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PORTALE DELLA DIDATTICA

Satellite navigation systems

03LPXBG

A.A. 2018/19

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Communications And Computer Networks Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 50
Esercitazioni in aula 10
Esercitazioni in laboratorio 20
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Dovis Fabio Professore Associato ING-INF/03 50 10 20 0 12
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/03 8 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
L'insegnamento introduce le tecnologie all'avanguardia per il radio posizionamento e la radionavigazione, basati sull'utilizzo di sistemi globali di navigazione satellitare, quali ad esempio lo statunitense Global Positioning System (GPS) ed il sistema europeo Galileo. Durante il corso vengono presentati i principi di base del posizionamento, vengono descritti i sistemi satellitari e i segnali utilizzati e si pone particolare enfasi sul progetto dei ricevitori di utente e sugli stadi di elaborazione del segnale. Il corso è interamente erogato in lingua inglese.
The course aims at introducing the leading-edge radio-positioning and radio-navigation technologies, based on the use of Global Satellite Navigation Systems (GNSS), as for example, the American Global Positioning System (GPS) and the European system Galileo. The course introduces the basic principles of positioning, describes the satellite systems and signals and focuses on the design of user receivers and on the signal processing stages. The course is taught in English.
Conoscenza e comprensione dei principi di funzionamento del posizionamento satellitare, e dei fattori che ne influenzano le prestazioni Conoscenza dei sistemi satellitari per la radionavigazione e comprensione dei criteri di progetto Conoscenza del formato dei segnali utilizzati e capacità di progettare segnali secondo criteri che li rendano adatti ad applicazioni di radio-posizionamento (codici, modulazioni, tecniche di multiplexing). Conoscenza delle fonti di errore e degli effetti della propagazione in spazio libero e in atmosfera, e comprensione dei loro effetti sulle prestazioni di posizionamento; capacità di utilizzo di modelli per la correzione dell'errore sistematico sulle misure del ricevitore Conoscenza e comprensione dell'architettura dei ricevitori, con particolare riferimento alla parte di elaborazione digitale dei segnali in banda base, e degli stadi di acquisizione e inseguimento dei segnali (utlizzo di Delay Lock Loop e Phase Lock Loop) Capacità di progetto di algoritmi semplici di acquisizione e inseguimento di segnali GNSS Conoscenza delle principali applicazioni del posizionamento satellitare
Knowledge and understanding of the functional principles of satellite-based positioning and of the factors affecting the performance; Knowledge of the current satellite navigation systems and understanding of the design criteria; Knowledge of the format of the signals used for positioning purposes and ability to design signals suited to radio-navigation applications (modulations, codes and multiplexing techniques); Knowledge error sources and of the effect of propagation in free-space and atmosphere; Understanding of the error sources effects on the positioning performance; ability to use models in order to mitigate the effects of the biases on the receiver measurements; Knowledge and understanding of the user receiver's architecture focusing on the base-band digital signal processing stages, of the acquisition stage and of the tracking stage (use of Delay Lock Loop and Phase Lock Loop); Ability to design simple algorithms for acquisition and tracking of GNSS signals; Knowledge of the main applications of satellite-based positioning;
Principi di teoria dei segnali e comunicazioni elettriche, a livello corrispondente alla conclusione della laurea di I livello in Ingegneria Elettronica o delle Telecomunicazioni. Conoscenza e comprensione della rappresentazione spettrale dei segnali. Conoscenza dei principi di conversione analogico/digitale e dell'elaborazione digitale dei segnali. Comprensione delle caratteristiche delle modulazioni e della ricezione di segnali elettromagnetici. Elementi di base di elettronica applicata.
Principles of Signal Theory and Electrical Communications at a level corresponding to Laurea (BSC) in Electronics or Communications Engineering. Knowledge and understanding of spectral representation of signals. Knowledge of the principles of analogue to digital conversion and of digital signal processing. Understanding of features of modulations and of the reception of electromagnetic signals. Basic elements of applied electronics.
• Introduzione alle tecniche di localizzazione e posizionamento e ai principi di radionavigazione (6 ore): o Tecniche di stima della posizione basate sulla direzione di arrivo, tempo di arrivo e osservazione della differenza dei tempi di arrivo o Metodi conici, sferici, iperbolici o Algoritmi di stima della posizione o Diluizione geometrica della posizione • Cause di incertezza e fonti di errore (6 ore) o Descrizione delle sorgenti di errore per il posizionamento o Fattori che influenzano la propagazione o Link Budget e rumore termico o Modelli di correzione degli errori • Principi di base sui sistemi di riferimento e orbite satellitari (3 ore) o Sistemi di riferimento spaziali o Orbite satellitari o Scale temporali • Elaborazione dei segnali per la radionavigazione (6 ore): o Proprietà dei segnali o Generazione dei codici di ranging o Modulazioni dei segnali per la radionavigazione o Modulazioni Binary Offset Carrier o Tecniche di multiplazione • Descrizione dell’architettura dei sistemi GPS e Galileo (3 ore) • Architettura dei ricevitori GNSS (15 ore): o Front-end e conversione A/D o Acquisizione dei segnali GNSS o Architetture di inseguimento di codice e portante o Stima delle pseudodistanze o Effetti di multipath • Applicazioni GNSS (6 ore): o GNSS differenziale o Integrazione con sistemi di comunicazione e Assisted GNSS o Interferenza da sistemi di comunicazione • Si svolgeranno inoltre esercitazioni in aula su tutti gli argomenti dell'insegnamento (15 ore) • Attività di laboratorio per la realizzazione software di un ricevitore GNSS semplificato (20 ore)
• Introduction to localisation and positioning techniques as well as radionavigation principles (6 hours): o Position estimation techniques based on direction of arrival, time of arrival, and differential time of arrival observations o Conical, spherical, hyperbolical methods o Positioning algorithms o The Geometrical Dilution of Precision • Uncertainty causes and error sources (6 hours) o Description of Error sources o Propagation issues o Link Budget and thermal noise o Error correction models • Basics of Reference Systems and Satellite Orbits (3 hours) o Reference frames o Satellite orbits o Time scales • Signal processing for radionavigation (6 hours): o Signal properties o Ranging codes generation o Signal modulations for radionavigation o Binary Offset Carrier modulation o Multiplexing techniques • System architcture of GPS and Galileo sysetms (3 hours) • GNSS receivers architectures (15 hours): o Front-end and A/D conversion o Acquisition of GNSS signals o Code and carrier tracking architectures o Pseudorange estimation o Multipath effects • GNSS Applications (4 hours): o Differential GNSS o Integration with communication systems and Assisted GNSS o Radio frequency interference issues • Classroom exercises on all the course topics (15 hours) • Laboratory activities for the implementation of a software GNSS receiver (20 hours)
Il corso prevede lezioni teoriche per l’introduzione ai concetti di base del posizionamento e la descrizione delle architetture di sistema. Le esercitazioni in aula riguardano esempi di applicazione di quanto trattato nelle lezioni teoriche. Le esercitazioni hanno come obiettivo l'acquisizione della capacità di risolvere semplici progetti di sistemi di posizionamento e di uso di tecniche base di elaborazione del segnale. Le esercitazioni sono svolte rendendo disponibile agli studenti i testi degli esercizi in anticipo, mentre in aula vengono fornite le soluzioni con le relative spiegazioni. L’attività di laboratorio prevede l’uso del software Matlab © e riguarda l’implementazione di un’architettura semplificata per l’elaborazione del segnale GNSS
The course includes theoretical lessons for introducing the basic concepts of positioning and the description of the system architectures. Classroom exercises guide the student in the application of the concept discussed in the theoretical lessons. The exercises aim at acquiring the ability to solve simple problems related to positioning systems and use of signal processing techniques in this field. Text of the exercises is provided to the students in advance and problems are solved in the classroom with proper explanations. The laboratory activity are based on the use of Matlab © software and concerns the implementation of a simplified architecture for the the processing of GNSS signals.
I testi di riferimento, sono: Kaplan, E. D., Hegarty C.H. Understanding GPS: principles and applications (II edition), Artech House, Norhood, MA, 2006 Parkinson B., Spilker J. J. , Global Positioning System: theory and applications, Vol. I e Vol. II, American Institute of Aeronautics, 1996. Misra P., Enge P. Global Positioning System: Signals, Measurements, and Performance, Ganga-Jamuna press (http://www.navtechgps.com/" target="_new">http://www.navtechgps.com/) Il materiale didattico (copia dei lucidi, note preparate dal docente, esempi di esami scritti ed esercizi) sarà fornito dal docente titolare dell'insegnamento e messo a disposizione sul sito web del portale della didattica.
Reference books are: 1. Misra P., Enge P. Global Positioning System: Signals, Measurements, and Performance (II edition), Ganga-Jamuna press 2. Kaplan, E. D., Hegarty C.H. Understanding GPS: principles and applications (III edition), Artech House, Norhood, MA, 2018 3. Zekavat R., Buehrer R. M., Handbook of Position Location: Theory, Practice and Advances, Wiley-IEEE Press, 2011 4. Parkinson B., Spilker J. J. , Global Positioning System: theory and applications, Vol. I e Vol. II, American Institute of Aeronautics, 1996. 5. European Space Agency: http://www.navipedia.net/ The teaching material (slides used during the lessons, solutions of exercises, examples of written exams) will be made available by the class teacher on the didattica web portal.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa; elaborato scritto individuale;
L'esame finale consiste in una prova scritta, e in una prova orale. Inoltre, agli studenti è chiesto di consegnare, almeno una settimana prima dell’appello, un report sull’attività di laboratorio, per documentare il lavoro svolto. Gli esercizi dell’esame scritto saranno volti a valutare di risolvere problemi semplificati di stima della posizione e di progetto di sistema. Non è consentito l’uso di testi e appunti. Il tempo totale assegnato per la soluzione è di 2 ore. La prova orale sonderà le conoscenze acquisite e la capacità di applicare i concetti appresi. La prova orale parte dal commento al report sull’attività di laboratorio al fine di verificare la comprensione del lavoro svolto. Il voto finale si ottiene come media del voto del compito scritto e della prova orale.
Exam: written test; optional oral exam; individual essay;
The final exam aims at assessing both the achievement of the knowledge objectives and the ability to solve position estimation problems and to design algorithms for the GNSS signal processing. The final evaluation is based on an individual report of the lab activities, and on a written exam. An oral exam might be requested by the student or, in some cases as a free choice of the teacher; the oral exam can influence the grade achieved in the written exam in a positive or negative way. The final grade (on a scale of 32) is obtained as the sum of the evaluation of the lab report (up to 5 points) and the written exam (up to 27 points). Laude is achieved if the score of 32 is reached. The lab report must be delivered, following the modality that will be explained by the teacher during the classes and published on the course webpage, by the deadline associated with the exam booking on the web portal. The students shall deliver a written report (as a .pdf file) and the Matlab © code used to obtain the results. The written exam includes multiple answer questions on the theoretical subjects (up to 9 points) and exercises (up to 18 points). The use of books and notes is not allowed. The students shall bring their own calculator. The exercises must be solved on the sheets of paper provided by the teachers, where the students shall put their name and student number. The students shall write the solutions using pens and not pencils. The total time allocated to the written exam is 2 hours. The optional oral exam can be requested by the student if the sum of the grades achieved for the lab report and the written exam is larger than 15. The oral examination usually takes place the same day in which the written exam results are published, or at most few days later. The oral exam will measure the acquired knowledge and the ability to apply the concepts learned, and it covers all the course subjects (theory, exercises and lab activities).


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