Navegação por satélite e rádio definido por software

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) refere-se a sistemas que usam satélites em órbita para auxiliar dispositivos terrestres na determinação de informações de navegação. Os receptores normalmente usam algoritmos de multilateração para inferir sua localização em relação aos satélites em órbita. Essas informações normalmente consistem em vários parâmetros de tempo e orbitais, a partir dos quais um receptor pode inferir sua posição em relação aos satélites em órbita. Embora originalmente desenvolvida para fins de defesa, a utilidade dessa tecnologia agora foi implantada em uma variedade de produtos de consumo, comerciais e industriais.

O sistema GNSS original e mais conhecido é o Sistema de Posicionamento Global, que pertence e é operado pelo governo dos Estados Unidos. O impacto, a utilidade e os benefícios do GPS abrangem tudo, desde a navegação pessoal por meio de telefones celulares até a navegação em aviões, pesquisas de construção e logística. A importância estratégica e econômica do sistema também motivou outros países e alianças a desenvolver seus próprios sistemas alternativos, como Galileo, Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) e BeiDou.

Os critérios críticos usados ​​para avaliar o desempenho dos receptores incluem precisão espacial, sensibilidade e integridade. Isso é importante porque os satélites GNSS orbitam a Terra a uma altitude de aproximadamente 20.000 km com uma potência de transmissão entre 20-240W; isso corresponde à intensidade do sinal recebido medido na superfície da Terra em torno de -130dBm (ou cerca de 0,05% da intensidade do sinal de um telefone celular). Além disso, os sinais também estão sendo transmitidos na mesma frequência e os receptores na Terra precisam não apenas detectar o sinal, mas também recuperar as informações codificadas para processar os dados.

Isso requer que os receptores GNSS equilibrem simultaneamente os requisitos concorrentes de alta sensibilidade a sinais fracos e também filtrem agressivamente os sinais fora da faixa especificada. A sensibilidade de um receptor é uma métrica chave no desempenho e se relaciona com a intensidade mínima do sinal que pode ser recebido, garantindo que os dados codificados possam ser capturados e decodificados. Embora a alta sensibilidade seja fundamental para o alto desempenho, os receptores também devem conter um método de filtragem dos dados recebidos. Esses filtros são necessários para garantir que o receptor não seja danificado por interferências indesejadas e podem ser usados ​​para aprimorar os sinais desejados. Uma vez que o sinal é recebido e filtrado, os dados codificados precisam ser decodificados para a aplicação específica; isso requer que o receptor tenha recursos de processamento.

Cada uma das funções acima é geralmente realizada por meio de circuitos integrados (ICs) dedicados e específicos para aplicativos. Esses ICs são usados ​​em todos os lugares em que o GNSS é necessário; de navegação de veículos a telefones celulares e aplicativos de logística de rastreamento que requerem rastreamento de localização. Os receptores GNSS tradicionais são projetados usando esses ICs, mas, como consequência, são tipicamente inflexíveis e não podem ser atualizados, resultando na capacidade de atender apenas às necessidades de uma frequência de constelação específica, por exemplo, GPS L1. Isso apresenta vários desafios e custos para aqueles que exigem flexibilidade em várias constelações e frequências e desejam a capacidade de atualizar seus receptores à medida que a tecnologia avança.

Os receptores GNSS tradicionais são freqüentemente limitados a constelações específicas e, por extensão, a faixas de sintonia. No entanto, existem benefícios significativos para as capacidades multi-GNSS, onde múltiplas frequências e / ou constelações são usadas. Não só mais satélites melhoram a continuidade e disponibilidade do sistema, mas também melhoram o tempo para a primeira correção e melhor suporte a operação em áreas desafiadoras, como regiões polares ou montanhosas, onde a topografia causa problemas de visibilidade entre o receptor e o satélite .

A integridade dos sistemas GNSS está longe de ser garantida - esses sistemas não estão apenas sujeitos a fontes naturais de interferência e fenômenos atmosféricos, mas também a interferências de rádio de fontes artificiais. Essa interferência pode afetar uma ou várias frequências e devido a emissões espúrias ou intencionais. No caso de interferência espúria, a redundância do receptor ajuda a garantir a operação correta.

No entanto, os receptores tradicionais enfrentam sérias limitações ao operar em ambientes intencionalmente contestados, como aqueles em que bandas específicas podem ser bloqueadas ou fornecidas com informações falsas ou enganosas. Esses casos geralmente exigem que os receptores identifiquem e discriminem entre emissões espúrias ou falsas e o sinal subjacente real. Para aplicativos de missão crítica, ser capaz de identificar quando estiver operando em um ambiente contestado é um requisito essencial.

Nesses casos, receber dados de várias constelações e frequências e verificar os resultados entre a posição esperada e a real é um atributo importante. Como os receptores GNSS tradicionais são geralmente desenvolvidos para operação em ambientes não contestados, há um custo não trivial e tempo de inatividade associado à atualização desses sistemas para atender a essa necessidade. Cada vez mais, os Rádios Definidos por Software (SDR) são capazes de fornecer flexibilidade para implementar algoritmos robustos que podem não apenas identificar vários ambientes contestados, mas também manter informações de bloqueio e navegação com sucesso.

Receptores de rádio definidos por software são inerentemente flexíveis e permitem que funções tradicionalmente definidas por hardware sejam agora alteradas usando software. Existem duas partes no hardware do receptor definido por software que o torna uma solução atraente como receptor GNSS. O primeiro é o front-end de rádio flexível, que permite aos usuários sintonizar diferentes frequências e, em muitos casos, ao mesmo tempo. Esses front-ends de rádio também podem fornecer filtragem analógica para reduzir a interferência causada por fontes próximas. Isso pode ser feito em várias frequências e constelações simultaneamente, desde que o receptor SDR tenha canais de rádio suficientes. A segunda parte dos receptores SDR que os tornam uma solução atraente são os recursos de processamento de sinal digital (DSP) integrado. Muitos SDRs têm alguma forma de DSP a bordo que permite o processamento dos sinais recebidos. Este DSP também permite filtragem digital adicional no sinal de entrada para melhorar ainda mais a qualidade.

Juntos, esses recursos fornecem uma plataforma capaz de fornecer economicamente a funcionalidade dos receptores GNSS tradicionais, permitindo o uso de larguras de banda substancialmente maiores. Juntos, eles permitem que algoritmos mais sofisticados sejam implementados em receptores e também fornecem um meio para que sejam rapidamente atualizados à medida que novas técnicas e tecnologias de processamento são desenvolvidas. Esses sistemas definidos por software criam um novo conjunto de possibilidades para o GNSS e devem ser considerados para qualquer projeto GNSS.