Navegación por satélite y radio definida por software

Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) se refieren a sistemas que utilizan satélites en órbita para ayudar a los dispositivos terrestres a determinar la información de navegación. Los receptores suelen utilizar algoritmos de multilateración para inferir su ubicación en relación con los satélites en órbita. Esta información generalmente consta de varios parámetros orbitales y de sincronización, a partir de los cuales un receptor puede inferir su posición con respecto a los satélites en órbita. Aunque originalmente se desarrolló con fines de defensa, la utilidad de esta tecnología ahora se ha implementado en una variedad de productos de consumo, comerciales e industriales.

El sistema GNSS original y más conocido es el Sistema de Posicionamiento Global, que pertenece y es operado por el gobierno de los Estados Unidos. El impacto, la utilidad y el beneficio del GPS abarcan todo, desde la navegación personal a través de teléfonos celulares hasta la navegación en aviones, los estudios de construcción y la logística. La importancia estratégica y económica del sistema también ha motivado a otros países y alianzas a desarrollar sus propios sistemas alternativos, como Galileo, Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) y BeiDou.

Los criterios críticos utilizados para evaluar el rendimiento de los receptores incluyen precisión espacial, sensibilidad e integridad. Esto es importante ya que los satélites GNSS orbitan la Tierra a una altitud de aproximadamente 20 000 km con una potencia de transmisión de entre 20 y 240 W; esto corresponde a la fuerza de la señal recibida medida en la superficie de la Tierra de alrededor de -130dBm (o alrededor del 0.05% de la fuerza de la señal de un teléfono celular). Además, las señales también se transmiten en la misma frecuencia y los receptores en la Tierra no solo necesitan detectar la señal, sino que también necesitan recuperar la información codificada para procesar los datos.

Esto requiere que los receptores GNSS equilibren simultáneamente los requisitos competitivos de alta sensibilidad a señales débiles y también que filtren agresivamente las señales fuera del rango especificado. La sensibilidad de un receptor es una métrica clave en el rendimiento y se relaciona con la intensidad mínima de la señal que se puede recibir mientras se garantiza que los datos codificados se puedan capturar y decodificar. Aunque la alta sensibilidad es clave para un alto rendimiento, los receptores también deben contener un método para filtrar los datos entrantes. Estos filtros son necesarios para garantizar que el receptor no se dañe por interferencias no deseadas y se pueden utilizar para mejorar las señales deseadas. Una vez que se recibe y filtra la señal, los datos codificados deben decodificarse para la aplicación específica; esto requiere que el receptor tenga capacidades de procesamiento.

Cada una de las funciones anteriores generalmente se logra a través de circuitos integrados (IC) dedicados y específicos de la aplicación. Estos circuitos integrados se utilizan en todos los lugares donde se requiere GNSS; desde navegación de vehículos hasta teléfonos móviles y aplicaciones de logística de seguimiento que requieren seguimiento de ubicación. Los receptores GNSS tradicionales se diseñan utilizando estos circuitos integrados, pero como consecuencia, por lo general, son inflexibles y no se pueden actualizar, lo que da como resultado la capacidad de satisfacer solo las necesidades de una frecuencia de constelación específica, por ejemplo, GPS L1. Esto presenta múltiples desafíos y costos para aquellos que requieren flexibilidad en múltiples constelaciones y frecuencias y les gustaría tener la capacidad de actualizar sus receptores a medida que avanza la tecnología.

Los receptores GNSS tradicionales a menudo se limitan a constelaciones específicas y, por extensión, rangos de sintonización. Sin embargo, existen beneficios significativos para las capacidades multi-GNSS donde se utilizan múltiples frecuencias y / o constelaciones. Más satélites no solo mejoran la continuidad y la disponibilidad del sistema, sino que también mejoran el tiempo hasta la primera reparación y un mejor apoyo a la operación en áreas desafiantes, como regiones polares o montañosas, donde la topografía causa problemas de visibilidad entre el receptor y el satélite. .

La integridad de los sistemas GNSS está lejos de estar asegurada:estos sistemas no solo están sujetos a fuentes naturales de interferencia y fenómenos atmosféricos, sino que también están sujetos a interferencias de radio de fuentes artificiales. Esta interferencia puede afectar a una o varias frecuencias, y debido a emisiones no esenciales o intencionales. En el caso de interferencias espurias, la redundancia del receptor ayuda a garantizar un funcionamiento correcto.

Sin embargo, los receptores tradicionales enfrentan serias limitaciones cuando operan en entornos controvertidos intencionalmente, como aquellos en los que determinadas bandas pueden estar bloqueadas o recibir información falsa o engañosa. Estos casos a menudo exigen que los receptores identifiquen y discriminen entre emisiones no esenciales o falsas y la señal subyacente real. Para aplicaciones de misión crítica, ser capaz de identificar cuando se opera en un entorno en disputa es un requisito esencial.

En tales casos, recibir datos de múltiples constelaciones y frecuencias y verificar los resultados entre la posición esperada y la real es un atributo importante. Como los receptores GNSS tradicionales generalmente se desarrollan para operar en entornos no controvertidos, existe un costo no trivial y un tiempo de inactividad asociado con la actualización de estos sistemas para satisfacer esta necesidad. Cada vez más, las radios definidas por software (SDR) brindan la capacidad de brindar la flexibilidad para implementar algoritmos robustos que no solo pueden identificar varios entornos en disputa, sino también mantener con éxito información de navegación y bloqueo.

Los receptores de radio definidos por software son intrínsecamente flexibles y permiten ahora cambiar las funciones tradicionalmente definidas por hardware mediante software. El hardware del receptor definido por software tiene dos partes que lo convierten en una solución atractiva como receptor GNSS. La primera es la interfaz de radio flexible, que permite a los usuarios sintonizar diferentes frecuencias y, en muchos casos, al mismo tiempo. Estos frontales de radio también pueden proporcionar filtrado analógico para reducir la interferencia causada por fuentes cercanas. Esto se puede hacer en múltiples frecuencias y constelaciones al mismo tiempo, siempre que el receptor SDR tenga suficientes canales de radio. La segunda parte de los receptores SDR que los convierte en una solución atractiva son las capacidades de procesamiento de señales digitales (DSP) integradas. Muchos SDR tienen algún tipo de DSP a bordo que permite el procesamiento de las señales recibidas. Este DSP también permite que haya un filtrado digital adicional en la señal entrante para mejorar aún más la calidad.

Juntas, estas capacidades proporcionan una plataforma capaz de proporcionar económicamente la funcionalidad de los receptores GNSS tradicionales, al tiempo que permiten el uso de anchos de banda sustancialmente mayores. Juntos, permiten implementar algoritmos más sofisticados en los receptores y también proporcionan un medio para actualizarlos rápidamente a medida que se desarrollan nuevas técnicas y tecnologías de procesamiento. Estos sistemas definidos por software crean un conjunto completamente nuevo de posibilidades para GNSS y deben considerarse para cualquier proyecto GNSS.