GALILEO signals and payload optimization
Optimisation des signaux et de la charge utile Galileo
Résumé
The Galileo positioning system is a satellite navigation system, to be built by the European Union (EU) and operational by 2013. To provide high precision position, the Galileo system should present high performance signals and architecture. The signals design, their performance and their generation are the heart of this thesis. Indeed the main objective of this study is the optimization of the Galileo signals and generation to obtain the best performance from a receiver point of view. A thorough analysis of the Galileo system, from the payload to the receiver, is first realized. It shows that impairments can affect the signals during the transmission. To avoid these distortions or to reduce their impact, Galileo signals should present some particular properties. It is therefore important to analyze these constraints for the design of high-performance payload and signals. One of the objectives of this thesis is to study if the proposed Galileo signals, in the E5 and E1 bands, possess these properties and so if they verify the design constraints. To have better performance, recently, new signals waveforms have been proposed to transmit the Galileo Open Service signal in the E1 band. These new waveforms, called Composite BCS or Composite BOC, are examined to verify their compliance to the design constraints. Their performance are evaluated and compared to the baseline BOC(1,1) performance. Finally, simulations results are presented. They permit to evaluate the influence of the distortions due to payload and receiver equipment on Galileo signals and their performance from a receiver point of view.
Le système de positionnement Galileo est un nouveau système de navigation par satellite en cours de développement pour l'Union Européenne, qui devrait être opérationnel en 2013. Tout en fournissant un service de positionnement autonome, Galileo sera interopérable avec les systèmes de navigation par satellite déjà existants comme le système américain GPS (Global Positioning System). En effet, un utilisateur pourra, avec un récepteur compatible, obtenir une position quelque soit le système utilisé. De plus, Galileo a pour objectif de garantir la disponibilité de certains services tels que le service commercial (CS) par exemple ou le service public réglementé (PRS). Mais Galileo fournit aussi, avec le service Sécurité de la vie (SOL), un message d'intégrité permettant de déterminer si l'information satellite est fiable, afin de l'utiliser pour des applications critiques telles que le transport aérien, maritime ou terrestre. Afin de fournir une position, une synchronisation et une information d'intégrité précises, en accord avec les besoins des utilisateurs, le système Galileo doit posséder des signaux et une architecture performants. L'étude de la conception de ces signaux, leur génération et leurs performances constitue le coeur de cette thèse. En effet, l'objectif principal de ce travail est l'optimisation de la charge utile et des signaux Galileo afin d'obtenir les meilleures performances possibles du point de vue du récepteur. Une analyse complète du système Galileo, de la charge utile au récepteur est d'abord effectuée. Elle montre que des distorsions peuvent affecter les signaux pendant leur génération, leur propagation et leur traitement dans le récepteur. Ces distorsions, dues aux instabilités d'horloges, aux non-linéarités de l'amplificateur, aux filtrages ou aux trajets multiples (multitrajets), réduisent la performance des signaux, en particulier lors de la poursuite du code ou lors de la poursuite de la phase de la porteuse. Pour éviter ces distorsions ou pour réduire leur impact, les signaux Galileo doivent présenter certaines propriétés, comme une enveloppe constante ou une large bande par exemple. Il est donc important d'analyser ces contraintes pour la conception d'une charge utile et de signaux performants. Une étude est ensuite menée afin de déterminer si les signaux Galileo proposés par la GJU (Galileo Joint Undertaking), en particulier en bande E5 et E1(E1-L1-E2), présentent ces propriétés et ainsi vérifient les contraintes de conception. La modulation Interplex et la modulation ALTBOC (Alternate Binary Offset Carrier) sont les solutions proposées pour multiplexer, respectivement, les signaux E1 et E5. Les expressions théoriques et les performances de ces modulations sont analysées afin de montrer qu'elles transmettent les signaux avec une enveloppe constante permettant de réduire les distorsions dues aux non-linéarités de l'amplificateur. Récemment, de nouvelles formes d'onde ont été proposées pour transmettre le signal " Open Service " de Galileo en bande E1, toujours avec l'objectif d'obtenir de meilleures performances. Ces nouveaux signaux sont basés sur la combinaison linéaire d'un signal BOC(1,1) avec un signal " Binary Coded Symbol (BCS) " ou avec une autre sous porteuse BOC. Ces signaux sont alors appelés Composite BCS (CBCS) ou Composite BOC (CBOC). Ces nouveaux signaux, conçus afin de réduire l'impact des multitrajets sur les performances, sont étudiés tout au long de la chaîne de transmission afin de contrôler s'ils vérifient les contraintes de conception et s'ils peuvent être transmis avec la modulation Interplex. Leurs performances sont aussi évaluées et comparées à celle du signal BOC(1,1), grâce à des observables qui caractérisent les performances en réception. Ces observables sont la fonction d'autocorrélation, la densité spectrale de puissance, le coefficient d'isolation spectrale et l'enveloppe d'erreur due aux trajets multiples. Pour terminer, des simulations permettent d'évaluer l'influence des distorsions dues aux équipements de la charge utile et du récepteur, sur les signaux Galileo et sur leur performance en réception, sont présentées. En particulier, l'influence des horloges, des amplificateurs et des filtres est évaluée grâce notamment au calcul de l'erreur de phase dans la boucle de poursuite du récepteur.