Progetto e realizzazione di un nuovo ricevitore GNSS multi costellazione basato su FPGA, per applicazioni spaziali

L’attività di dottorato è stata svolta svolge nell’ambito del laboratorio di Microsatelliti e Microsistemi Spaziali della II Facoltà di Ingegneria, Università di Bologna. L’oggetto principale dell’attività di dottorato è lo sviluppo di un ricevitore GNSS per la determinazione orbitale di microsatelliti in orbita bassa. Questo sviluppo parte dall’architettura elettronica per arrivare fino agli algoritmi di navigazione, coinvolgendo tutti gli aspetti che riguardano questo tipo di applicazioni. L’utilizzo di ricevitori GPS per determinazione orbitale è un’applicazione sperimentata e consolidata in diverse missioni spaziali, tuttavia l’avvento di nuovi sistemi GNSS come l’europeo Galileo e il cinese COMPASS oltre all’ammodernamento del russo GLONASS, offrono nuove possibilità in termini di segnali e servizi disponibili. La valutazione dei benefici derivanti dall’utilizzo di questi nuovi sistemi, insieme all’implementazione di un ricevitore compatibile con almeno una delle nuove costellazioni, sono tra le tematiche trattate nella attività di dottorato. Il complesso delle attività si può dividere in tre blocchi: la definizione dei requisiti del ricevitore e implementazione del prototipo, il progetto e la verifica degli algortimi di tracking del segnale GNSS, e il progetto e la verifica degli algoritmi di navigazione. Il prototipo di ricevitore è basato su FPGA Virtex di Xilinx, e include un processore PowerPC. L’architettura segue il paradigma di software defined radio, per cui la maggior parte della elaborazione del segnale è effettuata in software mentre solo quanto è strettamente necessario è effettuato in hardware. Gli algoritmi di tracking sono una combinazione di Phase Locked Loop e Frequency Locked Loop per la portante e un Delay Locked Loop a banda variabile per il codice. L’algoritmo di navigazione che produce i dati di posizione e velocità a partire dalle osservabili GNSS, è basato su un filtro di Kalman esteso, ed include un accurato modello dinamico dell’orbita.