Integrated Multi-GNSS Receivers

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Issue Date
2024-04-12
Authors
Rügamer, Alexander
Editor
Abstract

The challenges of multi-band, multi-system (i.e., multi-) GNSS reception are higher bandwidths, higher sampling rates, and often multiple reception chains. All of these lead to an increase in complexity, size, and power consumption, especially for integrated radio frequency (RF) front-ends. This thesis aims to provide design procedures for lower-complexity and less power-consuming integrated multi-GNSS receivers and addresses the following research questions: How do RF front-end properties influence multi-GNSS reception and processing? How can different integrated multi-GNSS receiver implementations be compared and benchmarked? How can a multi-GNSS receiver be designed more efficiently than with conventional architectures?

First, it is analyzed how RF front-end characteristics affect multi-GNSS reception and processing. Then, the research question of how to compare and benchmark different integrated multi-GNSS receiver implementations is addressed. Figures of merit (FOMs) are introduced that are successfully applied to benchmark the state of the art in integrated multi-GNSS front-ends.

The second main contribution is the introduction of a novel receiver “overlay architecture” that allows simultaneous optimization of the FOMs. Since conventional receiver architectures do not allow such optimization, the new “overlay architecture” contributes to the research question of how to design multi-GNSS receivers more efficiently, taking into account and overcoming the challenges of multi-band, multi-system reception.

The third main contribution is the theoretical and practical analysis of the new “overlay architecture”, in particular, the overlay loss it generates. It can be modeled using the Spectral Separation Coefficient (SSC) theory. An optimal, analytical solution of a path control that mitigates the overlay-introduced noise loss for a dual-frequency ionospheric-free linear combination is derived. This is validated by measurements in the signal, range, and positioning domains. Finally, an exemplary implementation of a multi-GNSS front-end using this “overlay architecture” is presented, analyzed, and compared to the state of the art in integrated multi-GNSS front-ends using the previously defined FOMs, to demonstrate the potential benefits of this new architecture.

Abstract

Die Herausforderungen von GNSS Multiband- und Multisystem-Empfang (d.h. von Multi-GNSS-Empfang) sind höhere Bandbreiten, höhere Abtastraten und häufig mehrere notwendige Empfangspfade. All dies führt zu einem Anstieg der Komplexität, der Größe und des Stromverbrauchs des Empfängers, insbesondere bei integrierten Hochfrequenz (HF)-Frontends.

Diese Arbeit liefert Beiträge zu Entwurfsverfahren für Multi-GNSS-Empfänger mit geringerer Komplexität, geringerer Größe und geringerem Stromverbrauch. Dazu werden folgende Forschungsfragen adressiert: Wie beeinflussen die Eigenschaften des HF-Frontends den Multi-GNSS-Empfang und dessen Verarbeitung? Wie können verschiedene integrierte Multi-GNSS-Empfängerimplementierungen verglichen und bewertet werden? Wie kann ein Multi-GNSS-Empfänger effizienter gestaltet werden als mit herkömmlichen Architekturen?

Zunächst wird analysiert, wie sich die Eigenschaften des HF-Frontends auf Multi-GNSS-Empfang mit Verarbeitung auswirken. Dann wird die Forschungsfrage behandelt, wie verschiedene integrierte Multi-GNSS-Empfängerimplementierungen verglichen und bewertet werden können. Dazu werden “Figures of Merit” (FOMs) eingeführt und zum Vergleich des Stands der Technik bei integrierten Multi-GNSS-Frontends eingesetzt.

Es wird eine neue “Overlay-Architektur” vorgestellt, die eine gleichzeitige Optimierung der FOMs ermöglicht. Da herkömmliche Empfängerarchitekturen eine derartige Optimierung nicht zulassen, trägt die neue Architektur zu der Forschungsfrage bei, wie Multi-GNSS-Empfänger effizienter gestaltet werden können.

Anschließend folgt eine theoretische und praktische Analyse der neuen “Overlay-Architektur”, vor allem in Bezug auf den neu erzeugten Überlagerungsverlust. Dieser kann mit Hilfe der “Spectral Separation Coefficients” (SSC) modelliert werden. Es wird eine optimale analytische Lösung für eine Pfadkontrolle abgeleitet, die diesen Verlust für eine ionosphärenfreie Zweifrequenz-Linearkombination minimiert. Dies wird durch Messungen im Signal-, Entfernungs- und Positionsbereich validiert. Schließlich wird eine Implementierung eines Multi-GNSS-Frontends mit “Overlay-Architektur” vorgestellt, analysiert und mit dem Stand der Technik unter Verwendung der zuvor definierten FOMs verglichen, um die potenziellen Vorteile dieser neuen Architektur aufzuzeigen.

DOI
URN
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