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Advanced GPS signal processing techniques for LBS services

Al Bitar, Hanaa (2007) Advanced GPS signal processing techniques for LBS services. (Techniques avancées de traitement du signal GPS pour les services LBS.)

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Abstract

Par le passé, il était indispensable, pour le bon fonctionnement du GPS (Global Positioning System), que le signal soit en vision directe entre le satellite et le récepteur, et les signaux faibles n'étaient pas exploitables. Mais l'extension du GPS aux services LBS (Location Based Services) et à d'autres applications de navigation a changé ce paradigme. Par conséquent, on prévoit une augmentation considérable de techniques de localisation de plus en plus performantes, surtout dans des environnements du type indoor ou urbain. Les exigences de la localisation dans ce type d'environnements posent un véritable défi pour la conception des récepteurs GPS. Le but de la thèse est d'optimiser les techniques existantes de traitement du signal GPS pour la localisation dans des milieux contraints, dans le cadre de l'AGPS (Assisted GPS). Ce système suppose que le récepteur GPS est connecté ou introduit dans un téléphone portable. Ce genre de couplage permet de transférer au récepteur GPS des données d'assistance via le réseau GSM (Global System for Mobile communications). Ces données fournissent au récepteur GPS la liste des satellites visibles, mais aussi des valeurs estimées de leur Doppler et leur retard de code, réduisant ainsi la fenêtre de recherche de ces paramètres. Les travaux de la thèse consistent à explorer différentes techniques d'acquisition du signal GPS pour réduire le temps d'acquisition nécessaire ou TTFF (Time To First Fix), sans affecter la sensibilité du récepteur GPS. Ceci est réalisé après une étude du canal GPS radio. L'étude débute par une revue du GPS et de la structure du signal utilisé dans ce système. Le processus d'acquisition est ensuite décrit en détails: l'acquisition classique est décrite en premier pour mettre en évidence par la suite l'effet du milieu de propagation sur cette étape du traitement du signal. A cet effet, les milieux contraignants (Indoors et Urbains) seront modélisés et analysés. Cette analyse permettra de mettre en évidence les problèmes subits par les ondes radio se propageant dans ce type d'environnements. On notera que le canal urbain a été analysé en utilisant un modèle déjà existant élaboré par Alexander Steingass et Andreas Lehner du DLR (Centre Aérospatial Allemand) [Steingass et al., 2005]. D'autre part, un modèle statistique du canal indoor a été développé par l'ESA (European Space Agency) dans le cadre du projet intitulé “Navigation signal measurement campaign for critical environments” et présenté dans [Pérez-Fontán et al, 2004]. Mais ce modèle considère un canal statistique invariable dans le temps. Pour cela nous avons développé un modèle Indoor qui envisage plutôt un canal variant avec le temps, en prenant en compte les variations temporelles de certains paramètres du canal, comme le retard et la phase de la fonction de transfert. Les valeurs initiales de ces paramètres utilisés dans notre modèle sont toutefois basées sur les distributions statistiques fournies par le modèle de l'ESA. L'étude des canaux de propagation porte surtout sur les multitrajets, les inter-corrélations, et le masquage du signal. Les multitrajets sont particulièrement gênants dans le cas de milieux urbains, les intercorrélations et le masquage sont par contre plus gênants dans les milieux indoors. Ces phénomènes peuvent impliquer des erreurs dans la position calculée par le récepteur. Pour y remédier, une des solutions est d'augmenter la durée d'observation du signal pour améliorer le rapport signal sur bruit. Mais ceci conduit à des temps d'acquisition beaucoup plus longs. Par conséquent, la qualité commerciale du récepteur est mise en cause vues les contraintes sur le TTFF nécessaires pour fournir une première solution. Ces contraintes en termes de temps ii de traitements sont aussi importantes que les contraintes en termes de précision pour les utilisateurs du GPS. Mais ces deux contraintes vont en général l'une à l'encontre de l'autre. Par conséquent, une solution idéale consistera à réduire le temps d'acquisition sans pour autant affecter la sensibilité du récepteur. Ainsi, dans la suite de l'exposé des méthodes avancées de traitement du signal dans la phase d'acquisition seront présentées. La plupart de ces méthodes vise à réduire le temps total d'acquisition plutôt qu'à améliorer la sensibilité du récepteur: ceci permet de tolérer) le traitement de signaux plus longs - afin d'améliorer la sensibilité - sans augmenter la durée globale de traitement. Ces méthodes seront tout d'abord caractérisées en évaluant les avantages et les inconvénients de chacune d'elles. Une évaluation de performances de ces algorithmes, utilisant des signaux générés avec un Spirent STR4500 sera conduite dans une étape finale de cette étude. ABSTRACT : In the past, in order for GPS (Global Positioning System) to work accurately, the presence of an unobstructed LOS (Line-Of- ight) signal was necessary. Weak signals were not suitable for use because they may have large associated noise and other errors. The expansion of GPS to LBS (Location- ased Services) and other navigation applications all over the world, such as the E-911 and the E-112 mandates in the United States and Europe respectively, changed the paradigm. Consequently a dramatic increase in the need for more and more performant positioning techniques is expected, especially in urban and indoor environments. These rising localization requirements pose a particularly difficult challenge for GPS receivers design. The thesis objective is to evaluate and enhance existing GPS signal acquisition techniques for positioning goals in harsh environments, in the context of AGPS (Assisted GPS). The AGPS system assumes that the GPS receiver is connected to or introduced in a mobile phone. This allows for the transfer of AD (Assistance Data) to the GPS receiver via the GSM (Global System for Mobile communications) cellular network. Amongst others, the AD provides the GPS receiver with the list of visible satellites and estimates of their Dopplers and code delays, thus reducing the search window of these parameters. This work consists in exploring different GPS signal acquisition to reduce the acquisition time or TTFF (Time To First Fix), without affecting the receiver sensitivity. This is done after a prior study of the GPS radio channel. The study starts out with a revue of the GPS system and the GPS transmitted and received signal structure. The acquisition process is then described in details: the classical acquisition is first described in order to proceed afterwards with the impact of the propagation environment on this stage of the signal processing. For this purpose, harsh environments (urban and indoor) are modelled and analysed. This analysis enables to study the problems which encounter the radio frequency signal propagation through such environments. Note that the urban channel is studied using an existing statistical model developed by Alexander Steingass and Andreas Lehner at the DLR (German Aerospace Center) [Steingass et al., 2005]. On the other hand, an indoor channel model was developed by the ESA (European Space Agency) in the frame of a project entitled “Navigation signal measurement campaign for critical environments” and presented in [Pérez-Fontán et al, 2004]. But this model considers a time invariant statistical channel. Consequently, we developed an Indoor model which rather considers a time variant channel, by taking into account temporal variations of some channel parameters, like the transfer function delay and phase. The initial values are however based on the statistical distributions provided by the ESA model. The channels are analysed is terms of multipaths, cross-correlations and signal masking. The multipaths replicas are particularly disturbing in urban environments while the cross-correlations and masking effects are more disturbing in indoor environments. These phenomena may induce errors in the final solution calculated by the receiver. In order to avoid this error, one solution consists in increasing the signal observation duration in order to enhance the signal to noise ratio. But this generally implies longer acquisition time, thus affecting the receiver iv performance, commercially speaking. Indeed, the time requirements are as important as sensitivity requirements for GPS users. However, these two requirements are not generally compatible with each other. Consequently, an ideal solution consists in reducing the acquisition time without greatly affecting the receiver sensitivity. Accordingly, such advanced methods for acquisition signal processing are described next. Most of these methods aim at reducing the total acquisition time, rather than enhancing the receiver sensitivity. This means however that longer signal blocks can be processed (thus enhancing sensitivity) without affecting the global processing duration. At first, each of these methods is evaluated through the description of its advantages and drawbacks. A performance evaluation of these algorithms, using signals generated with a Spirent STR4500, ensues as a final step of this study

Department:Institut de Recherche en Informatique de Toulouse - IRIT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Boucheret, Marie-Laure and Macabiau, Christophe
Uncontrolled Keywords:GPS - Indoor - Canal - Fast acquisition - Weeak signal acquisition - Urban - Propagation - TTFF
Subjects:Telecommunications and networks
Telecommunications and networks > Signal processing
Deposited On:22 May 2008

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