High Dynamic GPS Signal Acquisition: A Case Study in GPS Recievers on Nano-Satellites in LEO

Birklykke, Alex

10. term

Electronic and Information Technology

2010

2010-06-03

135

Afhandlingen præsenterer en lavenergi-algoritme til GPS-signalindfangning, designet, evalueret og implementeret til småsatellitter i lavt jordomløb (LEO). I LEO bevæger satellitter sig hurtigt i forhold til GPS-satellitterne, hvilket giver store Dopplerforskydninger (ændringer i frekvens på grund af bevægelse) og frekvensdrift, som gør det sværere at fange signalerne. For at beskrive dette miljø er der indsamlet empiriske data med SGP4, en standardmodel for satellitorsbaner, for 24 GPS-satellitter samt fra Ørsted- og AAU CubeSat-missionerne. Analysen viser, at man kan forvente en maksimal Dopplerforskydning på cirka ±45 kHz på GPS L1-bæreren og en gennemsnitlig frekvensdrift på omkring −29 Hz/s. Med udgangspunkt i disse rammer foreslås en algoritme baseret på en maksimum-sandsynlighedsestimator (MLE), som under kontinuerlig modtagerdrift kan indfange 98,3% af GPS-signalerne. Algoritmens designrum er undersøgt for at minimere areal og effektforbrug i hardware. Den er realiseret som en semi-systolisk kæde af akkumulatorer, der styres til at addere eller subtrahere. Det modtagne GPS-signal løber gennem kæden, mens spredningskoder (de pseudotilfældigt udseende koder, der identificerer og synkroniserer GPS-signaler) styrer add/subtraktion og dermed effektivt korrelerer koderne med det modtagne signal. Arkitekturen er modelleret i VHDL og implementeret på en FPGA. Ser man bort fra FPGA’ens hvileeffekt (tomgangsforbrug), har den samlede løsning med aktiv patch-antenne og GPS-front-end et effektforbrug på cirka 400 mW. På grund af praktiske forhold var det ikke muligt fuldt ud at bekræfte funktionaliteten på hardware, men teori og offline-simulationer opfører sig som forventet.

This thesis presents a low-power GPS signal acquisition algorithm, designed, evaluated, and implemented for small satellites in low Earth orbit (LEO). In LEO, satellites move quickly relative to the GPS constellation, causing large Doppler shifts (frequency changes due to motion) and frequency drift that make signal acquisition challenging. To characterize this environment, empirical data were gathered using SGP4, a standard orbit model, for 24 GPS satellites, and from the Ørsted and AAU CubeSat missions. The analysis shows a maximum Doppler shift of about ±45 kHz on the GPS L1 carrier and a mean frequency drift of roughly −29 Hz per second. Based on these constraints, a maximum-likelihood estimator (MLE) acquisition algorithm is proposed that, under continuous receiver operation, acquires 98.3% of GPS signals. The algorithm’s design space was explored to minimize hardware area and power. It is realized as a semi-systolic array of accumulators controlled to add or subtract. The received GPS signal passes through the array while spreading codes (the pseudo-random sequences that identify and align GPS signals) drive the add/subtract behavior, effectively correlating the codes with the incoming signal. The architecture is modeled in VHDL and implemented on an FPGA. Ignoring the FPGA’s quiescent (idle) power, the complete solution with an active patch antenna and GPS front-end consumes approximately 400 mW. Due to practical constraints, full on-hardware confirmation of the algorithm’s functionality was not possible, but theory and offline simulations behave as intended.

[This abstract was generated with the help of AI]

GPS ; Acquisition ; LEO ; Satellite ; Doppler shift ; CDMA

Download
View record in AAU Student Projects