Definizione e sviluppo di un ricevitore software per l'elaborazione di segnali GPS e Galileo

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato presso i laboratori di Thales Alenia Space Italia e precisamente nel NavCom Lab della sede di Roma di Via Saccomuro.
Gli ambiti principali di cui ci si è occupati sono stati essenzialmente due: la navigazione satellitare ed i software receivers.
L’interesse verso le problematiche concernenti la radionavigazione satellitare è andato crescendo in questi ultimi anni, soprattutto a seguito dei preparativi per la prossima introduzione di un sistema satellitare commerciale completamente europeo, Galileo, che avrà il compito di interagire e con il sistema militare americano GPS (Global Positioning System) attualmente operativo. Attualmente (Febbraio 2008), Galileo è nella fase di validazione del segnale, per il cui scopo è stato lanciato ed è tutt’ora operativo il primo satellite che trasmette segnali Galileo, GIOVE-A, mentre per Aprile 2008 è previsto il lancio del secondo satellite GIOVE-B.
Un sistema di radioposizionamento satellitare ha essenzialmente il compito di fornire all’utente del servizio stime di posizione, velocità e tempo, facendo uso delle informazioni e dei segnali inviati in broadcast dai satelliti della costellazione. Oltre a questo essenziale compito, Galileo si propone di offrire anche altri servizi, di natura commerciale e di pubblica utilità oltre che governativi, al fine di poter interagire al più alto livello con le aziende che si configurano come le principali promotrici di questo progetto.
Dovendo interagire con un sistema esistente, uno dei primi obiettivi degli sviluppatori del sistema Galileo è stato senza dubbio la possibilità di raggiungere la condivisione delle risorse esistenti, quali per esempio la banda per la trasmissione dei segnali dai satelliti. La volontà di ottenere il più alto grado possibile d’interoperabilità fra i due sistemi, ha portato gli sviluppatori a rendere concreto un sistema di modulazione del segnale mai usato prima d’ora nella trasmissione dei segnali di navigazione. Tale modulazione, nota con il nome di BOC (Binary Offset Carrier) ha proprio il compito di spostare il contenuto spettrale del segnale trasmesso al di fuori della frequenza portante, centrando i lobi della densità spettrale di potenza del segnale trasmesso su degli offset di frequenza, o sottoportanti.
Si hanno dunque importanti novità in Galileo per quel che riguarda la parte di modulazione e trasmissione del segnale. Ma anche il ricevitore dell’utente dovrà evolversi per sfruttare le nuove caratteristiche dei segnali Galileo, che permettono di migliorare le prestazioni nella determinazione delle informazioni essenziali alla radionavigazione.
Il processo di acquisizione ha dunque il compito di determinare, oltre all’identità del particolare satellite (collegata alla sequenza di codice trasmessa) anche i due parametri di interesse per la determinazione della soluzione di navigazione, che sono la fase (ossia il ritardo) del codice e la frequenza Doppler (che sorge a causa del moto relativo fra satellite e ricevitore utente). L’acquisizione si configura dunque essenzialmente come un’operazione di ricerca su di un dominio bidimensionale, con la massima variabilità dei parametri che discende direttamente dalle caratteristiche del peculiare sistema considerato.
Il processo di tracking ha invece il compito di demodulare il segnale acquisito, a partire dalla stima dei parametri forniti in fase di acquisizione, tramite l’inseguimento e il miglioramento della stima degli stessi parametri.
Il processo successivo di decodifica del messaggio di navigazione permette di estrarre i parametri da inserire nel sistema di equazioni per la determinazione della posizione dell’utente.
Il presente lavoro di tesi riguarderà la realizzazione via software dei processi di acquisizione e tracking che normalmente sono realizzati via hardware. .Questo è la base del concetto di Software Receiver, che al momento attuale rappresenta uno dei principali filoni di ricerca nell’ambito della radionavigazione, e che è il fondamento su cui poggerà l’intero lavoro svolto.
I ricevitori software rappresentano un’interessante prospettiva nel futuro dei ricevitori GPS/Galileo, in quanto presentano molti vantaggi, tutti derivanti dalla maggiore flessibilità del software rispetto ai componenti hardware che li rendono una piattaforma ideale di ricerca e prototipazione.