PSEUDO-SATÉLITE – TRANSMISSOR/CODIFICADOR DE SINAIS GPS PARA APLICAÇÕES GBAS: DESCRIÇÃO, PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO

Durval Zandonadi Júnior – PG

Fernando Walter – PQ

Resumo—A descrição e a apresentação de detalhes de implementação de um pseudo-satélite (“pseudolite” ou PL) para aplicações em sistemas GBAS (Ground Based Augmentation Systems) são apresentados. Consiste de um transmissor de sinais GPS que opera em 1.575,42 MHz, projetado para aumentar a acurácia e a integridade de sinais para navegação (posição, velocidade e tempo) tendo em vista principalmente aplicações aeronáuticas. Abstract—The description and the presentation of details of implementation of a pseudolite (PL) for GBAS (Ground Based Augmentation Systems) application are presented. It consists on a GPS signal transmitter that operates in 1,575.42 MHz, designed to augment the accuracy and the integrity of the navigation signals (position, velocity, and time) looking principally for aeronautical applications. 1. INTRODUÇÃO Sistemas globais de navegação por satélites (GNSS) [1] têm revolucionado domínios como o da geodésia, da navegação e demais áreas relativas a posicionamento, velocidade e de referência de um padrão de tempo (PVT) [2]. Os GNSS em operação são o norte-americano GPS (Global Positioning System) e o russo GLONASS (Global Navigation Satellite System) [3]. A implementação desses sistemas se deu de forma progressiva, tornando-se plenamente operacionais na década de 90. Encontra-se em desenvolvimento o sistema Galileo, pertencente à Comunidade Econômica Européia. O GPS baseia-se numa constelação de 24 satélites localizados em 6 planos orbitais, com semi-eixo maior de 26.560 km e período orbital aproximado de 11 h e 58 min. Isto possibilita cobertura global e navegação tridimensional. Os satélites transmitem sinais CDMA e os receptores GPS os processam, obtendo os tempos de chegada (TOA) de cada satélite. Mediante os TOAs se obtêm estimativas das distâncias entre os satélites e o receptor, conhecidas como pseudodistâncias. Através de um micro processador, o receptor calcula sua posição e velocidade. A acurácia padrão da posição é da ordem de dezenas de metros. Para algumas aplicações esta acurácia não é suficiente. É o caso de aproximação e pouso de precisão de aeronaves onde podem ser requeridas acurácias da ordem de centímetros. Há uma influência significativa da posição dos satélites sobre a exatidão obtida. O parâmetro DOP (“Dilution Of Precision”) denota a qualidade da medida feita e depende basicamente da posição geométrica dos satélites. Pseudo-Satélites (“pseudolites” ou PLs), são transmissores situados em solo, ou próximos, projetados para enviar sinais GNSS-compatíveis com o propósito de melhorar a acurácia, a confiabilidade e a integridade do sistema [4] – [6]. O aumento do número efetivo de satélites

Fig. 1. GDOP versus segundos da semana: satélites em vista, GDOP dos melhores 4 satélites, GDOP com todos os satélites

em vista e GDOP com todos mais dois PLs inclusos.

Fig. 2. Conceito de PL/DGPS em GBAS. O pseudo-satélite pode atuar tanto como fonte adicional para medidas de

distâncias como também transmitir correções diferenciais procedentes da estação de referência.

em vista, aliado à qualidade dos sinais localmente transmitidos, também melhoram os resultados [7]. Uma de suas mais típicas aplicações é em áreas de aeroportos, melhorando especialmente o DOP vertical (VDOP, erro na vertical), possibilitando aproximação, pouso e decolagem precisos/ automáticos de aeronaves. A Fig. 1 ilustra a redução do DOP geométrico após inclusão de 2 PLs. 2. DESCRIÇÃO DE SISTEMAS GBAS Sistemas de acréscimo baseados em solo (Ground Based Augmentation Systems – GBAS) consistem de um conjunto de auxílios com a finalidade de aumentar a confiabilidade, a integridade, a acurácia e a disponibilidade do sistema e possuem um raio de ação limitado. GPS diferencial (DGPS) é uma técnica que melhora consideravelmente a acurácia e a integridade do sistema [5]. Ela requer receptores de referência de alta qualidade locados numa posição perfeitamente conhecida. A estação de referência estima as componentes de erros de variação lenta presentes no cálculo das distâncias, gerando uma correção para cada satélite em vista, denominada de diferencial. Esta correção é transmitida a todos os usuários DGPS através de um enlace de comunicação. Pseudo-satélites podem atuar tanto como fontes adicionais para medidas de distâncias como emissores de correções diferenciais (Fig. 2). 3. DESENVOLVIMENTO DO PSEUDO-SATÉLITE 3.1 Especificações Preliminares A Tabela I resume especificações importantes adotadas na fase preliminar do projeto, consistentes com o sistema GPS [8], considerando-se aplicações em aeroportos.

TABELA I ESPECIFICAÇÕES PRELIMINARES DO PSEUDO-SATÉLITE

Parâmetro Especificação Freqüência da portadora e tipo de modulação L1 (1.575,42 MHz) com modulação BPSK Códigos PRN (CDMA) C/A PRN #33 dentre outros Potência de saída para atingir máxima distância (veja seção B) ≅ 0,6 mW (-2,2 dBm) Faixa dinâmica da potência de saída 50 dB mínimo (nível de potência ajustável por trimpot) Freqüência de relógio de referência 10,23 MHz, com opção de entrada externa via conector BNC Tensões de alimentação 110/220 Vca e 12Vcc Caixa do pseudo-satélite Para uso interno com antena em qualquer lugar adjacente Blindagem eletromagnética Deverá apresentar compatibilidade eletromagnética com o ambiente Programação “Firmware” programável em campo com opção de alteração de PRN Entradas e saídas de RF Conectores SMA Interface de comunicação de dados Serial padrão RS-232

O nível de potência de saída dos PLs em aplicações aeroportuárias é crítico. Quando o receptor se encontra longe do PL a potência transmitida deverá ser suficiente para assegurar recepção regular, enquanto que nenhuma saturação deverá ocorrer quando ambos estiverem próximos. Para contornar este problema pode-se empregar uma ou mais dentre as seguintes técnicas [1], [6]: (1) transmissão pulsada com duração de transmissão bem menor do que o de não transmissão; (2) deslocamento da freqüência do PL para uma banda conveniente; (3) emprego de antenas transmissoras com diagramas de irradiação adaptado à aplicação; (4) emprego de códigos pseudoaleatórios (PRN) de seqüências mais longas que a dos usados pelos satélites. 3.2 Diagrama de Blocos O diagrama de blocos do PL é ilustrado na Fig. 3. O esquema apresenta uma entrada (SMA) de RF para sintetizadores externos, uma saída (SMA) de RF para medições e testes no sintetizador interno, uma saída (SMA) para antena transmissora e uma entrada (BNC) para relógios externos, OCXOs de alta qualidade ou mesmo atômico necessário em certas aplicações. Foram inseridos atenuadores de 3 dB / 50 Ω para aumentar a isolação entre os estágios. Dois filtros passa-faixa, tipo SAW de baixa perda de inserção, estão incluídos para suprimir freqüências espúrias. Descrição detalhada de cada bloco e também do substrato empregado se encontram nas sub-seções seguintes.

Fig. 3. Diagrama de blocos do pseudo-satélite. Fig. 4. Cálculos de linha de transmissão de 50 Ω no substrato do PL, mediante o AppCAD for Windows Versão 2.5.1.

3.3 Substrato O substrato escolhido é o de classificação NEMA FR-4 que apresenta excelentes características mecânicas e elétricas, excelente estabilidade dimensional, resistência química ao calor, alta isolação elétrica e recomendação para montagens superficiais de alta densidade (SMD). A tangente de perdas é relativamente elevado (≈ 0,02), mas sem prejuízo para o projeto. Cálculos de linhas de transmissão [9] referentes ao substrato são vistos na Fig. 4. 3.4 Fontes de Alimentação e Oscilador de Referência O protótipo pode ser alimentado com tensões 115/230 Vca ± 10% ou 13 Vcc ± 25%. Cinco reguladores monolíticos lineares provêem tensões compatíveis com os diversos circuitos. O oscilador de referência na freqüência de 10,23 MHz pode ser interno (OCXO ou TCXO), ou externo (entrada BNC). Este relógio sincroniza tanto a lógica digital como o sintetizador. 3.5 Interfaces de Comunicação Há três interfaces para comunicação entre o pseudo-satélite e um computador PC, sendo uma paralela e duas seriais. A interface paralela está destinada à programação e modificação do “firmware” do pseudo-satélite. Uma serial a 9600 bps se destina a alimentar os dados a serem transmitidos. O PL solicita dados ao PC a cada 600 ms, duração esta de uma palavra GPS. Este responde enviando três bytes de dados brutos. O PL computa bits de paridade e monta a palavra seguinte (30 bits). Uma segunda interface serial, opcional, serve para inicializar o PL, mediante a transição do “start-bit” proveniente do PC ou de uma fonte referencial de tempo externa. Duas outras maneiras de inicializar o tempo do PL são: (1) manualmente, através de chave de contato momentâneo com anti-repetição e (2) por meio de um pino de entrada lógica. Os dados são gerados e enviados ao PL mediante programas aplicativos dedicados feitos em MatLab e em LabVIEW, conforme ilustra a Fig. 5.

Fig. 5. Tela do programa que gera e transmite dados do PC

ao PL, feito em LabVIEW, encapsulando rotinas em MatLab. Fig. 6. Tela do simulador MAX+Plus II Versão 10.1 conten-do os sinais moduladores complementares “TX” e “NTX”.

3.6 Lógica Digital O cérebro do PL reside num circuito FPGA (Field Programmable Gate Array) da Altera Corporation. O desenvolvimento da lógica digital foi feito empregando-se o “software” MAX+Plus II Versão 10.1. Especial atenção foi dada à temporização e à escolha da família do “chip”, de modo que os sinais sejam sincronizados e que os atrasos de propagação críticos estejam abaixo de 10 ns. Na Fig. 6 podem ser vistos os sinais moduladores complementares “TX” e “NTX”, que correspondem ao código PRN implementado somado módulo 2 (ou-exclusivo) com os bits de dados de navegação. Este par de sinais complementares é quem irá modular a portadora de 1.575,42 MHz em BPSK. 3.7 Sintetizador de RF O oscilador de RF é um MMIC composto por um sintetizador programável de dupla banda com VCOs integrados, projetado originalmente para comunicações sem fio. A unidade inclui três VCOs, filtros de malha, divisores de freqüência e detectores de fase. O sinal de relógio para o PLL vem do FPGA. Após o “reset” do PL o circuito FPGA prontamente programa o sintetizador por meio de uma interface serial a três fios. O conector SMA de saída anexo a este estágio serve para medidas e testes no sintetizador, quando se roteia o sinal gerado para este acesso. De outra forma o sinal será roteado para o estágio seguinte (modulador). O sintetizador é alimentado por 3 V e pode sintetizar freqüências até 1.800 MHz. Sua potência típica de saída é de –3 dBm. 3.8 Modulador BPSK O GPS emprega a técnica de modulação BPSK (Binary Phase Shift Keying). Portanto a fase da portadora pode ser nominalmente zero ou 180o de acordo com o sinal digital modulante. O modulador BPSK empregado contém um estágio misturador duplamente balanceado e um estágio amplificador de saída. O misturador corresponde a uma célula de Gilbert com resistores degeneradores de emissor para proverem alto IP3. As entradas balanceadas de FI possuem internamente polarização cc, devendo ser desacopladas. O estágio de saída apresenta configuração classe B em “push-pull”, reduzindo a corrente total e ainda mantendo um bom casamento de saída em 50 Ω. O MMIC é manufaturado em processo GaAs HBT e opera em 3,6 V, com encapsulamento SOIC-8. O ganho de conversão típico é de –2,8 dB, podendo operar de 1.200 a 2.500 MHz. 3.9 Filtros Passa-Faixa e Atenuadores Conforme o diagrama de blocos da Fig. 3, dois filtros passa-faixa tipo SAW (“Surface Acoustic Wave”) foram inseridos para melhorar a rejeição de freqüências espúrias. Cada um apresenta freqüência central em 1.575,42 MHz, ou seja, a mesma da portadora do PL, e largura de faixa útil de 2,4 MHz. A topologia é não balanceada com encapsulamento cerâmico de 6 terminais para montagem superficial. A perda de inserção típica é de 1,3 dB com ondulação de 0,3 dB p-p. Foram incluídos quatro atenuadores fixos de 3 dB / 50 Ω para montagem superficial (Fig. 3) para aumentar a isolação entre estágios, melhorando os casamentos de impedância. Podem operar desde cc até 2,5 GHz num encapsulamento miniatura SOT-143. 3.10 Amplificador de Ganho Variável O último estágio ativo é um MMIC amplificador de ganho variável linear especificado para uso em sistemas TDMA, CDMA e W-CDMA. O dispositivo apresenta controle de ganho linear, alto ganho e alta linearidade. Seu ganho pode variar desde abaixo de –30 dB até +20 dB, perfazendo uma faixa dinâmica mínima de 50 dB. A potência de saída pode ser ajustada por meio de um “trimpot” multi-voltas. Uma tensão cc aplicada a um pino de controle do MMIC faz com que a potência varie. Sua tensão de alimentação é 3 V. A banda de operação vai de 0.8 a 2.1 GHz e sua potência média máxima de saída é de +6 dBm. Empregou-se na saída uma antena passiva tipo microfita circularmente polarizada à direita (RHCP) [10], projetada e construída no ITA.

4. PROTÓTIPO 4.1 Montagem

Fig. 7. Foto do protótipo do PL. A seta indica o “trimpot” para ajuste do nível de potência transmitida. O circuito

impresso mede 185 x 168 mm, com espessura de 0,8 mm.

Fig. 8. Foto dos estágios de RF. Compartimento da esquerda: sintetizador; central: modulador; da direita: amplificador de

ganho variável. As dimensões externas são: 97 x 51 x 27 mm. A Fig. 7 mostra uma foto do protótipo do PL. Os estágios de RF foram blindados por uma caixa de alumínio especialmente projetada. Neste protótipo o oscilador interno está ausente, assim como o MMIC sintetizador. O chip SMD quadrado (o maior) corresponde ao FPGA, responsável pelas tarefas digitais do PL, como geração e codificação de dados. O conector IDC de 26 pinos no canto inferior direito corresponde à interface paralela para conexão ao PC para alteração do “firmware”. As dimensões do circuito impresso principal são: 185 x 168 x 0,8 mm. A Fig. 8 mostra a caixa de alumínio e os estágios de RF. O compartimento à esquerda corresponde ao oscilador de 1.575,42 MHz. O central contém o modulador BPSK, atenuadores, filtros e componentes para casamentos de impedância. O remanescente engloba o MMIC amplificador de ganho variável, atenuadores e componentes discretos (indutores e capacitores). 4.2 Testes e Resultados O modulador apresentou componente residual de portadora, eliminada pela inserção de dois “trimmers” adequados. Um sinal modulante quadrado (NRZ periódico com duty-cycle 50%) foi aplicado, com a finalidade de se obterem raias espectrais bem definidas (Fig. 9) e uma análise do processo. Sem modulação, somente a componente de portadora aparece na saída do modulador (marcador superior, Fig. 9). Ativando-se o sinal modulante e medindo-se novamente sua amplitude, obtém-se a rejeição da portadora. Rejeições inferiores a 30 dB causaram instabilidade de “lock” no receptor GPS. A rejeição obtida foi da ordem de 50 dB. Este resultado é obtido ajustando-se os “trimmers”, bem como o nível de potência do oscilador de RF. Existe uma dependência da rejeição de portadora com o nível de RF aplicado à entrada “LO” do modulador. A potência aplicada foi variada entre –6 dBm e 0 dBm e o melhor resultado foi obtido com um nível de potência de –2,5 dBm. A Fig. 10 mostra o espectro de potência do sinal de saída do PL com uma seqüência PRN aplicada ao modulador. Como esperado para um sinal GPS, os nulos ocorreram em freqüências múltiplas do recíproco da taxa de “chips” do código C/A (“Coarse Acquisition”, de uso civil), ou seja, 1,023 MHz. Testes em laboratório foram feitos usando-se antenas de microfita passivas RHCP para transmitir e receber o sinal do PL. Foi utilizado um receptor GPS, que recebeu o sinal transmitido modulado apenas com o código de espalhamento espectral C/A. Variou-se o nível de RF irradiada em 50 dB. O receptor conseguiu captar o sinal ao longo de 13 dB de variação do nível de RF, tendo a indicação do parâmetro C/No (portadora/ruído) disponível variado respectivamente entre 9 e 22 dB. Acima de 22 dB o receptor tornou-se saturado e abaixo de 9 dB perdeu sincronismo.

Fig. 9. Espectro do sinal de saída do PL com sinal modulante

quadrado (NRZ) para ajustes de rejeição de portadora. Fig. 10. Vista do espectro de potência do sinal de saída do

PL com uma seqüência pseudoaleatória modulante aplicada. 5. TRABALHOS FUTUROS E CONCLUSÕES O PL destina-se principalmente ao uso em GBAS, mas há também outras aplicações imediatas, como: (1) gerador de sinais para testes de receptores GPS, (2) em robótica (determinação de posição em ambientes fechados), (3) agricultura de precisão. Outras aplicações podem ser encontradas em [11]. Apesar de ter sido projetado especificamente para o GPS, o conceito do pseudo-satélite também se aplica ao GLONASS e ao futuro Galileo, tendo arquiteturas bem semelhantes. Um novo protótipo está em desenvolvimento incorporando novas características ao “hardware” e ao “firmware” a partir da experiência obtida ao longo do projeto. Houve nova concepção da caixa de alumínio para blindagem, alterações nos estágios de RF, montando-se os componentes SMD no circuito impresso principal do PL e ajustes adicionais como para se obter um melhor casamento de impedâncias, melhorando o desempenho. Projeto e construção de antenas transmissoras, levando em consideração o comportamento dinâmico dos usuários, deverão ser implementados para testes em campo. O protótipo funcionou corretamente de acordo com as especificações, sendo a experiência bem sucedida e tendo-se assimilado a tecnologia. O pseudo-satélite desenvolvido permitirá a realização de testes visando acurácia, integridade e disponibilidade sobretudo em aplicações de aviação civil. REFERÊNCIAS [1] Wang, J.; Pseudolite Applications in Positioning and Navigation: Progress and Problems, Journal of Global Positioning Systems 2002 Vol. 1, No. 1: 48. [2] Misra, P.; Enge, P.; Global Positioning System – Signals, Measurements, and Performance Ganga-Jamuna Press, Lincoln, Massachusetts, 2001. [3] Kaplan, E. D.; Understanding GPS: Principles and Applications, Ed. Artech House, 1996. [4] Parkinson, B. W.; Spilker Jr., J. J.; Global Positioning System: Theory and Applications Progress in Aeronautics and Astronautics Vol. 163, AIAA, 1996. [5] Parkinson, B. W.; Spilker Jr., J. J.; Global Positioning System: Theory and Applications Progress in Aeronautics and Astronautics Vol. 164, AIAA, 1996. [6] Kayton, M.; Fried, W. R.; Avionics Navigation Systems, 2nd Ed., New York: John Wiley & Sons, 1997. [7] Castillo, D. R. M.; Walter, F.; Fitzgibbon, K. T.; GNSS Laboratory: Using the GPS as an Interdisciplinary Laboratory on Theory of Telecommunications, ION NTM-2003, Anaheim, CA. [8] ARINC Research Corporation, ICD-GPS-200, Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces, Revision C, 10 October 1993. [9] Lacava, J. C. S.; Cividanes, L. B. T.; Bianchi, I.; Schildberg, R.; Técnicas de RF e de Micro-ondas – Módulo 03: Circuitos Ativos em RF/Microondas, Relatório Técnico Interno, ITA – S. J. Campos, 2000. [10] Esteves, J. G.; Rede de Antenas de Microfita Circularmente Polarizada, Trabalho de Graduação, ITA, 1997. [11] Cobb, H. S.; GPS Pseudolites: Theory, Design, and Applications, Ph.D. dissertation, Dept. of Aeronautics and Astronautics, Stanford University, 1997.