Se cubren los cambios de implementación y las primeras pruebas en vivo de BeiDou y Galileo en chips Teseo-3 GNSS desarrollados en 2013, llevándolo a una máquina de cuatro constelaciones.Para 2020, esperamos tener cuatro constelaciones globales, todas en la misma banda, lo que nos dará más de 100 satélites, bajo un cielo despejado, hasta 30 o 40 simultáneamente.Por Philip G. Mattos y Fabio PisoniEl GNSS de múltiples constelaciones estuvo ampliamente disponible por primera vez en 2010/2011, pero solo como dos constelaciones, GPS+GLONASS.Aunque los receptores en ese momento pueden haber sido compatibles con Galileo, no había satélites utilizables.BeiDou era solo un nombre, ya que sin una especificación (un documento de control de interfaz o ICD), no se podían construir receptores.Sin embargo, el tiempo de desarrollo del hardware de los receptores se había acortado de manera efectiva: el ICD de Galileo había estado disponible durante años, los códigos BeiDou habían sido modificados mediante ingeniería inversa por Grace Gao y sus colegas en Stanford, y a fines de 2011 fueron confirmados por el so- llamada ICD de prueba, que permitía probar la señal sin publicar aún las características o el contenido del mensaje.Las últimas semanas de 2012 vieron dos grandes avances para GNSS.Galileo IOV3 y 4 comenzaron a transmitir a principios de diciembre, elevando la constelación a cuatro y haciendo posible el posicionamiento durante unas dos horas al día.A fines de diciembre, los chinos emitieron el BeiDou ICD, que permitió agregar los pasos finales de decodificación de mensajes y cálculo de efemérides a los sistemas que habían estado rastreando a BeiDou durante muchos meses y, por lo tanto, respaldando el posicionamiento.El receptor Teseo-2 de STMicroelectronics ha estado disponible durante algunos años, por lo que, aparte del desarrollo de software, solo estaba esperando los satélites Galileo;sin embargo, para BeiDou necesitaba soporte de hardware en forma de una interfaz de RF adicional.Además, si bien podía admitir las cuatro constelaciones, no podía admitir BeiDou y GPS/Galileo al mismo tiempo, ya que sin el BeiDou ICD, los códigos de difusión tenían que ser generados por software y utilizados desde un generador de códigos basado en memoria, bloqueando así la parte GPS/Galileo de la máquina.El receptor Teseo-3 apareció a fines de 2013, volviendo al factor de forma óptimo de un solo chip: RF integrado con silicio digital y memoria flash en el mismo paquete, lo que permite el uso simultáneo de señales BeiDou y GPS/Galileo.La constelación múltiple en 2012 fue GPS+GLONASS, que trajo enormes beneficios en cañones urbanos con hasta 20 satélites visibles en cielo abierto.Ahora, durante dos horas al día en Europa mientras los IOV de Galileo están visibles, podemos ejecutar tres constelaciones, y en la región de China, GPS/BeiDou/Galileo es la opción preferida.Este artículo cubre el primer seguimiento de cuatro satélites Galileo el 4 de diciembre de 2012, el primer posicionamiento con Galileo y el primer posicionamiento con BeiDou en enero de 2013. Cubrirá las pruebas estáticas y en carretera de cada constelación individualmente y juntas como una única solución de posicionamiento.Las pruebas en carretera en Estados Unidos/Europa combinarán GPS/GLONASS/Galileo, mientras que las pruebas en la región de China combinarán GPS/Galileo/BeiDou.Los resultados se discutirán desde un punto de vista técnico, mientras que también se considerará el futuro del mercado del hardware de múltiples constelaciones.En el período 2010-2020, GLONASS y BeiDou (1602 MHz FDMA y 1561 MHz respectivamente) cuestan más silicio tanto en RF como en hardware digital, y causan una vulnerabilidad de interferencia adicional marginal debido al ancho de banda de 50 MHz del front-end.El silicio adicional también provoca un consumo de energía adicional.Después de 2020, se espera que GLONASS tenga operativa la señal L1OC, CDMA en la frecuencia GPS/Galileo, y se espera que BeiDou se haya expandido a nivel mundial y también tenga la señal B3 totalmente operativa, nuevamente en 1575 MHz.En ese momento tendremos cuatro constelaciones globales, todas en la misma banda, lo que nos dará más de 100 satélites.Con un cielo despejado, el usuario puede esperar ver más de 30, a veces 40, satélites simultáneamente.Además de los beneficios de rendimiento en términos de disponibilidad y precisión de cañones urbanos, esto permite simplificar enormemente el receptor.Si bien los generadores de códigos requerirán una gran flexibilidad para generar cualquiera de las familias de códigos a voluntad, la ruta de la señal real se simplificará en gran medida: solo una ruta en el procesamiento de RF (analógico) y de banda base (digital), incluidos todos los filtros de muesca, desrotación, y así.Y esto reducirá en gran medida el consumo de energía.¿Querrá el mercado aprovechar el beneficio en el consumo de energía y el área de silicio, o preferirá reutilizar esos recursos convirtiéndose en doble frecuencia, agregando también las señales de banda L inferior, inicialmente L5/E5, pero posiblemente también L2/L3? /L6?La opinión actual es que el receptor de consumo no irá más allá de L5/E5, pero que los ganchos se incorporarán para permitir que el mismo silicio se use también en receptores profesionales, o en implementaciones L2C para aprovechar la disponibilidad anterior. de una constelación completa de GPS-L2C en lugar de GPS-L5.Este artículo presenta los resultados técnicos de las pruebas de campo del receptor de constelación cuádruple y también la visión prospectiva de cómo los receptores crecerán a través de multifrecuencia y se reducirán a través de las crecientes similitudes de señal durante esta década.Galileo se instaló en el hardware del receptor ST GPS/GNSS de 2006 a 2008, con una nueva RF y una banda base basada en FPGA en el marco del proyecto GR-PosTer financiado por la UE.Si bien una banda base de producción (Cartesio-plus) siguió en gran volumen desde 2009, en la vida real todavía era GPS simple debido a la ausencia de satélites Galileo.Las características modificadas en Galileo que impulsaron las actualizaciones de hardware se muestran en la Figura 1. La modulación BOC(1,1) de la portadora de compensación binaria amplía el ancho de banda y afecta a la RF, mientras que tanto el BOC como los códigos de memoria afectan al silicio de banda base en el código. área del generador.El siguiente fue el regreso a la fuerza de la constelación GLONASS, lo que significa que en realidad se necesitaban receptores antes de Galileo.Sin embargo, la frecuencia central diferente (1602 MHz) y la naturaleza multicanal del FDMA significaron cambios más importantes en el hardware.Como se muestra en la Figura 2 en naranja, se agregó un segundo mezclador, con una segunda ruta de IF y un convertidor A/D.Figura 2. Cambios en el hardware de Teseo-2 RF para GLONASS.Figura 3. Cambios en la banda base de Teseo-2 y Teseo-3 para GLONASS.Los cambios en la banda base agregaron una segunda cadena de preprocesamiento y configuraron todos los canales de adquisición y seguimiento para seleccionar de manera flexible cualquiera de las cadenas de entrada.Menos visibles, los generadores de códigos se modificaron para admitir códigos de 511 chips y velocidades de 511kchips/seg.Teseo-2 apareció con soporte GPS/GLONASS en 2010 y demostró el beneficio de GNSS en cañones urbanos, como lo muestra el gráfico de dilución de precisión (DOP) para el centro de Londres en la Figura 4. El receptor solo GPS (en rojo) tiene Excursiones frecuentes de DOP más allá de los límites, lo que resulta en una mala precisión o incluso en una disponibilidad de reparación interrumpida.Por el contrario, la versión GNSS (en azul) tiene un DOP generalmente por debajo de 1, con un máximo único de 1,4 y, por lo tanto, una disponibilidad del 100 por ciento.El seguimiento de 16 satélites, incluso si muchos son a través de rutas reflejadas sin línea de vista (NLOS), permite la eliminación sofisticada de mediciones distorsionadas pero aún así un posicionamiento continuo y, por lo tanto, preciso.Figura 4. Beneficios de DOP/precisión de GNSS.Como Galileo, BeiDou es una historia de capítulos.El Capítulo 1 no era un ICD y se ejecutaba en una arquitectura de RF dual de demostración según el esquema que se muestra en la Figura 5. El Capítulo 2 era el mismo hardware con el ICD de prueba, por lo que todos los satélites, pero aún sin posicionamiento.El Capítulo 3 fue el posicionamiento completo del ICD en enero de 2013 (Figura 6), y luego se ejecutó en el silicio Teseo-3 real en septiembre de 2013, como se muestra en la Figura 7.Figura 5. Demostración Teseo-2 implementación dual RF de BeiDou.El Teseo-3 tiene una sección de RF en el chip compatible con GPS, Galileo, GLONASS y BeiDou, por lo que no se necesita RF externa.El espacio verde claro alrededor del chip Teseo-3 en la foto y los cuatro orificios de montaje son para el zócalo atornillado que se usa para sujetar los chips durante las pruebas, mientras que el chip que se muestra está soldado directamente a la placa.La figura 8A muestra la placa de desarrollo que rastrea ocho satélites BeiDou visibles desde Taiwán.Sin embargo, el silicio no está diseñado para ser de una sola constelación;está diseñado para utilizar todos los satélites del cielo.La Figura 8b muestra otra prueba utilizando GPS y satélites BeiDou simultáneamente.Se muestra una demostración móvil del modelo Teseo-3 ejecutando GPS más BeiDou en la Figura 9, una prueba en carretera en Taipéi.Los satélites (SV) hasta 32 son GPS, los que superan los 140 son BeiDou, en la ventana de estado que se muestra: un total de 13 satélites en un área de ciudad de gran altura, aunque muchos no son LOS.Figura 9. Seguimiento de GPS + Beidou en Taipei.Extender el hardware para agregar BeiDou, que está en 1561 MHz y, por lo tanto, una tercera frecuencia central, significó agregar otra ruta a través de las etapas de FI de la radio en chip.Después del primer mezclador, el GPS está a 4 MHz y GLONASS a unos 30 MHz, pero BeiDou está a menos 10 MHz.Si bien la franja de FI en general es real, en lugar de compleja (IQ), la salida del mezclador y la entrada a la primera etapa del filtro son complejas y, por lo tanto, pueden discriminar entre frecuencias positivas (desde la banda lateral superior) y negativas (desde la banda lateral superior). banda lateral inferior), y esto se usa normalmente para dar un buen rechazo de imagen.En el caso de BeiDou, la entrada del filtro se modifica para tomar la banda lateral inferior, es decir, frecuencias negativas, y no se requiere un segundo mezclador;el filtro de FI está sintonizado a 10 MHz.Los nuevos bloques para BeiDou se muestran en verde en la Figura 10. La banda base no tiene nuevos bloques, pero el generador de código se modificó para generar los códigos BeiDou (y, de hecho, se hizo flexible para generar muchos otros tipos y longitudes de código).Se contemplan dos formas de banda base Teseo-3, siendo la primera de bajo costo y baja corriente que sigue teniendo dos rutas de entrada, por lo que debe elegir entre GLONASS y BeiDou según sea necesario.Un futuro modelo de gama alta puede tener una ruta de procesamiento de entrada adicional para permitir el uso de BeiDou y GLONASS simultáneamente.Figura 10. Cambios de Teseo-3 RF para Beidou mostrados en verde.Manteniendo la secuencia cronológica, Galileo obtiene un segundo capítulo en tres pasos.En diciembre de 2012, fue posible por primera vez rastrear cuatro satélites IOV simultáneamente, aunque no para posicionarlos debido a la ausencia de datos orbitales válidos.En marzo de 2012, fue posible por primera vez demostrar el posicionamiento en vivo, y esto se hizo usando Teseo-2 simultáneamente por ESA en ESTEC y STMicro en Nápoles y Milán, nuestros centros de desarrollo de software.Las demostraciones se repitieron en público para la prensa el 24 de julio de 2013 en Fucino, la estación terrena satelital de Italia, con ESA/EC utilizando el receptor de usuario de prueba (TUR) de Septentrio y ST realizando pruebas simultáneas en sus laboratorios italianos.La Figura 11 y la Figura 12 muestran los resultados de posición para los canales de datos y piloto respectivamente, con puntos fijos LMS independientes.En la vida real, las correcciones serían de un filtro Kalman, y serían de un canal combinado E1-B/E1-C, para aprovechar el mejor seguimiento en el piloto.Figura 11. Posicionamiento de Galileo, E1-B.Figura 12. Posicionamiento de Galileo, E1-C.No se espera una buena precisión de Galileo en esta etapa.Los cuatro satélites, aunque están en órbita para dar una buena visibilidad común, tampoco dan un buen DOP;el conjunto completo de estaciones de monitoreo en tierra aún no está implementado y no se puede calibrar bien con una constelación tan pequeña.Finalmente, los datos de corrección ionosférica aún no están disponibles.A pesar de estos problemas, los residuos de las soluciones, frente a una posición fija conocida para la antena de techo, son muy respetables, como se muestra en la Figura 13.Figura 13. Residuos de Galileo, L1-B.El valor del modo común no es importante, ya que representa solo un desplazamiento en el reloj del receptor, y 10 metros son aproximadamente 30 nanosegundos.El indicador de precisión es la dispersión entre satélites, que es muy respetable para un receptor de solo código sin corrección de iono total, especialmente alrededor de 640 en la escala TOW, donde está a menos de 2 metros.La variación rápida y principal de los datos verdes alrededor de t=400 se considera multitrayecto, ya que la antena del techo no está en la posición ideal con respecto a otras máquinas y equipos que también están instalados en el techo.Teseo-2 ha admitido la señal heredada (código C/A) en QZSS durante algún tiempo, pero Teseo-3 se ha actualizado para manejar la señal GPS-III/L1-C, a la espera de un GPS modernizado.Esta señal ya está disponible en el satélite QZSS, lo que permite realizar pruebas con señales reales.Se requirieron cambios significativos en el hardware de banda base, ya que el código de difusión es un código de Weill, cuya complejidad de generación es tal que se genera una vez cuando se selecciona el satélite y luego se reproduce en tiempo real desde la memoria.Además es largo, en dos dominios.Son 10230 chips, es decir, largos para almacenar pero también largos en el tiempo, con una época de 10 milisegundos.En Teseo-3, el código C/A heredado se utiliza para determinar la fase y la frecuencia del código antes de transferirlo al código Weill para su seguimiento.Usando una bola de cristal de largo alcance y mirando hacia el futuro, está disponible un modelo del futuro hardware Teseo-4 DSP, con 64 derivaciones de correlación por satélite.Ejecutar esto en la señal QZSS L1-C capturada da la respuesta de correlación que se muestra en la Figura 14. Tener múltiples toques elimina toda ambigüedad de la señal BOC, eliminando simultáneamente las transiciones de datos, que alternativamente pueden eliminarse previamente utilizando el código secundario piloto conocido (que en GPS III es 5 dB más fuerte que la señal de datos).El gráfico resultante representa 2000 épocas, cada una de 10 milisegundos, trazadas en azul, con el resultado integrado para los 20 segundos completos que se muestran en la línea discontinua negra.Suponiendo que la dinámica del vehículo se elimine utilizando el portador Doppler, esto permite una medición extremadamente precisa de la fase del código o el análisis de cualquier camino múltiple para eliminarlo.Estos datos de RF se capturaron en un sitio benigno con una antena estática, por lo que muestran poca distorsión.Figura 14. Seguimiento L1-C en el satélite QZSS.Figura 15. Implementación de RF dual de front-end de doble banda.Después de haber incorporado una flexibilidad extrema a los generadores de código para admitir todas las señales conocidas y las probables futuras generalizadas, el paso principal para el futuro es admitir múltiples frecuencias, comenzando con la adición de L5 y/o L2, pero como antes, asegurando que haya suficiente flexibilidad. está integrado para permitir cualquier elección racional de usuario/cliente.No es viable para nosotros hacer silicio para combinaciones de bajo volumen, ni dividir el mercado general entre diferentes chips.Por lo tanto, nuestro chip principal también debe admitir las opciones de menor volumen.Sin embargo, no podemos imponer sanciones por área de silicio o consumo de energía al cliente de gran volumen, o no comprará nuestro producto.Por lo tanto, nuestra solución para la multifrecuencia es hacer una RF que pueda admitir cualquiera de las bandas de manera conmutable, con la banda alta integrada en el GNSS de un solo chip de volumen.Los clientes que también necesitan la banda baja pueden agregar una segunda RF de diseño idéntico externamente, conectada al puerto de expansión en la banda base, que siempre ha existido para fines de diagnóstico, y así fue como se demostró BeiDou en T2.Al ser un RF de diseño idéntico al interno, no requiere ningún esfuerzo de diseño adicional y probablemente se produciría de todos modos como chip de prueba durante el desarrollo de la versión integrada de un solo chip.Sin este enfoque, el bajo volumen de ventas de una radio de doble banda o de una radio de banda baja nunca compensaría los costos de desarrollo.Las cuatro constelaciones se han demostrado con señales satelitales en vivo en Teseo-2, un chip de producción de alto volumen durante varios años, y en Teseo-3, incluido el uso en combinaciones como una única solución de posicionamiento de múltiples constelaciones.Con la llegada de Teseo-3, con procesamiento BeiDou optimizado y soporte de hardware para GPS-3/L1C, se ofrece una solución de chip único a largo plazo.Para el futuro, las soluciones de doble frecuencia están en proceso, lo que permite aprovechar al máximo la fase portadora y la investigación para mover el posicionamiento de puntos precisos y la cinemática en tiempo real al mercado automotriz para campos como los sistemas avanzados de asistencia al conductor.El diseño y desarrollo de Teseo III cuenta con el apoyo del proyecto HIMALAYA FP-7 de la Comisión Europea.Este artículo se basa en un documento técnico presentado por primera vez en ION-GNSS+ 2013 en Nashville, Tennessee.Los productos ST GPS, chipsets y software, banda base y RF son desarrollados por un equipo distribuido en: Bristol, Reino Unido (I+D de sistemas, I+D de software; Milán, Italia (implementación de silicio, modelado y verificación de algoritmos); Nápoles, Italia (implementación y validación de software ); Catania, Sicilia, Italia (software Galileo, diseño y producción de RF); Noida, India (verificación y FPGA). Se agradece la contribución de todos estos equipos.Philip G. Mattos recibió un doctorado externo.en su trabajo de GPS de la Universidad de Bristol.Desde 1989 ha trabajado exclusivamente en implementaciones GNSS, RF, banda base y aplicaciones.Está asesorando sobre los chips GNSS de próxima generación, incluidos GPS de un chip (RF+digital), GPS de alta sensibilidad y Galileo para aplicaciones en interiores, y conjuntos de chips GPS/Galileo/GLONASS combinados.En 2008-2009, volvió a implementar LORAN en la CPU del GPS y en 2009-2010 dirigió el equipo de implementación de GLONASS.Lidera el equipo en la implementación de L1C y BeiDou, y la creación de hardware totalmente genérico que puede manejar incluso futuros sistemas desconocidos.Fabio Pisoni ha estado con el equipo de sistema GNSS en STMicroelectronics desde 2009. Recibió una maestría en electrónica del Politecnico di Milano, Italia, en 1994. Anteriormente estuvo con el equipo de sistema y DSP GNSS en Nemerix SA y tiene experiencia laboral anterior en comunicaciones (receptores multiportadora).Si disfrutó de este artículo, suscríbase a GPS World para recibir más artículos como este.Soy Master Mariner. Disfruté tener más información sobre el sistema GPS para mis propósitos de navegación.Lectura muy interesante, me ayudó a decidir comprar una placa de receptor GPS con una antena de triple banda para fines de cuadricóptero UAV en el sudeste asiático.© 2022 North Coast Media LLC, Todos los derechos reservados.