A fast acquisition and tracking architecture for a gps handheld receiver based on ffts

Resumo

TITULO: A fast acquisition AND tracking architecture FOR A gps handheld receiver based ON ffts Resumen: Los receptores de GPS requieren un tiempo elevado para realizar la adquisición de la señal. Esto es debido a que los métodos tradicionales utilizados para estos fines requieren de un gran número de operaciones. La adquisición se realiza mediante el cálculo de la convolución entre la señal del satélite y la réplica generada en el receptor. Esta convolución puede ser substituida mediante una Transformada Discreta de Fourier y calcular así la adquisición en el dominio frecuencial. El objetivo de esta tesis es proponer nuevo algoritmo capaz de reducir el tiempo de adquisición de la señal de GPS, implementándolo después en un prototipo de receptor diseñado especialmente para este propósito. El algoritmo propuesto en el presente trabajo está basado en la transformación al dominio frecuencial. En los últimos años y debido a la latente necesidad de reducir el tiempo de posicionamiento, el dominio frecuencial ha ganado gran popularidad en los receptores basados en software. Este tipo de receptores realizan todas las operaciones con señales almacenadas y por lo tanto no son capaces de proporcionar una posición en tiempo real. Adicionalmente y debido al gran número de datos que deben procesar requieren de un PC para realizar todos os cálculos dificultando así la portabilidad del receptor. Hoy en día existen algunos receptores hardware que utilizan dfts de un número reducido de puntos obteniendo una adquisición con una baja resolución frecuencial sobrecargando así la fase de seguimiento de la señal también conocido como tracking. El presente método utiliza una transformada rápida de Fourier (FFT) para obtener la precisión necesaria en la adquisición y no sobrecargar los lazos de control. Teniendo en cuenta que se necesita reproducir una convolución, la arquitectura presentada en esta tesis necesita al menos un par de fft/IFFTs . La FFT de la réplica puede ser almacenada directamente en el receptor sin necesidad de tener que calcularla y así reducir los costes de cálculo del algoritmo. Para mantener trackeada la señal adquirida se necesitan como mínimo dos lazos de control. En esta tesis se presenta una arquitectura que contiene al menos dos lazos de control activos en todo momento. PLL/FLL para poder seguir la frecuencia de la portadora y un lazo DLL para poder decodificar el mensaje de navegación. Finalmente y para verificar tanto el algoritmo de rápida adquisición propuesto como la arquitectura de seguimiento de la señal se ha diseñado un prototipo del receptor completo en hardware permitiendo así verificar los algoritmos y obtener no solo el error en términos de adquisición sino en términos de la posición final que proporciona receptor. GPS receivers spend a large amount of time performing the acquisition. This is due to the large number of operations required to perform a satellite search by using traditional searching methods. A convolution operation is necessary to acquire the signal but it can be substituted by a Discrete Fourier Transform operation using the frequency domain transforms. In this thesis, a new method for a real time acquisition based on the frequency domain transformation is described. Due to the need of a faster acquisition of the satellite signals, the frequency domain has gained some popularity in the field of software receivers. The software implementation of the acquisition carries out all operations "off-line" by using a powerful microprocessor or a PC. The method presented in this thesis makes use of hardware ffts in order to reach high accuracy within the lowest acquisition time. The acquisition achieves a higher estimation accuracy of both code and frequency offsets. These are key factors in fast positioning. Regarding the frequency transformation, the acquisition requires at least one pair of FFT/IFFT. The replica FFT can be pre-calculated and stored within the memory. The tracking architecture needed to keep the visible satellites tracked in order to recover the navigation information contained in the signal is al so presented in this thesis. A common PLL/FLL and DLL tracking structure is used to correct the remaining signal errors: code-phase and the Doppler-frequency. Finally, to verify the GPS receiver with the proposed acquisition and tracking, positioning measurements are presented