Modelagem e validação de técnicas de aquisição e rastreamento para receptores GNSS

Abstract

A técnica de rádio-ocultação baseada em sinais de Sistemas Globais de Navegação por Satélite tem sido amplamente utilizada no sensoriamento remoto da atmosfera terrestre. No entanto, o processamento desses sinais em arquiteturas de receptores digitais ainda apresenta desafios, devido à lacuna na literatura no que se refere a diretrizes práticas para a implementação de soluções em hardware e firmware de baixo nível. Diante desse cenário, este trabalho apresenta uma plataforma de modelagem e validação de receptores de navegação por satélite, destinada ao estudo, análise e prototipagem de algoritmos de processamento de sinais. A plataforma contempla a modelagem das etapas de aquisição e rastreamento do Sistema de Posicionamento Global. A abordagem considera amostras provenientes de front-ends com características semelhantes às do MAX2771 e uma arquitetura digital destinada ao processamento do sinal de acesso civil do Sistema de Posicionamento Global. O modelo desenvolvido foi utilizado como base para uma implementação da etapa de aquisição em linguagem de descrição de hardware, permitindo avaliar a transição dos algoritmos de processamento para arquiteturas digitais compatíveis com futuras implementações em matrizes de portas programáveis em campo. O ambiente desenvolvido inclui a geração e o processamento de sinais, abrangendo conversão para banda base, correlação, aquisição baseada em Transformada Rápida de Fourier e malhas de rastreamento de código e portadora. As simulações realizadas permitiram avaliar o comportamento dos algoritmos de sincronização sob diferentes condições de operação e validar os parâmetros adotados para os blocos de processamento. Os resultados demonstraram que a plataforma desenvolvida foi capaz de reproduzir o comportamento esperado das etapas de aquisição e rastreamento, bem como auxiliar na transição dos algoritmos para uma implementação digital. A arquitetura de aquisição desenvolvida em hardware identificou corretamente as hipóteses de frequência Doppler e atraso de código presentes nos sinais simulados, apresentando comportamento consistente com o modelo de referência. Dessa forma, a plataforma proposta fornece subsídios para futuras implementações em matrizes de portas programáveis em campo, bem como para aplicações baseadas em sinais de navegação por satélite, incluindo sistemas de rádio-ocultação.

Abstract: Radio occultation based on Global Navigation Satellite System signals has been widely employed in remote sensing of the Earth's atmosphere. However, the processing of these signals in digital receiver architectures still presents significant challenges due to the lack of practical guidelines in the literature regarding the implementation of low-level hardware and firmware solutions. To address this issue, this work presents a modeling and validation platform for satellite navigation receivers, intended for the study, analysis, and prototyping of signal processing algorithms. The platform encompasses the modeling of the acquisition and tracking stages of the Global Positioning System. The proposed approach considers samples obtained from radio-frequency front-ends with characteristics similar to those of the MAX2771, as well as a digital architecture designed to process the civil access signal of the Global Positioning System. The developed model was used as the basis for an implementation of the acquisition stage in a hardware description language, allowing the evaluation of the transition from signal processing algorithms to digital architectures compatible with future implementations on field-programmable gate arrays. The developed environment includes signal generation and processing modules, covering baseband conversion, correlation, Fast Fourier Transform-based acquisition, and code and carrier tracking loops. The simulations performed enabled the evaluation of synchronization algorithms under different operating conditions and the validation of the parameters adopted for the processing blocks. The results demonstrated that the proposed platform was capable of reproducing the expected behavior of the acquisition and tracking stages while also supporting the transition of the algorithms toward a digital implementation. The hardware acquisition architecture correctly identified the Doppler frequency and code delay hypotheses present in the simulated signals, exhibiting behavior consistent with the reference model. Therefore, the proposed platform provides a foundation for future implementations on field-programmable gate arrays, as well as for applications based on satellite navigation signals, including radio occultation systems.