aalto1 untyped-item.component.html
Implementation of the new GPS L1C signal in a software-defined Global Navigation Satellite System Receiver
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ELEC3070
Degree programme
Language
en
Pages
90 + 1
Series
Abstract
A growing demand for more robust and accurate global navigation satellite system (GNSS) services has made it necessary to create new and upgrade existing systems with the U.S. operated Global Positioning System (GPS) being no exception. GPS L1C signal defined as part of an on-going GPS modernization effort uses various new techniques to improve the system, including time-multiplexed binary-offset carrier (TMBOC), low-density parity-check (LDPC) forward error correction, and a dedicated pilot channel. To take advantage of the new features, researchers and other GNSS users have a need for new signal processing tools which the thesis aims to address by proposing and testing a complete GPS L1C software-defined receiver.
The GPS L1C receiver was developed as part of FGI-GSRx multi-GNSS software receiver by adapting the receivers various signal processing modules for L1C use. Four main processing modules were defined: GPS L1C pilot-only and combined channel acquisition, L1C pilot channel tracking with BOC or TMBOC subcarrier, GPS CNAV-2 navigation message decoding using simple BCH and belief propagation (BP) LDPC decoding methods, and navigation solution computation using a least-squares method. The implemented receiver modules were tested using live and simulated GNSS I/Q data and precision of the receiver was compared to theory. The thesis discusses the implications of the new signal from the theory's perspective.
Thesis's results demonstrated the acquisition and tracking of live GPS L1C signals with the implemented receiver. It was noticed that live L1C broadcasts are missing CNAV-2 messages as GPS modernization is still under development. CNAV-2 decoding was tested for simulated Gaussian channels at varying signal-to-noise ratios. The receiver obtained a 50\% CNAV-2 decoding rate of success between 15.9 and 24.0 dB-Hz $C/N_0$ depending on the message subframe. Positioning performance of the GPS L1C receiver measured using RMS error showed that the implementation achieves a level of precision in-line with theoretical expectations. The results of the thesis validated the proposed receiver and, therefore, the thesis offers a solid foundation for anybody wishing to develop their own GPS L1C receiver in the future.
Kasvava kysyntä luotettavampaa ja tarkempaa satelliittipaikannusta kohtaan on tehnyt tarpeelliseksi luoda uusia ja päivittää olemassa olevia satelliittipaikannusjärjestelmiä (GNSS). Yhdysvaltalainen GPS on määrittänyt osana modernisointiohjelmaansa uuden GPS L1C-signaalin, joka sisältää ominaisuuksia kuten TMBOC-alikanavamodulonnin, BCH- ja LDPC-virheenkorjauskoodit ja erillisen pilottikanavan. Uusien ominaisuuksien hyödyntäminen vaatii tutkijoilta ja muilta GNSS-palveluiden kehittäjiltä uusia työkaluja signaalin prosessointia varten. Opinnäytetyö vastaan tähän tarpeeseen esittelemällä GPS L1C vastaanottimen toteutuksen ohjelmistolla määritellyssä radiossa.
GPS L1C ohjelmistovastaanotin kehitettiin osana FGI-GSRx vastaanotinta muokkaamalla ja optimoimalla vastaanottimen moduuleja yhteensopiviksi L1C-signaalin kanssa. Vastaanottimeen määriteltiin neljä päämoduulia: signaalin havaitseminen hyödyntäen joko pilottikanavaa tai pilotti- ja datakanavan yhdistelmää, L1C pilottikanavan seuranta hyödyntämällä BOC- tai TMBOC-alikanavamodulointia, CNAV-2 viestien BCH- ja LDPC-koodauksen purkaminen, ja navigointiratkaisun laskeminen pienimmän neliösumman menetelmällä. Vastaanotintoteutusta testattiin todellisella ja simuloidulla I/Q-datalla ja paikannuksen tarkkuutta verrattiin teoriaan. Opinnäytetyö myös syventyi teorian kautta GPS L1C-signaalin merkitykseen tulevaisuudessa.
Opinnäytetyön tulokset demonstroivat oikeiden GPS L1C-signaalien havaitsemisen ja seurannan toteutetulla ohjelmistovastaanottimella. Samalla huomattiin CNAV-2 viestien puuttuvan nykyisistä L1C-lähetyksistä. Viestien purkamista testattiin simuloimalla niiden vastaanottoa AWGN-kanavassa eri signaali-kohinasuhteilla. 50\% onnistumistodennäköisyys purkamisessa saavutettiin noin 15.9 ja 24.0 dB-Hz $C/N_0$-arvoilla riippuen valitusta alikehyksestä. Vastaanottimella saavutettu paikannustarkkuus mitattuna RMS-virheellä vertautui hyvin teoreettisiin odotuksiin uudelle signaalille. Opinnäytetyön tulokset osoittivat vastaanottimen toimivuuden ja niinpä työ tarjoaa pohjan muille GPS L1C vastaanottimien kehittäjille tulevaisuudessa.