Development and Characterization of Pulsed Interference Mitigation Techniques for on-board GNSS Receivers

• Auteur / Autrice : Mathieu Raimondi
• Direction : Christophe Macabiau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École Nationale de l'Aviation Civile (Toulouse1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galileo, Système

Localisation par satellites, Systèmes de

GPS

Fourier, Transformations de

Transports aériens

Mots clés libres

Gnss

Interférences pulsées

Fids

Blanker temporel

Résumé

Les organismes de standardisation de l'aviation civile (OACI, RTCA, EUROCAE) mènent actuellement des études sur l'utilisation des systèmes de navigation par satellite fournissant une couverture globale, tels GPS ou Galileo, en tant que moyen de navigation embarque unique. L'OACI regroupe l’ensemble de ces systèmes de navigation satellitaires et de leurs systèmes d’augmentation sous la dénomination GNSS. Pour des raisons de sécurité évidentes, les performances des récepteurs GNSS embarques doivent garantir des minima propres à chaque phase de vol et chaque procédure d’approche. Ces exigences de performances sont spécifiées dans les spécifications des performances opérationnelles minimales, documents publiés (ou en cours de publication) par les autorités sus-citées. Le GNSS est en passe d'être amélioré par la diffusion de nouveaux signaux. Parmi eux, les signaux Galileo E5 et GPS L5 devraient permettre l'amélioration du service de navigation par satellite. Cependant, ces signaux seront émis dans une bande déjà utilisée par des systèmes radiofréquences. Il est donc primordial de s'assurer de la possibilité de la coexistence de ces systèmes. Plus particulièrement, il est nécessaire de s'assurer que les récepteurs GNSS embarqués utilisant les signaux sus-cités respectent les exigences de performance. La menace principale au bon fonctionnement des récepteurs GNSS utilisant les signaux E5/L5 a été identifiée comme étant les émissions pulsées des systèmes DME, TACAN, JTIDS et MIDS. Sans moyen de lutte contre ces interférences, les performances des récepteurs GNSS embarqués peuvent être dégradées de manières significatives, empêchant les récepteurs de se conformer aux exigences de sécurité sur l’ensemble du monde, et plus particulièrement sur des ≪ points chauds ≫ ayant été identifies comme les lieux ou l'impact de ces interférences sur lesdits récepteurs est la plus importante. Deux techniques de réduction d’interférences ont été proposées pour lutter contre cette menace, le Blanker temporel et le Frequency Domain Interference Suppressor (FDIS). Le Blanker temporel est une technique de traitement du signal consistant en un test de puissance, relativement simple a mettre en oeuvre et dont la capacité de rejection des interférences a été démontrée suffisante pour assurer les exigences de l’aviation civile dans toutes les phases de vols sur l’ensemble du monde pour les récepteurs GPS et Galileo utilisant respectivement les signaux L5 et E5, dans [Bastide, 2004]. Toutefois, cette technique permet de respecter les exigences avec une marge faible, dans les environnements les plus riches en interférences, autrement dit les « points chauds ». En revanche, le FDIS est une technique de lutte contre les interférences pulsées beaucoup plus exigeante en termes de ressources, puisque basée sur l’excision des interférences dans le domaine fréquentiel. Cependant, elle permet une amélioration sensible des performances du récepteur, et donc une augmentation des marges vis-à-vis des exigences fixées par l'Aviation Civile. Le FDIS a été propose comme une alternative au blanker temporel, mais ses problèmes d'implantation et ses performances n’ont été que peu étudies. La dissertation a pour but de participer a cette étude de performance afin de valider son intérêt. Le plan de la thèse est le suivant : tout d'abord, les signaux de navigation, Galileo E5a/E5b et GPS L5, les interférences pulsées, ainsi que leur impact sur les performances des récepteurs GNSS sont présentes. Ensuite, une description des techniques de suppression d’interférences (blanker temporel, FDIS), leurs caractéristiques théoriques et les dégradations de performances subies par un récepteur GNSS utilisant ces techniques en présence d'interférences pulsées sont présentées. Les conditions dans lesquelles ont été obtenues ces performances, c’est à dire le choix des scenarios joues ainsi que des paramètres observés, ou encore les outils de simulation sont décrits. La conclusion résume l’analyse des performances, les compare aux exigences de l’Aviation Civile, et propose des recommandations pour la conception de récepteurs GNSS embarqués.

Civil Aviation standardisation bodies (ICAO, RTCA, EUROCAE) are currently investigating the use of the Global Navigation Satellite System (GNSS) as a stand-alone navigation solution for civil aircraft. For obvious safety reasons, on-board GNSS receivers must guarantee minimum performance requirements in given phases of flights. These requirements, dependent upon the system and signals used, are stated in the Minimum Operational Performance Specification (MOPS), published (or being published) by the corresponding authorities. With that respect, the future use of Galileo E5 and GPS L5 bands has raised, among others, interference issues. Indeed, pre-existent RF systems emit in this band, thus interfering with the E5/L5 signals. The main threat was identified as being DME/TACAN ground beacons pulsed emissions. Without any mitigation capability, these systems can disturb the proper operation of on-board GNSS receivers, preventing them from complying with safety requirements. Two Interference Mitigation Techniques (IMT) have been proposed to fight this threat, the Temporal Blanker and the Frequency Domain Interference Suppressor (FDIS). The Temporal Blanker technique offers a fairly simple implementation and was shown to provide enough benefits to ensure that the specified requirements were met in all phases of flight for a GPS L5 or Galileo E5 receiver. However, it was also demonstrated that the resulting performances were meeting the requirements by only a small margin on the worst DME/TACAN interference environment that can be found in Europe and USA, so called the European and USA “hot spots”. In contrast, the FDIS is a more demanding mitigation technique against pulsed interference in terms of required resources but improves the performances of the receiver, thus allowing larger margins with respect to the civil aviation requirements. The core of the study is the analysis of the performances of GNSS receivers using FDIS as IMT. The dissertation architecture is the following: first, the navigation signals, Galileo E5a/E5b and GPS L5, as long as the interferences that constitute a threat for GNSS navigation and their impact on GNSS receivers operations are presented. Then, a description of the studied IMTs (Temporal Blanker, FDIS), their theoretical characteristics and the theoretical derivations of the post-correlation C/N0 degradation suffered by a receiver using these techniques in presence of pulsed interference are depicted. Afterwards, all the results obtained concerning the IMTs performance assessments are presented. Firstly, the Figures Of Merit chosen to analyze the performance of both techniques are presented and their choice is motivated. Then, the chosen interference and signal scenarios, along with the simulation tools and means are finely detailed. Finally, a confrontation of Temporal Blanker and FDIS performances is given using the previously described FOMs. The conclusion summarizes the performances analysis, compares them to - 6 - civil aviation performances requirements, and proposes recommendations for on-board GNSS receivers design