Le simulateur de signaux GNSS

LE SIMULATEUR DE SIGNAUX GNSS

Principe de la trilatération

La trilatération est un concept géométrique qui permet de calculer les coordonnées d’un point dans un plan a l’aide de trois points de références (Sauriol B, 2008). Elle se base uniquement sur les coordonnees de ces points ainsi que les distances les separant du point dont on veut calculer la position. En connaissant la distance entre un point de reference et le point desire (le point M dans la Figure 1.1), on affirme que se dernier ce trouve sur un cercle de centre le point de reference et de rayon la distance les separant. De cette maniere, et en obtenant les deux distances restantes, le point M n’est que l’intersection des trois cercles. La Figure 1.1 illustre le principe de la trilateration dans un espace a deux dimensions. Figure 1.1 Principe de la trilatération en 2D. La trilateration peut s’appliquer aussi pour un espace tridimensionnel. Les cercles de la Figure 1.1 se transforment, alors, en spheres centrees en les points de references et de rayon les distances d1, d2 et d3. La Figure 1.2 illustre le resultat de la trilateration en trois dimensions.

En effet, l’intersection de deux spheres donne naissance a un cercle qui intercepte la troisieme sphere en deux points. La position ne peut encore etre determinee avec precision d’ou le besoin d’un quatrieme point de reference qui permettra de lever l’ambiguite sur la decision. Figure 1.2 Principe de la trilatération en 3D. Si on connait les coordonnees (xi,yi,zi) des quatre points de references et les distances di, on peut determiner, en resolvant le systeme d’equations (1.1), les coordonnees (xM,yM,zM) du point desire. Dans un cas ideal, la resolution de ce systeme donne une solution unique. Toutefois, dans la pratique, des erreurs surviennent au niveau des positions des points de reference et des distances. L’intersection des spheres n’etant plus un point dans l’espace, on obtient une region de probabilite qui est representee par la Figure 1.3 pour un espace a deux dimensions.

Le positionnement par satellites

Les systemes de positionnement par satellites utilisent la methode de la trilateration afin de calculer la position d’un recepteur. Les points de references dans ces systemes constituent la constellation des satellites gravitant autour de la terre. Il faudrait donc connaitre leurs positions de facon precise. Ensuite, il suffit de mesurer la distance separant le satellite du recepteur avec une precision compatible avec la precision de navigation qu’on veut obtenir. Les satellites emettent continuellement des signaux radio qui contiennent leurs positions et l’instant d’envoi te. Le recepteur a la tache de calculer le temps de reception de ces signaux tr. Connaissant leur vitesse de propagation (c : vitesse de la lumiere), on en deduit la distance separant le recepteur du satellite : d = c(tr −te ) (1.2) Le calcul du temps de propagation doit etre extremement precis, car une erreur d’une microseconde dans le temps provoque une erreur de 300 m en position. Le temps d’envoi des signaux est determine par les horloges atomiques embarquees a bord des satellites.

Ce sont des horloges atomiques extremement couteuses, mais aussi extremement fiables et stables. Le temps d’arrivee est donne par le recepteur qui possede une horloge de moindre qualite. Au niveau du temps d’arrivee, il y a donc une erreur provoquee par le recepteur (Sauriol B, 2008). La difference entre le temps d’envoi et le temps de reception est calcule par le recepteur, ensuite il en deduit la distance qui le separe du satellite. Cette distance est biaisee principalement a cause des imperfections de l’horloge du recepteur, elle est appelee pseudodistance (Sauriol B, 2008). Dans la section precedente, nous avons conclu qu’il faudrait quatre points de references pour arriver a calculer une position. Dans le fait, il est facile de lever l’ambiguite sur la position, car une des solutions se trouve sur la surface de la terre alors que la deuxieme se situe dans l’espace. Par consequent, trois satellites suffiraient pour determiner la position d’un recepteur. Cependant, ce n’est pas le cas en pratique.

En effet, en plus des erreurs d’horloges des satellites dont la correction est envoyee dans le message de navigation, les erreurs causees par l’horloge du recepteur engendrent une imprecision au niveau du calcul de la pseudo-distance. On suppose, donc, qu’il y a un biais entre le veritable temps de reception des signaux et le temps determine par le recepteur. Pour eliminer ce biais, un quatrieme satellite est requis et ainsi, le recepteur doit resoudre le systeme d’equations (1.3) pour determiner sa position (Sauriol B, 2008).

Défauts reliés au dessin du circuit imprimé La taille de certains composants n’a pas ete prise totalement en compte lors du dessin du circuit imprime de la carte RF ce qui a conduit a une difficulte lors de l’assemblage et de la soudure des composants sur la carte. Les problemes que nous avons remarques sont les suivants :

• L’horloge de reference touche le transformateur RF (Balun) sur la couche superieure du circuit (encadre en blanc sur la Figure 1.14). Nous avons remedie a ce probleme en enlevant une petite partie metallique de la coquille de l’horloge de reference;

• Un connecteur JTAG (Joint Test Action Group), dedie pour un des deux CPLD de la carte, a ete place pres du cable coaxial reliant la sortie de la PLL du signal L1 au modulateur. Lors de l’assemblage de la carte, nous nous sommes apercus que le connecteur JTAG touchait le cable coaxial (Conducteur externe a la masse) et nous nous sommes rendu compte, lors du debogage de la carte, qu’il causait un court-circuit vu qu’une patte du connecteur JTAG est connectee a VDD. Nous avons, alors, resolu ce probleme en placant une gaine en caoutchouc sur le cable coaxial et nous avons incline les pattes du connecteur JTAG pour qu’il soit accessible pour la reprogrammation du CPLD sans recourir au detachement du cable coaxial. La partie encadree de la Figure 1.14 illustre le defaut et la correction realisee;

• L’empreinte, ou en anglais footprint, du connecteur PCI express avec lequel la carte est connectee a la plate-forme a ete mal dessine. Lors de la soudure de ce connecteur, il s’est avere que les trous, dans la carte RF, etaient plus petits que les pattes du connecteur.

Nous avons, alors, aplati ces pattes par une pince pour qu’ils puissent se placer correctement sur la carte. Ces problemes ne causent pas une degradation des performances de la carte RF du simulateur, elles sont juste des defauts mineurs a eviter lors d’une deuxieme iteration. Les solutions sont simples a realiser. Pour le premier probleme, il suffit de decaler un peu le transformateur RF et ajuster les connexions. De meme pour le deuxieme probleme, il suffit de decaler un peu le connecteur JTAG ou de modifier son orientation. En ce qui concerne le dernier probleme, il suffit d’augmenter le diametre des trous dans l’empreinte du connecteur.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LE SIMULATEUR DE SIGNAUX GNSS
1.1 Principe du positionnement par satellite
1.1.1 Principe de la trilateration
1.1.2 Le positionnement par satellites
1.2 Specifications des systemes GPS et Galileo
1.2.1 Specification du systeme GPS
1.2.2 Specifications du systeme Galileo
1.3 Presentation globale du simulateur de signaux GNSS
1.4 Architecture du simulateur
1.4.1 Partie logicielle
1.4.2 Partie IF
1.4.3 Partie RF
1.5 Description de la partie RF du simulateur
1.6 Defauts relies au design RF final
1.6.1 Defauts relies au dessin du circuit imprime
1.6.2 Defauts relies aux choix des composants
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 SYSTEME DE CONTROLE DE PUISSANCE RF
2.1 Description du systeme de controle de puissance
2.2 Architecture et fonctionnement du systeme de controle de puissance
2.2.1 Calibration de la puissance
2.2.2 Controle de gain
2.2.3 Controle automatique de puissance
2.2.4 Controle de puissance dans le temps
2.3 Choix des composants pour la realisation du systeme de controle de puissance
2.3.1 Les coupleurs
2.3.2 Le detecteur de puissance
2.3.3 Le convertisseur analogique numerique
2.3.4 Le convertisseur numerique analogique
2.3.5 Le CPLD
2.3.6 Le VGA
2.4 Algorithmes de controle de puissance
2.4.1 Algorithme No 1
2.4.2 Algorithme No 2
2.5 Communication entre la partie logicielle et le systeme de controle de puissance
2.5.1 Protocole de communication du systeme de controle de puissance
2.5.2 Communication entre la partie logicielle et la partie IF
2.5.3 Communication entre la partie IF et la partie RF
2.6 Interface d’utilisation du systeme de controle de puissance
2.7 Validation du systeme de controle de puissance
2.7.1 Validation des composants du systeme de controle de puissance
2.7.2 Validation de la communication entre la partie logicielle et la partie RF
2.7.3 Validation du fonctionnement du systeme de controle de puissance
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 SYSTEME DE CONTROLE DU RAPPORT C/N0
3.1 Principe du controle du rapport C/N0
3.1.1 Definition du rapport C/N0
3.1.2 Fonctionnement du systeme de controle du rapport C/N0
3.1.3 Interface graphique de l’usager
3.2 Survol de notions sur le bruit
3.2.1 Fonction d’autocorrelation
3.2.2 Processus stationnaire au sens large
3.2.3 Densite spectrale de puissance
3.2.4 Le bruit blanc
3.3 Solutions d’implementation d’un bruit banc
3.3.1 Implementation analogique
3.3.2 Implementation numerique
3.4 Generation d’un bruit blanc gaussien
3.4.1 Variable aleatoire gaussienne
3.4.2 Algorithmes de generation de variables aleatoires gaussiennes
3.5 Implementation du generateur de bruit blanc gaussien
3.5.1 Quantification des fonctions f et g
3.5.2 Generation des variables aleatoires uniformes
3.5.3 Architecture du generateur de bruit blanc gaussien
3.5.4 Optimisation de l’architecture du generateur de bruit blanc gaussien
3.6 Validation du systeme de controle du ratio C/N0
3.6.1 Le spectre du bruit genere
3.6.2 Plage de controle de la densite du bruit
3.6.3 Validation du controle de bruit avec les recepteurs
3.7 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I Details sur les composants du systeme de controle de puissance
ANNEXE II Les ADC de type SAR
ANNEXE III Boucle a verrouillage de phase
ANNEXE IV Matrice de transition du LP-LFSR
ANNEXE V Registres utilises
ANNEXE VI Schemas electriques des cartes du systeme de controle de puissance
ANNEXE VII Procedure de test du CAN
BIBLIOGRAPHIE

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