PERFORMANCE ET ANALYSE DU SIMULATEUR LACIME

Objectifs principaux et spécifiques du projet

L’objectif principal du projet de recherche consiste à générer en temps réel les signaux de navigation GNSS. Dans le but de simplifier la tâche, le simulateur existant au LACIME sera réutilisé. Par contre, il est nécessaire d’effectuer des modifications afin d’obtenir des performances similaires à un simulateur commercial : une moyenne maximale de l’erreur de position de 0,3 mètre pour une simulation de 24 heures dans les conditions idéales. Donc, l’objectif spécifique du projet est de déverminer le simulateur LACIME dans l’intention d’améliorer ses performances et de le commercialiser. Pour parvenir à ce but, certaines cibles secondaires devront être atteintes :

robustesse de la simulation,

stabilité des résultats,

répétabilité des résultats.

Plusieurs actions devront être effectuées pour s’assurer que les points énumérés précédemment seront respectés. Tout d’abord, il faudra vérifier la validité des formules des paramètres de tous les satellites (position, vitesse, pseudo-distance etc). Ainsi, en ayant les bonnes valeurs de pseudo-distances, ceci nous assure que les biais d’horloges des satellites sont estimés correctement ce qui est une étape importante pour la stabilité des horloges. Le message de navigation devra lui aussi être validé. Il contient plusieurs informations importantes dont les paramètres d’éphémérides et d’almanach permettant au récepteur de positionner correctement les satellites dans le ciel. La stabilité des horloges est influencée par la génération des fréquences du code et du message de navigation. C’est principalement à partir du code qu’un récepteur GNSS détermine son biais d’horloge qui est essentiel pour positionner correctement le véhicule. Aussi, le calcul de la porteuse est très critique parce qu’une erreur sur sa génération empêche la démodulation du signal GNSS et ainsi engendrer une désynchronisation au récepteur. Donc, le calcul des phases de la porteuse, du code et du message de navigation du simulateur LACIME devront être révisés rigoureusement afin d’émettre un signal GNSS valide.

Méthodologie

Le projet de recherche comporte particulièrement trois phases. La première consiste à se familiariser avec le système actuel du simulateur GPS L1 dans le but de bien comprendre son fonctionnement et de faciliter sa modification. Pour effectuer cette tâche, il devient nécessaire de lire la documentation du simulateur LACIME et de faire une bonne revue de la littérature. Ainsi, cela permettra de mieux comprendre comment la génération des signaux s’effectue et la façon dont l’architecture matérielle et logicielle a été conçue. Différents scénarios de tests devront être faits en statique et dynamique pour examiner le bon fonctionnement du simulateur et de s’assurer que celui-ci reflète bien la réalité. Le même scénario sera exécuté avec le simulateur LACIME et le simulateur commercial GSS7700 de Spirent. Les performances des deux simulations devront être « similaires », c’est-à-dire la position calculée par le récepteur doit avoir une déviation maximale de 0,3 mètre par rapport à celle simulée par le simulateur. La deuxième phase consiste à valider et à corriger si nécessaire les algorithmes permettant de calculer les paramètres de navigation à l’aide du simulateur Spirent.

En utilisant la fonction d’enregistrement du logiciel SimGen de la compagnie Spirent, il est possible d’avoir accès au message binaire de navigation ainsi que plusieurs autres variables (pseudo-distance, position et vitesse des satellites, etc.). Par contre, cette fonctionnalité n’est pas encore implémentée dans le simulateur LACIME et elle devra d’abord être réalisée. Après, l’erreur du paramètre de navigation qui est la différence entre la valeur calculée de SimGen et du simulateur LACIME sera trouvée. Celle-ci doit être bruitée et inférieure à 6*10-5 afin d’assurer la fiabilité des résultats du simulateur LACIME. Chaque bit du message de navigation du simulateur LACIME et Spirent au même temps de la semaine (TOW) sera comparé ensemble et il y a une erreur lorsqu’il est différent entre les deux simulateurs. Il est nécessaire que le message binaire de navigation produit par ceux-ci soit identique pour ne pas transmettre de mauvaises informations.

La troisième phase comprend la validation du matérielle du simulateur LACIME et se fera en deux étapes. La première consiste à exécuter deux simulations identiques : l’une avec le simulateur Spirent et l’autre avec le simulateur LACIME. Un récepteur u-blox EVK-6T recevra les signaux simulés et enregistrera les données brutes reçues. Les biais d’horloge, les pseudo-distances et les Dopplers des satellites recueillis seront comparés ensemble pour les deux simulations. Les données brutes enregistrées par le récepteur au même temps écoulé depuis le début de la simulation devront être semblables pour les deux simulations afin d’obtenir une précision de la position suffisamment élevée à un simulateur commercial. La seconde étape de la validation du matérielle permet de corriger les phases ainsi que la valeur du pointeur du bit courant du code et du message de navigation. Les phases sont générées en temps réel par le Field Programmable Gate Array (FPGA) et le logiciel corrige à toutes les secondes l’erreur de celles-ci qui s’accumule au fil du temps. L’index courant du code et du message de navigation calculé par le logiciel initialise seulement les canaux.

C’est le FPGA qui l’incrémente selon les valeurs des phases. Pour chaque phase et chaque index courant du code et du message de navigation, il faudra s’assurer que la formule permettant de les calculer est correcte en vérifiant que les fréquences du protocole GPS sont respectées. Ensuite, leur erreur sera estimée et celle-ci représente la différence entre la valeur calculée par le logiciel et le FPGA. Aucune erreur n’est permise, car ceci indique que les fréquences générées ne sont pas les bonnes. La dernière phase du projet est une caractérisation du simulateur LACIME en statique et en dynamique. Pour l’analyse en position fixe, huit emplacements différents sur le globe terrestre seront simulés avec le simulateur Spirent et LACIME. Quant aux simulations en dynamiques, elles se feront en simulant avec les deux simulateurs la même trajectoire curviligne avec des vitesses initiales constantes de 10 km/h, 50 km/h et 100 km/h. À partir des données enregistrées par le récepteur, la moyenne et l’écart-type de l’erreur de la position et du Dilution Of Precision (DOP) seront calculés pour chacune des simulations de chaque simulateur. Ainsi, il sera possible d’étudier les performances des deux simulateurs en comparant leur résultat.

Retombées prévues

Dans les années futures, la technologie du GNSS sera de plus en plus employée pour la localisation. Dans le but de concevoir de meilleurs récepteurs, il est essentiel d’utiliser des outils fiables pour les tester. Un simulateur de constellation GNSS est un outil indispensable pour contrôler les paramètres de la simulation. Cet appareil intéressera les industriels à la condition qu’il soit correctement calibré avec une précision convenable et qu’il respecte les normes de l’industrie. Les entreprises en recherche et développement s’intéresseraient à un tel dispositif, puisqu’il leur permettrait de mieux comprendre le potentiel des signaux et de mettre au point, tester et certifier leurs produits. Ainsi, ceci pourrait être utilisé pour reproduire un scénario problématique à l’heure actuelle dans le but d’améliorer les produits utilisant la technologie du positionnement par satellite. Un simulateur FPGA a un faible coût, car les portes logiques sont réalisées par programmation. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de se procurer des pièces électroniques comme des diodes pour leur conception. Les outils de synthèse des FPGAs ont la capacité d’optimiser le circuit électronique numérique rapidement ce qui diminue sa complexité.

Un FPGA n’a pas besoin d’être calibré et il offre une grande flexibilité. Effectivement, le design se change beaucoup plus facilement et celui-ci est capable de s’adapter à différentes simulations. Par exemple, il est capable de générer une onde sinusoïdale d’une porteuse IF de navigation dont sa fréquence a été calculée par le logiciel. Donc, le logiciel commande la génération des signaux IF effectuée par le FPGA. En région montagneuse et urbaine, il est plus fréquent de perdre le signal GPS. En effet, les montagnes et les gratte-ciel bloquent les signaux de navigation. En ajoutant d’autres satellites de plusieurs constellations dans la solution de navigation, la disponibilité du service de positionnement est meilleure. Ainsi, lorsqu’on se promène en voiture, les dispositifs GNSS perdront moins fréquemment la position qu’en employant seulement les signaux GPS.

Le domaine de l’aviation utilise le GPS pour connaître l’emplacement courant des avions. La précision de la position est fondamentale, car les algorithmes de guidage utilisent cette mesure. Une grande erreur de la position calculée pourrait faire atterrir un avion à côté de la piste d’atterrissage. Donc, les signaux GNSS vont permettre aux avions de se positionner avec une très faible erreur. Tous les téléphones intelligents et les nombreux modèles de portables ont un système GPS pour pouvoir retrouver son propriétaire. Lors de période de détresse pouvant nuire à la vie d’une personne, les autorités utilisent les systèmes de positionnement dans les mobiles afin de trouver plus facilement les gens demandant de l’aide. Avec un système GNSS intégré dans les cellulaires, la position sera encore plus précise et plus sûre ce qui permettra au service d’urgence d’être plus rapide et efficace dans leur intervention. Lorsqu’une vie est en danger, chaque minute compte et peut faire la différence.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 DESCRIPTION DU PROJET DE RECHERCHE ET REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Mise en contexte et problématique
1.2 Objectifs principaux et spécifiques du projet
1.3 Méthodologie
1.4 Retombées prévues
1.5 Revue des caractéristiques des simulateurs de constellation GPS/GNSS actuels
1.6 Contributions générales
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 DESCRIPTION DE L’ARCHITECTURE INITIALE DU SIMULATEUR LACIME
2.1 Description de l’architecture du simulateur LACIME existante
2.1.1 Fonctionnement global et banc de test du simulateur initial
2.1.2 Description de la partie logicielle associée au simulateur et à son GUI
2.1.3 Description des aspects matériels reliés au simulateur
2.1.3.1 Description de l’architecture de la section IF
2.1.3.2 Description des interfaces des mémoires du simulateur LACIME
2.1.3.3 Description de l’architecture de la section RF
2.1.4 Limitations de l’architecture actuelle et problèmes rencontrés
2.2 Discussion sur les performances initiales du simulateur LACIME
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 AMÉLIORATIONS ET VALIDATION DE LA PARTIE LOGICIELLE DU SIMULATEUR DE CONSTELLATION GPS L1
3.1 Ajout d’une fonction d’enregistrement des mesures du simulateur
3.2 Validation des algorithmes du simulateur LACIME
3.2.1 Calcul des positions des satellites
3.2.2 Calcul des vitesses des satellites
3.2.3 Calcul de l’azimuth des satellites
3.2.4 Calcul de l’élévation des satellites
3.2.5 Calcul de la distance géométrique des satellites
3.2.6 Calcul de la pseudo-distance des satellites
3.2.7 Calcul de la fréquence Doppler des satellites
3.3 Validation du message binaire GPS L1 du simulateur LACIME
3.3.1 Amélioration de l’architecture de la génération du message de navigation
3.3.2 Calcul de l’indicateur de disponibilité de la correction du message de navigation
3.3.3 Calcul du Estimated Range Deviation (ERD)
3.3.4 Statut de l’antibrouillage et de la configuration des satellites
3.3.5 Calcul de l’index User Range Accuracy (URA)
3.3.6 Calcul des paramètres Issue Of Data Clock (IODC) et Issue Of Data Ephemeris (IODE)
3.3.7 Calcul du temps de référence de l’horloge et des éphémérides
3.3.8 Calcul du numéro courant de la sous-trame
3.3.9 Calcul du paramètre Time Of Week (TOW)
3.3.10 Calcul de la semaine de référence de l’almanach
3.3.11 Synchronisation des sous-trames
3.3.12 Spécification des bits réservés
3.3.13 Génération des messages spéciaux
3.3.14 Particularité de la parité des mots #10
3.3.15 Problème de perte des signaux de tous les satellites
3.4 Discussion relative aux résultats finaux de la partie logiciel
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 VALIDATION DE LA PARTIE IF DU SIMULATEUR LACIME
4.1 Discussion des données brutes initiales décodées par le récepteur u-blox
4.2 Problème de délai UTC
4.3 Délais sur la génération des adresses XMEM
4.4 Problème lors de la génération de l’horloge principale
4.5 Présentation et correction des erreurs sur l’architecture des NCOs
4.5.1 Erreur de précision du NCO
4.5.2 Calcul des phases corrigées du simulateur LACIME
4.5.3 Calcul des fréquences porteuses et du code
4.5.4 Calcul de la phase du message de navigation
4.6 Calcul de l’index de la position courante du code du satellite
4.7 Calcul de l’index de la position courante du bit du message de navigation
4.8 Calcul du sinus et du cosinus de la porteuse
4.9 Discussion des résultats IF finaux
4.10 Conclusion
CHAPITRE 5 PERFORMANCE ET ANALYSE DU SIMULATEUR LACIME
5.1 Performance en statique du simulateur LACIME
5.2 Performance en dynamique du simulateur LACIME
5.3 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS