Algorithmes de diversité d'antennes appliqués à la réception des signaux GNSS en environnement urbain et sur terminal mobile

Array processing for GNSS receiver in urban environement [i.e environment]

• Auteur / Autrice : Sébastien Rougerie
• Direction : François Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, télécom, système et architecture
• Date : Soutenance le 31/01/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Signal, communication, antenne et navigation, radar (Toulouse, Haute-Garonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

GPS

Localisation par satellites, Systèmes de

Mots clés libres

GNSS

Multi-trajets

Traitement d’antenne

Défauts

Robuste

SAGE/STAP multi-corrélateurs

GNSS

Multipath

Antenna treatment

Faults

Robust

SAGE/STAP multicorrelators

Résumé

Dans les systèmes de positionnement par satellite (GNSS), les réflexions multiples, caractéristiques des canaux de propagation urbains, posent de gros problèmes dans la bonne estimation de la position. Bien que de nombreuses solutions aient été proposées pour lutter contre les multi-trajets (Narrow correlator, MEDLL), les multi-trajets à faibles retards relatifs (<0.1Chips) sont toujours problématique. Plus récemment, l'utilisation de réseaux d'antennes adaptatifs a été proposée pour lutter contre les multi-trajets. En effet, l'échantillonnage spatial du front d'onde réalisé à partir de plusieurs antennes permet de discriminer les sources dans le domaine spatial, et cela quels que soient les retards des multi-trajets. Cette thèse a donc pour objectif de définir des méthodes de réjection des multi-trajets qui tirent partie de la dimension des directions d'arrivées (DOA) apportée par un réseau d'antenne. Le cahier des charges impose que le réseau utilisé soit de petite taille (typiquement réseau carré 2×2), et demande un algorithme robuste aux défauts technologiques.Inspiré des méthodes de réjection d'interférence, les premières solutions proposées ont été les techniques d'antennes adaptatives afin de filtrer spatialement les multi-trajets Cependant, en raison de la petite taille du réseauainsi que de la corrélation intrinsèque entre les multi-trajets et le signal direct, ces méthodes ont rapidement été mises en défaut. En particulier, les multi-trajets spatialement proches du trajet direct restent toujours problématiques.Afin de tirer partie de la dimension spatiale apportée par un réseau d'antennes et sans être trop dépendant de l'espacement angulaire entre les sources, nous avons choisi de joindre à l'estimation des DOA, l'estimation des retards et fréquences Doppler de chaque trajet reçu. L'algorithme SAGE, issu de la théorie du maximum de vraisemblance, a été utilisé afin d'estimer de façon jointe les paramètres des sources. De plus, nous avons proposé une nouvelle implémentation de SAGE qui permet de réduire d'un facteur 500 la complexité de l'algorithme tout en conservant les mêmes performances d'estimation. Les simulations ont montré une nette amélioration de la réjection des multi-trajets par rapport aux méthodes mono-antenne et multi-antennes adaptatives, tout en conservant une complexité calculatoire raisonnable. Cette méthode a fait l’objet d’un brevet.Nous avons ensuite étudié l'influence des défauts technologiques (couplage, défaut de chaîne RF …), numériques (quantification) et des défauts intrinsèques à l'algorithme SAGE (estimation du nombre de multi-trajets) sur les performances d'estimation, et proposé différentes méthodes de compensation. Nous retiendrons que des filtres FIR ont été utilisés pour compenser les défauts large bande de la chaîne RF, et que le couplage peut être estimé à partir de la connaissance des DOA des signaux utiles. Les simulations ont montré qu'avec ces méthodes de compensation, l'algorithme SAGE affichait des performances très proches de celles dans le cas parfait (sans défaut). Un algorithme d'estimation du nombre de multi-trajets a aussi été proposé, et les résultats en simulation dynamique (en utilisant des modèles de canal existants) ont montré une bonne adaptation aux différentes situations.Pour finir, il est important de noter que les outils développés durant cette thèse peuvent être utilisés dans le cadre de l'étude du canal de propagation des signaux GNSS, en identifiant et estimant les multi-trajets susceptibles de perturber l'estimation de la position du récepteur.

In Global Navigation Satellite Systems (GNSS) applications, multipath (MP) errors are still one of the major error sources in conventional receivers. The additional signal replicas due to reflections introduce a bias in Delay Lock Loops (DLL), which finally leads to a positioning error. Several techniques have been developed for multipath mitigation or estimation such as the Narrow Correlator Spacing or the Multipath Estimating Delay-Lock-Loop (MEDLL) algorithm.However, these techniques suffers from high sensitivity to noise, and can not mitigate short delay multipath (<0.1 chip).More recently, the use of antenna array algorithms has been proposed for multipath mitigation. Antenna arrays perform a spatial sampling that makes possible the discrimination of sources in the space domain (azimuth and elevation).However, in conventional receivers, little room remains for antenna integration, and only a small number of antenna elements can be integrated. This study will therefore focus on algorithms for a 2x2 square antenna array. Moreover, theproposed solutions have to be robust against technological defects.Two solutions are investigated to mitigate multipath with an antenna array. The first one tries to filter the multipaths in the space domain in order to "clean" the incoming signal of all the multipaths. However, the results obtained with this solution are quite mitigated. Indeed, the small size of the array implies a low space resolution, and the correlation between the LOS signal and the multipaths strongly degrade the performance of high resolution algorithms. Thus, close spaced multipath are still a problem.In the second approach, a set of parameters (amplitudes, times-delays, Doppler shifts, elevations and azimuths) of all the incoming sources are estimated. The main difference with the first approach is that, instead of filtering the sources on the space domain only, the different incoming paths are filtered on space, time and frequency domains. To estimate the parameters of all the sources, SAGE algorithm, which is a low-complexity generalization of maximum likelihood theory, has been considered. Moreover, a new implementation of the SAGE algorithm has been investigated in order to reduce the complexity by a factor 500, without loss of estimation performances. The simulations show a real improvement in the multipath mitigation compared to mono antenna algorithms and beamformerapproaches.The impact of technological defects (mutual coupling, RF channel mismatch …), numerical defect (quantization) and SAGE defect (estimation of the number of path) on the estimation performances were also investigated, and severalcompensation algorithms were proposed. The wide band effects of the RF filter were compensated by FIR equalizer, and mutual coupling can be estimated thanks to the knowledge of the satellites DOA. Simulations show that the estimationperformance of the SAGE algorithm after array calibration are very close than the performance in perfect system. Last, we proposed an algorithm to estimate the number of path, and dynamic simulations (by using channel model) show avery good adaptation of the algorithm.Last but not least, the tools developed in this PhD can be also useful in multipath modelling applications for GNSS.