Modelado y simulación de un receptor digital Loran

Abstract

El sistema de radionavegación Loran-C (LOng RAnge Navigation) se trata de un sistema de navegación hiperbólico (las líneas de posición son hipérbolas) empleado masivamente por aviones y barcos del bando aliado en la Segunda Guerra Mundial, y que posteriormente pasaría a utilizarse en el transporte civil y comercial. El enfoque principal de este TFG es el estudio de este sistema de navegación, desconocido para muchos. Para ello este documento se ha dividido en 5 capítulos cuyos contenidos se introducen a continuación. En primer lugar, y como no podía ser de otra forma, se comienza este documento con un capítulo de introducción donde se contextualiza este sistema mediante una breve reseña histórica desde su origen hasta la actualidad. Seguidamente se concretan los objetivos principales que se planifican para este proyecto y se recopilan las principales hipótesis simplificadoras asumidas. Los tres pilares fundamentales a conseguir son: el estudio pormenorizado del funcionamiento de este sistema, el diseño de un receptor que permita recibir la señal y sustraerle la información, y la realización de simulaciones para verificar el modelo y conocer el desempeño del propio sistema. A continuación, en el capítulo 2 se describen todos aquellos elementos que permiten comprender cómo se comporta Loran-C, tanto del punto de vista de los fundamentos de navegación como de las características de su señal. Además se incluyen otros apartados de índole más cualitativa sobre la propagación de las ondas de este sistema y una sucinta exposición de los equipos y funcionalidades que son necesarios para la transmisión y recepción de las señales. Seguidamente el capítulo 3 incluye una exposición en profundidad del receptor digital Loran-C propuesto y desarrollado en matlab. Aunque cada bloque funcional que lo compone se detalla y justifica debidamente en este capítulo, se puede indicar a modo de preámbulo que el receptor sugerido consta de tres bloques principales: un detector de la señal, un algoritmo de extracción de información y un estimador hiperbólico. El primer bloque trata de manipular la señal de manera que quede en unas condiciones favorables para que el bloque ulterior pueda demodularla. Una vez obtenida la información relevante se ha implantado un estimador simple y eficiente que proporcione la posición. De entre las numerosas ventajas que supone transformar un sistema de analógico a digital (reducción de volumen y peso de los dispositivos, aumento en la velocidad de procesamiento, aumento de la fiabilidad mediante integración de sistemas, detección automática de errores, etc), la que más se ha explotado aquí ha sido la facilidad de implantación de algoritmos de procesado de señal más sofisticados. Esto ha permitido construir un receptor robusto a través de la aportación de funcionalidades tales como modos de operación, ajuste automático de umbrales o condiciones de verificación, posibilitando su operación incluso en entornos sumamente ruidosos. Una vez se considera finalizado el trabajo de modelar el sistema receptor, es necesario probar su funcionamiento realizando diversas simulaciones que ilustren tanto el funcionamiento del propio receptor como del sistema en su conjunto. Para las simulaciones de este capítulo 4 se han empleado tres actuaciones típicas de la aeronave: vuelo en punto fijo, trayectoria recta y viraje. En cada una de ellas se ha caracterizado el error en la estimación de la posición cometido por el receptor respecto a la ubicación real. El comportamiento del error ante la variación de ciertos parámetros de configuración permitirá analizar el desempeño del sistema Loran-C. En particular, se ha constatado que la calidad de las estimaciones dependen fuertemente del gradiente hiperbólico de la ubicación y del SNR de la señal recibida, pero de forma bastante más débil de la frecuencia de muestreo del receptor y de la velocidad y tipo de trayectoria descrita por el vehículo. Se han mejorado los resultados obtenidos haciendo uso del diezmado, con el que se consigue aumentar la precisión y exactitud significativamente. Todos los resultados obtenidos en el capítulo anterior confluyen en una serie de conclusiones que se incluyen en un capítulo 5 junto con una batería de propuestas de ampliación y mejora de este trabajo que, por falta de tiempo o exceso de trabajo, no han podido llevarse a cabo en el presente TFG.

Radionavigation system Loran-C (LOng RAnge Navigation) is an hyperbolic navigation system (position lines are hyperboles) used massively by Allies’ Side’s planes and ships during World War II and by civil and commercial transport afterwards. The main focus of this project is the study of the mentioned navigation system, unknown for many. To do so, this document has been divided in 5 chapters that I am about to explain. First of all, as you would expect, we begin this document with an introduction chapter contextualizing this system with a short historical review from its origins to the present. Then we will establish the main objectives of this project and set the simplifying hypothesis that has been assumed. The three main pillars we hope to achieve are: the detailed study of this system’s functioning, the design of a receiver that allow us to receive the signal and demodulate the information within, and the realization of simulations to verify the model and get to know the performance of the system itself. Then, in chapter 2 all the elements that allow us to understand how Loran-C behaves are described, from the navigation basics point of view and the signal characteristics one as well. Also, other sections of a more qualitative nature are included about the wave propagation of this system and a succinct exposition of the equipment and functionalities that are necessary for the transmission and reception of the signals. Afterwards, chapter 3 includes a deep exposition of the proposed Loran-C digital receiver developed in matlab. Even though every functional part is described and justified in this chapter, as a preamble we could point out that the suggested receiver is made out of three different parts: the signal detector, the information-extractor algorithm and a hyperbolic estimator. The first one tries to manipulate the signal so that it is in favorable conditions for the subsequent part can demodulate it. Once the important information has been obtained, a simple and efficient estimator has been implanted to provide the position. Out of all the advantages of transforming an analogic system to a digital one (reduction of size and weight of the devices, improvement in processing speed, automatic error detection, etc.), the one that has been the most exploited here has been the ease to implement more sophisticated processing algorithms. That allowed a strong receiver to be built through the addition of functionalities such as operating modes, thresholds auto-adjustments or verification conditions, enabling its use even in extremely noisy environments. Once we finish modeling the receiver system, it becomes a necessity to test its performance through different simulations that show how the receiver works and then the system as a whole. For the simulations in chapter 4, three typical configurations had been used: hovering, straight trajectory and circular banking turn. In each one of them has been characterized the error in the estimation of the position committed by the receiver with respect to the actual location. The way that error behaves with the variation of certain parameters allows the study of Loran-C. In particular, it has been found that the quality of the estimation strongly relies on the hyperbolic gradient of the position and the signal’s SNR, but not so much on the sampling frequency of the receiver and the speed and type of the vehicle’s path. The results had been improved with the use of decimate, improving the precision significantly. All the results from chapter 4 come together in a series of conclusions included in chapter 5 alongside a few proposals of expansion and improvement of this document that, because of lack time or work overload, could not be accomplished in this project.