Reconfigurable navigation receiver for space applications
Récepteur de navigation reconfigurable pour applications spatiales
Résumé
The orbit of a satellite around the earth is constantly disturbed by various factors, such as variations
in the gravitational field and the solar wind pressure. The drift of the satellite position can compromise
the mission, and even lead to a crash or a fall in the atmosphere. The station-keeping operations therefore
consist in performing an accurate measurement of the satellite trajectory and then in using its thrusters to
correct the drift. The conventional solution is to measure the position with the help of a ground based radar.
This solution is expensive and does not allow to have the satellite position permanently : the trajectory
corrections are therefore infrequent.
A positioning and autonomous navigation system using constellations of navigation satellites, called Global
Navigation Satellite System (GNSS), allows a significant reduction in design and operational maintenance
costs. Several studies have been conducted in this direction and the first navigation systems based on GPS
receivers, are emerging. A receiver capable of processing multiple navigation systems, such as GPS and Galileo,
would provide a better service availability. Indeed, Galileo is designed to be compatible with GPS, both
in terms of signals and navigation data. Continuous knowledge of the position would then allow a closed
loop control of the station keeping.
Initially, we defined what the specifications of a multi-mission space receiver are. Indeed, the constraints
on such a receiver are different from those for a receiver located on the surface of the Earth. The analysis
of these constraints, and the performance required of a positioning system, is necessary to determine the
specifications of the future receiver. There are few studies on the subject. Some of them are classified ; others
have, in our view, an analytical bias that distorts the determination of specifications.
So we modeled the system : GNSS and receivers satellite orbits, radio frequency link. Some parameters of
this link are not given in the specification or manufacturers documents. Moreover, the available theoretical
data are not always relevant for realistic modeling. So we had to assess those parameters using the available
data. The model was then used to simulate various scenarios representing future missions. After defining
analysis criteria, specifications were determined from the simulation results.
Calculating a position of a satellite navigation system involves three main phases. For each phase, there
are several possible algorithms, with different performance characteristics, the circuit size or the computation
load. The development of new applications based on navigation also drives the development of new adapted
algorithms.
We present the principle for determining a position, as well as GPS and Galileo navigation signals. From
the signal structure, we explain the phases of the demodulation and localization. Through the use of GPS and
Galileo constellations, standard algorithms achieve the performance required for space applications. However,
these algorithms need to be adapted, thus some parts were specifically designed. In order to validate the
choice of algorithms and parameters, we have simulated the various operating phases of the receiver using
real GPS signals.
Finally, impact and prospects are discussed in the conclusion.
L’orbite d’un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, tels que la
variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La dérive de la position du satellite peut
compromettre la mission, voire mener à une collision ou à une chute dans l’atmosphère. Les opérations de
maintien à poste consistent donc à effectuer une mesure précise de la trajectoire du satellite puis à utiliser ses
propulseurs pour corriger sa dérive. La solution classique de mesure de position est basée sur des radars au
sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d’avoir la position du satellite en permanence : les corrections
de trajectoires se font donc de façon espacées dans le temps.
Un système de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de
navigation, appelées Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une réduction importante des
coûts de conception et de maintenance opérationnelle. Plusieurs études ont été menées en ce sens et les
premiers systèmes de navigation, basés sur des récepteurs GPS, voient le jour. Un récepteur en mesure
de traiter plusieurs systèmes de navigation, tel que GPS et Galileo, permettrait d’obtenir une meilleure
disponibilité de service. En effet, le système Galileo est conçu pour être compatible avec le système GPS,
tant en terme de signaux émis que de données de navigation. La connaissance permanente de la position
permettrait alors de réaliser un contrôle asservit du maintien à poste.
Dans un premier temps, nous avons défini quelles seront les spécifications d’un récepteur spatial multimission.
En effet, les contraintes pesant sur un tel récepteur sont différentes de celles d’un récepteur situé
à la surface de la Terre. L’analyse de ces contraintes, ainsi que des performances demandées à un système
de positionnement, est donc nécessaire afin de déterminer les spécifications du futur récepteur. Il existe peu
d’études sur le sujet. Certaines d’entre elles sont classées secret industriel, d’autres présentent, à notre avis,
un biais d’analyse qui fausse la détermination des spécifications.
Nous avons donc modélisé le système : orbites des satellites GNSS et des satellites récepteurs, liaison
radiofréquence. Certains paramètres de cette liaison ne sont pas donnés dans les documents de spécifications
ou les documents constructeurs. De plus, les données théoriques disponibles ne sont pas toujours pertinentes
pour une modélisation réaliste. Nous avons donc dû estimer ces paramètres en utilisant des données disponibles.
Le modèle a été ensuite utilisé afin de simuler divers scenarii représentatifs de futures missions. Après
avoir défini des critères d’analyse, les spécifications ont été déterminées à partir des résultats des simulations.
Le calcul d’une position par un système de navigation par satellite se déroule en trois phases principales.
Pour chacune de ces phases, il existe plusieurs algorithmes possibles, présentant des caractéristiques différentes
de performance, de taille de circuit ou de charge de calcul. L’essor de nouvelles applications basées
sur la navigation entraine également le développement de nouveaux algorithmes adaptés.
Nous présentons le principe permettant la détermination d’une position, puis les signaux de navigation
GPS et Galileo. A partir de la structure des signaux, nous expliquons les phases de la démodulation et
de la localisation. Grâce à l’utilisation des constellations GPS et Galileo, les algorithmes standards permettent
d’atteindre les performances nécessaires pour des applications spatiales. Ces algorithmes nécessitent
néanmoins d’être adaptés ; ainsi certaines parties ont été conçues spécifiquement. Afin de valider les choix
d’algorithmes, et les paramètres liés aux spécifications, nous avons simulés les différentes phases de fonctionnement
du récepteur en utilisant des signaux GPS réels.
Pour terminer, les retombées et perspectives sont exposées dans la conclusion.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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