFTWARE SBAS-GNSS RECEIVEER FOR REAL-TIME APPLICATIONS Jean-Christophe GUAY ABSTRACT Satellite positioning is at a critical point of its existence. The modernization of Global Positioning System (GPS) and GLObal Navigation Satellite System (GLONASS) and the arrival of European and Chinese systems will allow a multitude of new applications. This combination of global positioning system satellites and the GPS augmentation system will improve the integrity, availability, accuracy and electromagnetic vulnerability. To takes full advantage of these new signals, the GNSS receiver will be rethought. The objective of this thesis is to develop SBAS-GNSS receiver software for real-time applications to take advantage of these new GNSS signals. To achieve this goal, a channel architecture BPSK (Binary Phase Shift Keying) has been implemented in order to profit from the similarities between different GNSS signals considered in this work. These signals are: GPS L1 C/A, GPS L2C, SBAS L1, L5 SBAS, GLONASS L1 and L2 GLONASS. In addition, this thesis also focuses on implementing a full SBAS solution to improve the accuracy of the navigation solution. BPSK channel tracks GPS L1 C/A, SBAS L1, L5 SBAS, GLONASS L1, L2 GLONASS, COMPASS and COMPASS B1 B2 covering all the band GNSS 1176 MHz to 1602 MHz This channel does not degrade any receiver performance. In fact, the horizontal accuracy is increased from 2.3 m at 1 σ to 1.1 m at 1 σ with some minor adjustments. In addition, the implementation of a smoothing algorithm using the carrier improves accuracy up to 0.96 m at 1 σ. The circle of 50% probability (CEP) for the smoothed solution is 0.62 m and for 95% (R95) is 2.21 m. Finally, the implementation of the SBAS solution improves the performance to 0.73 m at 1 σ, to a CEP of 0.44 m and to a R95 of 1.4 m. Moreover, an improvement of 70% can be observed between the previous works and the actual one when we compare the 1 σ performance. In addition, new channels and algorithms are also tested dynamically. An improvement of 5% can be observed on the standard deviation of error relative to a Real-Time Kinematics (RTK) solution Keywords: GNSS, SBAS, GPS, WAAS, GLONASS, Galileo, Compass, Positioning TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION .....................................................................................................................1 CHAPITRE 1 PRÉSENTATION DU SUJET DE RECHERCHE .........................................3 1.1 Mise en contexte de l’avancement du GNSS .................................................................3 1.2 Motivation de l’utilisation des nouveaux signaux GNSS ..............................................5 1.3 Objectifs du mémoire ...................................................................................................10 1.4 Contributions générales ...............................................................................................11 CHAPITRE 2 STATUT DES SYSTÈMES DE POSITIONNEMENT PAR SATELLITES ................................................................................................12 2.1 Nouveaux systèmes en déploiement (Galileo et Compass) .........................................12 2.1.1 Système de l’Union Européenne Galileo ...................................................... 12 2.1.2 Système de la République Populaire de Chine Compass .............................. 14 2.2 Système mondial de positionnement par satellites américain (GPS) ...........................15 2.2.1 Présentation du système GPS........................................................................ 15 2.2.2 Présentation des signaux civils GPS actuels ................................................. 15 2.2.3 Présentation des différents satellites GPS ..................................................... 18 2.3 Système mondial de positionnement par satellites russe (GLONASS) .......................19 2.3.1 Présentation du système GLONASS ............................................................ 19 2.3.2 Présentation des signaux GLONASS............................................................ 20 2.3.3 Présentation des différents satellites GLONASS .......................................... 21 2.4 Système régional d’augmentation de précision du GPS (SBAS) ................................22 2.4.1 Présentation du système SBAS ..................................................................... 22 2.4.2 Présentation des signaux SBAS .................................................................... 24 2.4.3 Bref historique et présentation des différents satellites SBAS ..................... 25 2.5 Compatibilité et interopérabilité des systèmes GNSS .................................................27 2.5.1 Analyse de l’interopérabilité des fréquences ................................................ 28 2.5.2 Analyse de l’interopérabilité des modulations .............................................. 29 2.5.3 Analyse de l’interopérabilité des structures des messages de navigation ..... 31 2.5.4 Analyse de l’interopérabilité des références temporelles et géographiques . 31 2.6 Conclusion du statut des systèmes de positionnement par satellites ...........................32 CHAPITRE 3 MISE EN ŒUVRE D’UN CANAL DE DÉMODULATION BPSK ............34 3.1 Considérations relativement à l’antenne d’un récepteur GNSS ..................................35 3.2 Tête de réception radio-fréquence (RF) et échantillonnage du signal IF .....................36 3.3 Analyse du module de démodulation IF ......................................................................41 3.3.1 Vérification de la consigne de la boucle à verrouillage de phase (PLL) ...... 47 3.3.2 Vérification de la consigne de la boucle à verrouillage de délai (DLL) ....... 50 3.3.3 Implémentation des générateurs de code d’étalement en bloc mémoire ...... 51 VII 3.3.4 Validation du registre à décalage de la DLL ................................................ 52 3.3.5 Mise en œuvre d’un mécanisme de contrôle des canaux BPSK ................... 54 3.4 Analyse de l’acquisition d’un signal GNSS .................................................................56 3.5 Analyse de la poursuite d’un signal GNSS ..................................................................61 3.6 Analyse du calcul de la solution de navigation ............................................................64 3.6.1 Calcul des mesures d’observation GNSS ..................................................... 64 3.6.2 Équations pour le calcul de la solution de navigation ................................... 67 3.7 Résultats préliminaires du canal BPSK .......................................................................70 3.8 Conclusion de la mise en œuvre d’un canal de démodulation BPSK ..........................72 CHAPITRE 4 ANALYSE DES SOURCES D’ERREURS D’UN RÉCEPTEUR GNSS ....73 4.1 Introduction ..................................................................................................................73 4.2 Méthodologie pour la prise des mesures présentées ....................................................74 4.2.1 Performance du uploads/Geographie/guay-jean-christophe-web.pdf