FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
Diversi tipi di ricevitori GNSS vengono utilizzati a seconda della precisione richiesta dalla specifica applicazione. Per comprendere queste applicazioni è importante inizialmente comprendere le generiche funzionalità dei diveri moduli hardware e software di un ricevitore GNSS. Le tre funzionalità base di un ricevitore GNSS sono descritte sotto.
Acquisizione: il ricevitore usa circuiti ad anello aperto per cercare la frequenza Doppler e la fase approssimativa del codice per ogni satellite visibile se vi sono abbastanza canali di acquisizione disponibili nel dispositivo.
La finestra di ricerca della fase del codice per il GPS è di 1023 chips, 511 per il Glonass e 4092 chips per Galileo. Queste sono le lunghezze dei codici espansi corrispondenti per i rispettivi sistemu. La risoluzione della ricerca è tipicamente ½ chip, che corrisponde a circa 150 metri nel GPS, in quanto la frequenza dei chip nell’acquisizione grossolana (CA, Coarse Acquisition) del segnale civile è 1023 MHz.
La finestra di ricerca per il Doppler ha tipicamente una risoluzione di 50 Hz. I segnali vengono acquisiti canale per canale ed un segnale con un’ambiguità di fase fino a ½ chip viene passato agli anelli di inseguimento del codice e della portante per ottenere un aggancio perfetto del segnale e quindi eliminare le ambiguità di fase e frequenza del codice.
Inseguimento (tracking): la fase del codice acquisita da un canale di acquisizione ha un errore massimo di ½ chip (150 m nel GPS). La fase del codice è inseguita da un anello ad aggancio di ritardo (DLL, Delay Locked Loop), che utilizza la speciale proprietà di correlazione dei segnali GNSS per seguire ed agganciare la fase del codice.
L’aggancio della fase della portante viene normalmente eseguito da un anello ad aggangio di fase (PLL). I due circuiti di inseguimento sono collegati, poiché il DLL richiede che il PLL rimuova lo sfasamento Doppler mentre il PLL richiede che il DLL fornisca una correlazione perfetta.
Come per l’acquisizione, i sengali vengono inseguiti canale per canale. Non sarebbe possibile inseguire un segnale senza uno stadio di acquisizione che inizializzi il DLL ed il PLL, permettendo così ad essi di convergere nell’inseguimento del segnale di uno specifico satellite GNSS.
Navigazione: l’algoritmo di navigazione fa uso di tutte le letture CDMA dalla fase del codice e della portante (a seconda dell’applicazione) per calcolare la posizione della ricevitore.
I ricevitori standard GNSS tipicamente operano in una banda di frequenze, la banda L1/E1. Il sistema Glonass potenzia i ricevitori GPS aumentando la probabilità di trovare almeno quattro satelliti a portata ottica. La precisione dei ricevitori GNSS standard è attorno ai 10 metri.
Il calcolo della posizione di un satellite richiede di decodificare il messaggio di navigazione. Nel GPS ci vogliono 30 secondi per decodificare un frame contenente un set di effemeridi ed il ricevitore non può ricevere un fix (stima della posizione) prima di aver decodificato i primi tre sottoframe (18 secondi) di una pagina GPS.
Di conseguenza, ci vuole un tempo elevato per ottenere la posizione quando si accende un ricevitore GNSS. Utilizzando il sistema A-GNSS, un terminale radiomobile può ricevere direttamente dalla rete le informazioni sulle effemeridi di navigazione ed è quindi possibile ridurre il tempo necessario al ricevitore per stimare la posizione attorno ad 1 secondo.
Inoltre, nella modalità di ricezione assistita A-GNSS, il telefono cellulare funge da sensore e così acquisisce solo i codici d’inseguimento e le fasi delle portanti.
Un server di asservimento è responsabile di localizzare i ricevitori sulla base delle osservazioni di inseguimento riportate dal ricevitore alla stazione base. La stazione base, ad esempio la stazione LTE, trasmette ai ricevitori alcuni dati di aiuto all’acquisizione prima della misura.
Questi dati sono usati dal ricevitore per ridurre le sue finestre di ricerca dei codici e delle fasi delle portanti, mimizzando così lo sforzo di acquisizione e quindi accelerando il processo di acquisizione del sensore GNSS.
I dati di aiuto all’acquisizione sono semplicemente la fase del codice acquisito e la frequenza o la fase della portante letti da un ricevitore GNSS posto nella torre della stazione base. Il ricevitore inizializza le sue finestre di ricerca del codice e delle frequenze di acquisizione attorno ai valori trasmessi dalla stazione base ed in questo modo riduce la dimensione delle finestre di ricerca dell’acquisizione a seconda del massimo raggio di copertura della stazione base.
Come espresso dall’equazione (1) per un generico canale, due tra i più significativi fattori che influenzano l’accuratezza nel determinare la posizione di un satellite sono le ambiguità legate alle correzioni dell’effetto della ionosfera e degli errori degli orologi satellitari.
Il vettore (baseline) da un punto di riferimento stazionario – che si trova in stretta vincinanza all’utente – verso il ricevitore può essere facilmente determinato attraverso l’elaborazione delle letture di inseguimento o il ritardo della ionosfera come anche l’errore dell’orologio satellitare rispetto al punto di riferimento stazionario presso il ricevitore.
Questo meccanismo differenziale rende possibile l’eliminazione delle ambiguità simili legate alla ionosfera ed all’orologio satellitare e così il miglioramento delle prestazioni del GNSS ad 1 metro. I dati di correzione trasmessi sono chiamati dati differenziali. Le prestazioni del GNSS possono essere ulteriormente migliorate se vengono usate anche le letture della fase della portante.
Le correzioni differenziali sono comunemente trasmesse usando dei sistemi di navigazione satellitare regionali, che vengono anche chiamati Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS). Il più noto sistema del genere è l’americano WAAS che offre il servizio D-GPS in Nord America.
A volte i satelliti trasmettono lo stesso segnale in bande differenti, ad esempio il sistema GPS nella banda L1 e nella banda L2.
Combinando le letture d’inseguimento sulla banda L1 e sulla banda L2 è possibile eliminare le ambiguità dovute alla ionosfera. Cià è possibile in quanto la deflessione ionosferica del cammino ottico è inversamente proporzionale al quadrato della frequenza della portante.
Conseguentemente, le prestazioni del GNSS possono essere migliorate fino a raggiungere l’ordine dei 5 metri.
Sebbene molte applicazioni avazate come il GNSS a frequenze multiple ed il GNSS differenziale possano migliorare significativamente le prestazioni dei ricevitori, le soluzioni commerciali sono ancora pesantemente limitate al GNSS standard e al A-GNSS perché sono facili da realizzare.
In futuro, la tendenza del mercato continuerà a spingere verso la combinazione dei segnali GNSS su bande condivise come la L1/E1 per migliorare la disponibilità dei satelliti nelle aree urbane.
*Rachid El Assir è Senior Baseband R&D Engineer in Rohde & Schwarz
Riferimenti bibliografici
