Enabling Techniques and Algorithms for Integrated Communication and Navigation Satellite Systems

This thesis presents the outcomes of my Ph.D. course in telecommunications engineering. The focus of my research has been on Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and in particular on the design of aiding schemes operating both at position and physical level and the evaluation of their feasibility and advantages. Assistance techniques at the position level are considered to enhance receiver availability in challenging scenarios where satellite visibility is limited. Novel positioning techniques relying on peer-to-peer interaction and exchange of information are thus introduced. More specifically two different techniques are proposed: the Pseudorange Sharing Algorithm (PSA), based on the exchange of GNSS data, that allows to obtain coarse positioning where the user has scarce satellite visibility, and the Hybrid approach, which also permits to improve the accuracy of the positioning solution. At the physical level, aiding schemes are investigated to improve the receiver’s ability to synchronize with satellite signals. An innovative code acquisition strategy for dual-band receivers, the Cross-Band Aiding (CBA) technique, is introduced to speed-up initial synchronization by exploiting the exchange of time references between the two bands. In addition vector configurations for code tracking are analyzed and their feedback generation process thoroughly investigated.

Comparison of EEG signals from epilepsy patients with Bump modeling

Background: l’epilessia è una malattia cerebrale che colpisce oggigiorno circa l’1% della popolazione mondiale e causa, a chi ne soffre, convulsioni ricorrenti e improvvise che danneggiano la vita quotidiana del paziente. Le convulsioni sono degli eventi che bloccano istantaneamente la normale attività cerebrale; inoltre differiscono tra i pazienti e, perciò, non esiste un trattamento comune generalizzato. Solitamente, medici neurologi somministrano farmaci, e, in rari casi, l’epilessia è trattata con operazioni neurochirurgiche. Tuttavia, le operazioni hanno effetti positivi nel ridurre le crisi, ma raramente riescono a eliminarle del tutto. Negli ultimi anni, nel campo della ricerca scientifica è stato provato che il segnale EEG contiene informazioni utili per diagnosticare l'arrivo di un attacco epilettico. Inoltre, diversi algoritmi automatici sono stati sviluppati per rilevare automaticamente le crisi epilettiche. Scopo: lo scopo finale di questa ricerca è l'applicabilità e l'affidabilità di un dispositivo automatico portatile in grado di rilevare le convulsioni e utilizzabile come sistema di monitoraggio. L’analisi condotta in questo progetto, è eseguita con tecniche di misure classiche e avanzate, in modo tale da provare tecnicamente l’affidabilità di un tale sistema. La comparazione è stata eseguita sui segnali elettroencefalografici utilizzando due diversi sistemi di acquisizione EEG: il metodo standard utilizzato nelle cliniche e il nuovo dispositivo portatile. Metodi: è necessaria una solida validazione dei segnali EEG registrati con il nuovo dispositivo. I segnali saranno trattati con tecniche classiche e avanzate. Dopo le operazioni di pulizia e allineamento, verrà utilizzato un nuovo metodo di rappresentazione e confronto di segnali : Bump model. In questa tesi il metodo citato verrà ampiamente descritto, testato, validato e adattato alle esigenze del progetto. Questo modello è definito come un approccio economico per la mappatura spazio-frequenziale di wavelet; in particolare, saranno presenti solo gli eventi con un’alta quantità di energia. Risultati: il modello Bump è stato implementato come toolbox su MATLAB dallo sviluppatore F. Vialatte, e migliorato dall’Autore per l’utilizzo di registrazioni EEG da sistemi diversi. Il metodo è validato con segnali artificiali al fine di garantire l’affidabilità, inoltre, è utilizzato su segnali EEG processati e allineati, che contengono eventi epilettici. Questo serve per rilevare la somiglianza dei due sistemi di acquisizione. Conclusioni: i risultati visivi garantiscono la somiglianza tra i due sistemi, questa differenza la si può notare specialmente comparando i grafici di attività background EEG e quelli di artefatti o eventi epilettici. Bump model è uno strumento affidabile per questa applicazione, e potrebbe essere utilizzato anche per lavori futuri (ad esempio utilizzare il metodo di Sincronicità Eventi Stocas- tici SES) o differenti applicazioni, così come le informazioni estratte dai Bump model potrebbero servire come input per misure di sincronicità, dalle quali estrarre utili risultati.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Uso del gnss per applicazioni di monitoraggio glaciologico in Antartide

Studio relativo alle correlazioni tra sisma e icestream nella zona antartica della terra Vittoria. Si presentano inoltre due studi approfonditi relativi a due reti gps presenti nei pressi di Talos Dome e Dome Concordia. Inoltre è presente anche una descrizione completa del sistema gps e di tutti gli strumenti utilizzati in campagna

Sparse Signal Representation of Ultrasonic Signals for Structural Health Monitoring Applications

Assessment of the integrity of structural components is of great importance for aerospace systems, land and marine transportation, civil infrastructures and other biological and mechanical applications. Guided waves (GWs) based inspections are an attractive mean for structural health monitoring. In this thesis, the study and development of techniques for GW ultrasound signal analysis and compression in the context of non-destructive testing of structures will be presented. In guided wave inspections, it is necessary to address the problem of the dispersion compensation. A signal processing approach based on frequency warping was adopted. Such operator maps the frequencies axis through a function derived by the group velocity of the test material and it is used to remove the dependence on the travelled distance from the acquired signals. Such processing strategy was fruitfully applied for impact location and damage localization tasks in composite and aluminum panels. It has been shown that, basing on this processing tool, low power embedded system for GW structural monitoring can be implemented. Finally, a new procedure based on Compressive Sensing has been developed and applied for data reduction. Such procedure has also a beneficial effect in enhancing the accuracy of structural defects localization. This algorithm uses the convolutive model of the propagation of ultrasonic guided waves which takes advantage of a sparse signal representation in the warped frequency domain. The recovery from the compressed samples is based on an alternating minimization procedure which achieves both an accurate reconstruction of the ultrasonic signal and a precise estimation of waves time of flight. Such information is used to feed hyperbolic or elliptic localization procedures, for accurate impact or damage localization.

Multicentre study for a robust protocol in single-voxel spectroscopy: quantification of MRS signals by time-domain fitting algorithms

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an advanced clinical and research application which guarantees a specific biochemical and metabolic characterization of tissues by the detection and quantification of key metabolites for diagnosis and disease staging. The "Associazione Italiana di Fisica Medica (AIFM)" has promoted the activity of the "Interconfronto di spettroscopia in RM" working group. The purpose of the study is to compare and analyze results obtained by perfoming MRS on scanners of different manufacturing in order to compile a robust protocol for spectroscopic examinations in clinical routines. This thesis takes part into this project by using the GE Signa HDxt 1.5 T at the Pavillion no. 11 of the S.Orsola-Malpighi hospital in Bologna. The spectral analyses have been performed with the jMRUI package, which includes a wide range of preprocessing and quantification algorithms for signal analysis in the time domain. After the quality assurance on the scanner with standard and innovative methods, both spectra with and without suppression of the water peak have been acquired on the GE test phantom. The comparison of the ratios of the metabolite amplitudes over Creatine computed by the workstation software, which works on the frequencies, and jMRUI shows good agreement, suggesting that quantifications in both domains may lead to consistent results. The characterization of an in-house phantom provided by the working group has achieved its goal of assessing the solution content and the metabolite concentrations with good accuracy. The goodness of the experimental procedure and data analysis has been demonstrated by the correct estimation of the T2 of water, the observed biexponential relaxation curve of Creatine and the correct TE value at which the modulation by J coupling causes the Lactate doublet to be inverted in the spectrum. The work of this thesis has demonstrated that it is possible to perform measurements and establish protocols for data analysis, based on the physical principles of NMR, which are able to provide robust values for the spectral parameters of clinical use.

Design of a GNSS receiver for the ESEO mission

This thesis was carried out inside the ESA's ESEO mission and focus in the design of one of the secondary payloads carried on board the spacecraft: a GNSS receiver for orbit determination. The purpose of this project is to test the technology of the orbit determination in real time applications by using commercial components. The architecture of the receiver includes a custom part, the navigation computer, and a commercial part, the front-end, from Novatel, with COCOM limitation removed, and a GNSS antenna. This choice is motivated by the goal of demonstrating the correct operations in orbit, enabling a widespread use of this technology while lowering the cost and time of the device’s assembly. The commercial front-end performs GNSS signal acquisition, tracking and data demodulation and provides raw GNSS data to the custom computer. This computer processes this raw observables, that will be both transferred to the On-Board Computer and then transmitted to Earth and provided as input to the recursive estimation filter on-board, in order to obtain an accurate positioning of the spacecraft, using the dynamic model. The main purpose of this thesis, is the detailed design and development of the mentioned GNSS receiver up to the ESEO project Critical Design Review, including requirements definition, hardware design and breadboard preliminary test phase design.

Modernizzazione dei sistemi satellitari di posizionamento globale (GNSS)

In questa tesi, sono esposti i sistemi di navigazione che si sono evoluti, parimenti con il progresso scientifico e tecnologico, dalle prime misurazioni della Terra, per opera della civiltà ellenica, circa 2.500 anni fa, sino ai moderni sistemi satellitari e ai mai tramontati sistemi di radionavigazione. I sistemi di navigazione devono rispondere alla sempre maggiore richiesta di precisione, affidabilità, continuità e globalità del servizio, della società moderna. È sufficiente pensare che, attualmente, il solo traffico aereo civile fa volare 5 miliardi di passeggeri ogni anno, in oltre 60 milioni di voli e con un trasporto cargo di 85 milioni di tonnellate (ACI - World Airports Council International, 2012). La quota di traffico marittimo mondiale delle merci, è stata pari a circa 650 milioni di TEU (twenty-foot equivalent unit - misura standard di volume nel trasporto dei container ISO, corrisponde a circa 40 metri cubi totali), nel solo anno 2013 (IAPH - International Association of Ports and Harbors, 2013). Questi pochi, quanto significativi numeri, indicano una evidente necessità di “guidare” questo enorme flusso di aerei e navi in giro per il mondo, sempre in crescita, nella maniera più opportuna, tracciando le rotte adeguate e garantendo la sicurezza necessaria anche nelle fasi più delicate (decollo e atterraggio per gli aeroplani e manovre in porto per le grandi navi). Nello sviluppo della tesi si proverà a capire quali e quanto i sistemi di navigazione possono assolvere al ruolo di “guida” del trasporto aereo e marittimo.

Analisi delle prestazioni di un codice di calcolo open-source per l'elaborazione dati GNSS in modalità cinematica finalizzata al monitoraggio di strutture e applicazione di filtri sequenziali

Il presente lavoro di tesi si pone come obbiettivo l’elaborazione di dati GNSS in modalità cinematica post-processing per il monitoraggio strutturale e, in una seconda fase, lo studio delle precisioni raggiungibili delle soluzioni ottenute utilizzando algoritmi di post-elaborazione del dato. L’oggetto di studio è la torre Garisenda, situata in piazza Ravegnana, accanto alla torre Asinelli, nel centro storico di Bologna, da tempo oggetto di studi e monitoraggi per via della sua inclinazione particolarmente critica. Per lo studio è stato utilizzato un data set di quindici giorni, dal 15/12/2013 al 29/12/2013 compresi. Per l’elaborazione dei dati è stato utilizzato un software open source realizzato da ricercatori del Politecnico di Milano, goGPS. Quest'ultimo, essendo un codice nuovo, è stato necessario testarlo al fine di poter ottenere dei risultati validi. Nella prima fase della tesi si è quindi affrontato l’aspetto della calibrazione dei parametri che forniscono le soluzioni più precise per le finalità di monitoraggio considerando le possibili scelte offerte dal codice goGPS. In particolare sono stati imposti dei movimenti calibrati e si è osservata la soluzione al variare dei parametri selezionati scegliendo poi quella migliore, ossia il miglior compromesso tra la capacità di individuare i movimenti e il rumore della serie. Nella seconda fase, allo scopo di poter migliorare le precisioni delle soluzioni si sono valutati metodi di correzione delle soluzioni basati sull'uso di filtri sequenziali e sono state condotte analisi sull'incremento di precisione derivante dall'applicazione di tali correzioni.

Il GNSS per il controllo delle deformazioni crostali

Se pensiamo ad un generico punto sulla superficie terreste questo sarà soggetto allo spostamento nel tempo della propria posizione, a causa delle deformazioni della crosta terrestre. Se conosciamo l’intensità e la direzione dello spostamento possiamo esprimere la variazione delle coordinate del punto in un sistema di riferimento geodetico , in funzione del tempo. Varie teorie spiegano la causa di tali deformazioni crostali (ES. La Tettonica a Placche) , attribuendo l’origine a movimenti convettivi del mantello, determinati dalla variazione spaziale della densità ed al progressivo rilascio degli sforzi accumulati nella litosfera a causa del peso delle massi di ghiaccio che, hanno ricoperto parte della superficie terrestre nelle glaciazioni passate. Fin dagli anni’80 il GNSS è divento una tra le tecniche più idonee per andare a valutare lo spostamento della crosta terrestre rispetto ad un sistema di riferimento globale e regionale grazie all’elevato grado di precisione conseguibile.