Date of Award

4-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Space Science (MSSS)

Department

Physics

First Advisor

Dr. Abdul-Halim Jallad

Second Advisor

Dr. Alina Hasbi

Abstract

This thesis is concerned with Low Earth Orbit (LEO) Global Navigation Satellite Systems (GNSS) constellations and signals, and how can they provide rapid Positioning, Navigation, and Timing (PNT) services for the emerging technologies. The first objective of this thesis is to perform a simulation of a new mini-LEO GNSS constellation at 1000 km and assess its performance in different scenarios. The second objective is to design a signal simulator for two signals that are propriety of the Global Navigation Satellite Augmentation Systems (GNSSaS), which are the BOC(2,2) and ATLBOC(7.5, BOC(2,2)) modulation schemes. To simulate the mini-LEO GNSS constellation, two software were used: System Tool Kit to design the orbits of the constellation, and Skydel GNSS simulator to test the orbital scenarios as a functional GNSS constellation. To generate the GNSSaS signals, Gnu Radio which a specialized Software Defined Radio (SDR) software was used. The optimized mini-constellation consisted of four planes separated by 30°, each plane had three satellites with a true anomaly difference of 15°. The optimized constellation showed a 3D accuracy of 14-18 meters, and Time to First Fix (TTFF) of more than 200 seconds. The LEO GNSS constellation performance was not expected for LEO GNSS due to the fact that the U-blox EVK-M8T GNSS receiver was not designed to receive LEO GNSS signals. This is because of the higher dynamics of the LEO satellite compared to MEO, whereby the computed radial velocity and acceleration at 1000 km are 5380.485 m/s and 2.463 g respectively. The spectrum of both BOC(2,2) and ALTBOC(7.5, BOC(2,2)) signals were accurate and as expected, except for spectral lines presented in the ALTBOC(7.5, BOC(2,2)). The simulated GNSSaS signals are consistent with theory and measurements. The research paves the way for further LEO GNSS development, by designing, optimizing and simulating LEO GNSS constellation, finding the lack of receiver technologies for LEO purposes, and generating first of its kind ALTBOC modulation for the GNSSaS satellite program.

Arabic Abstract


تصميم كوكبة أقمار ملاحية في المدار المنخفض وتطوير محاكي موجات ملاحة متخصص

تدرس هذه الرسالة عن أنظمة أقمار الملاحة العالمية (أنظمة الملاحة) في المدار الأرضي المنخفض (المدار المنخفض) وبعضٍ من موجاتها وعن مقدور تلك الأنظمة في تحديد المواقع والملاحة والوقت بدقة وسرعة، خدمةً لكثيرٍ من التقنيات الحديثة والمستقبلية. هدف هذا البحث محاكاة جزئي أنظمة الملاحة في المدار المنخفض وهما؛ كوكبة الأقمار الملاحية على ارتفاع 1000 كيلومتر وتقييم أدائها في حالات محاكاة متنوعة؛ ومحاكاة موجتي ملاحة لمشروع نظام أقمار الملاحة التعزيزية العالمي (GNSSaS) باستعمال تضمين موجات الأول من نوعه وهو الرسيل الثنائي البديل لرسيل ثنائي غيره ATLBOC(7.5, BOC(2,2)). لمحاكاة كوكبة الأقمار، استعملنا برنامجين، حزمة أدوات الأنظمة (System Tool Kit) لتصميم مدار الكوكبة، وبرنامج سكايدل (Skydel) لمحاكاة أنظمة الملاحة، ولإنتاج موجات الملاحة، استعملنا برنامج غنو راديو (Gnu Radio). أتمت الدراسة معظم أهدافها بتصميم ومحاكاة كوكبة أقمار الملاحة وموجاتها، لكن بسبب قصور تقنيات أجهزة استقبال الملاحة الحالية، لم توافِ المحاكا ة الدقة النظرية. مهد البح ث الطري ق لمزيد تطوير أنظمة الملاحة العالمية في المدار المنخفض، وذلك بتصميم ومحاكاة نظام ملاحة منخفض، وإيجاد قصور في تقنية المستقبلات الحالية، كذا وإنتاج أو موجة باستعمال تضمين مركب من تضمينين اثنين ATLBOC(7.5, BOC(2,2)). كانت محاكاة موجات أنظمة الملاحة التعزيزية المنخفضة متوافقة مع التوقعات النظرية والرياضية، إلا أن دقة كوكبة أنظمة الملاحة المنخفضة كانت أقل من المتوقع وذلك بسبب قصور التقنية وليس سوءٌ في المحاكاة.

Download
COinS