Navigation Systems for Rockets and Projectiles

This thesis focuses on the analysis of navigation systems for rockets and projectiles, considering this analysis as a crucial step in the development of their guidance capability. The performance of the navigation system imposes limitations on the possible control and guidance strategies in an application characterized by unique challenges related to the extreme speeds and accelerations suffered by the platform. These factors have historically been a limitation for navigation systems usable onboard rockets and projectiles, preventing their effective guidance. The main objective of this research is to explore the behavior of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers installed on a rocket or a projectile. A methodology leveraging Software Defined Radio (SDR) is employed to investigate the limitations of GNSS receivers and the required architectures that enable their operation under extreme conditions, both as standalone systems and in conjunction with other sensors. In particular, the capacity of different tracking loops to deal with sudden changes in speed, acceleration, and jerk of the launch is analyzed. First, with an independent or scalar channel architecture, and then with a vector architecture, which joins and optimizes the information from all the satellite tracking channels in view. The advantages and disadvantages of these methodologies are compared, obtaining, for example, a reduction in the noise of the Doppler shift measurement for each observed satellite in the vector architecture. The study also examines the fusion of the vector tracking channels with other sources of information, such as (i) the vehicle model and (ii) inertial sensors. Through this sensor fusion, the performance of the GNSS receiver is improved during launch. One of the key objectives is to validate the capability of these systems to operate in real-time, both in laboratory simulations and in real launches. To do this, tests are carried out on board a rocket, and data is collected that allows comparison with the results obtained in the laboratory. The findings demonstrate that the combination of GNSS-SDR receivers with inertial sensors (accelerometers) provides a robust navigation system, capable of operating in real-time and maintaining the PVT solution, despite the extreme accelerations and rotations characteristic of projectiles. The ultra-tight architecture used, which combines GNSS and inertial data at the tracking level, offers significant improvements in tracking capabilities. In addition, the flexibility of the SDR platform allows signal processing to be tailored to the specific requirements of each mission. The results of this research highlight the potential to integrate GNSS-SDR technologies and sensor fusion techniques into rocket and projectile navigation systems. Not only can these systems achieve the required levels of accuracy and reliability, but their flexibility makes them particularly useful in environments where GNSS signals may be blocked or degraded. This work contributes to the advancement of navigation systems for rockets and projectiles, providing both theoretical advances and practical solutions. The integration of GNSS and SDR technologies, together with sensor fusion, represents a promising approach to achieve accurate and reliable navigation in aerospace and defense applications. RESUMEN Esta tesis se centra en el análisis de los sistemas de navegación para cohetes y proyectiles, considerando este análisis como un paso crucial en el desarrollo de sus sistemas de guiado. Las capacidades del sistema de navegación imponen limitaciones a las estrategias de control y guiado posibles, en una aplicación caracterizada por desafíos únicos relacionados con las velocidades y las aceleraciones extremas sufridas por la plataforma. Estos factores han sido históricamente una limitación para los sistemas de navegación utilizables a bordo de cohetes y proyectiles, imposibilitando su guiado. El objetivo principal de esta investigación es explorar el comportamiento de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) instalados en un cohete o en un proyectil. Se emplea una metodología basada en Radio Definida por Software (SDR) para estudiar las limitaciones de los receptores GNSS y las arquitecturas que les permitan operar en condiciones extremas. En particular, se analiza la capacidad de distintos bucles de seguimiento para enfrentarse a los repentinos cambios en velocidad y aceleración característicos del lanzamiento. Primero, se estudia una arquitectura de canales independientes o escalar, y posteriormente se introduce una arquitectura vectorial, que optimiza la información de todos los canales de seguimiento de los satélites en vista. Estas metodologías se comparan, obteniendo por ejemplo una reducción de ruido en la medida del desplazamiento Doppler de cada satélite observado en la arquitectura vectorial. El estudio también examina la fusión de los canales de seguimiento vectorial con otras fuentes de información, tales como: (i) el modelo del vehículo y (ii) sensores inerciales. Mediante esta fusión de sensores, se mejoran las prestaciones del receptor GNSS durante el lanzamiento. Uno de los objetivos clave es validar la capacidad de estos sistemas para operar en tiempo real, tanto en simulaciones de laboratorio como en lanzamientos reales. Para ello, se realizan pruebas a bordo de un cohete, y se recopilan datos que permiten comparar con los resultados obtenidos en laboratorio. Los hallazgos demuestran que la combinación de receptores GNSS-SDR con sensores inerciales (acelerómetros) proporciona un sistema de navegación robusto, capaz de operar en tiempo real y mantener la solución PVT, a pesar de las aceleraciones y rotaciones extremas características de los proyectiles. La arquitectura ultra-tight utilizada, que combina los datos GNSS e inerciales a nivel de correlador, ofrece mejoras significativas en las capacidades de seguimiento. Además, la flexibilidad de la plataforma SDR permite adaptar el procesamiento de señales a los requisitos específicos de cada misión. Las conclusiones de esta investigación subrayan el potencial de integrar tecnologías GNSS-SDR y técnicas de fusión de sensores en sistemas de navegación para cohetes y proyectiles. Estos sistemas, por su flexibilidad, son particularmente útiles en entornos donde las señales GNSS pueden verse bloqueadas o degradadas y pueden llegar a alcanzar los niveles de precisión requeridos. La integración de tecnologías GNSS con SDR y la fusión de sensores, es un enfoque prometedor para lograr una navegación precisa y fiable en aplicaciones aeroespaciales y de defensa.