For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (LLMS) filter estimate has a recursive format, a.k.a. the Kalman filter (KF). Interestingly, the linear minimum variance distortionless response (LMVDR) filter, when it exists, shares exactly the same recursion as the KF, except for the initialization. If LMVDR estimators are suboptimal in mean-squared error sense, they do not depend on the prior knowledge on the initial state. Thus, the LMVDR estimators may outperform the usual LLMS estimators in case of misspecification of the prior knowledge on the initial state. In this perspective, we establish the general conditions under which existence of the LMVDRF is guaranteed. An immediate benefit is the introduction of LMVDR fixed-point and fixed-lag smoothers (and possibly other smoothers or predictors), which has not been possible so far. Indeed, the LMVDR fixed-point smoother can be used to compute recursively the solution of a generalization of the deterministic least-squares problem.
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares f... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares filter estimate has a convenient recursive predictor/corrector format, aka the Kalman filter. The purpose of this paper is to show that the linear minimum variance distortionless response (MVDR) filter shares exactly the same recursion, except for the initialization which is based on a weighted least-squares estimator. If the MVDR filter is suboptimal in mean-squared error sense, it is an infinite impulse response distortionless filter (a deconvolver) which does not depend on the prior knowledge (first-and second-order statistics) on the initial state. In other words, the MVDR filter can be pre-computed and its behaviour can be assessed in advance independently of the prior knowledge on the initial state.
L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, t... more L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La dérive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener à une collision ou à une chute dans l'atmosphère. Les opérations de maintien à poste consistent donc à effectuer une mesure précise de la trajectoire du satellite puis à utiliser ses propulseurs pour corriger sa dérive. La solution classique de mesure de position est basée sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d'avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de façon espacées dans le temps. Un système de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelées Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une réduction importante des coûts de conception et de maintenance opérationnelle. Plusieurs études ont été menées en ce sens et les premiers systèmes de navigation, basés sur des récepteurs GPS, voient le jour. Un récepteur en mesure de traiter plusieurs systèmes de navigation, tel que GPS et Galileo, permettrait d'obtenir une meilleure disponibilité de service. En effet, le système Galileo est conçu pour être compatible avec le système GPS, tant en terme de signaux émis que de données de navigation. La connaissance permanente de la position permettrait alors de réaliser un contrôle asservit du maintien à poste. Dans un premier temps, nous avons défini quelles seront les spécifications d'un récepteur spatial multimission. En effet, les contraintes pesant sur un tel récepteur sont différentes de celles d'un récepteur situé à la surface de la Terre. L'analyse de ces contraintes, ainsi que des performances demandées à un système de positionnement, est donc nécessaire afin de déterminer les spécifications du futur récepteur. Il existe peu d'études sur le sujet. Certaines d'entre elles sont classées secret industriel, d'autres présentent, à notre avis, un biais d'analyse qui fausse la détermination des spécifications. Nous avons donc modélisé le système : orbites des satellites GNSS et des satellites récepteurs, liaison radiofréquence. Certains paramètres de cette liaison ne sont pas donnés dans les documents de spécifications ou les documents constructeurs. De plus, les données théoriques disponibles ne sont pas toujours pertinentes pour une modélisation réaliste. Nous avons donc dû estimer ces paramètres en utilisant des données disponibles. Le modèle a été ensuite utilisé afin de simuler divers scenarii représentatifs de futures missions. Après avoir défini des critères d'analyse, les spécifications ont été déterminées à partir des résultats des simulations. Le calcul d'une position par un système de navigation par satellite se déroule en trois phases principales. Pour chacune de ces phases, il existe plusieurs algorithmes possibles, présentant des caractéristiques différentes de performance, de taille de circuit ou de charge de calcul. L'essor de nouvelles applications basées sur la navigation entraine également le développement de nouveaux algorithmes adaptés. Nous présentons le principe permettant la détermination d'une position, puis les signaux de navigation GPS et Galileo. A partir de la structure des signaux, nous expliquons les phases de la démodulation et de la localisation. Grâce à l'utilisation des constellations GPS et Galileo, les algorithmes standards permettent d'atteindre les performances nécessaires pour des applications spatiales. Ces algorithmes nécessitent néanmoins d'être adaptés ; ainsi certaines parties ont été conçues spécifiquement. Afin de valider les choix d'algorithmes, et les paramètres liés aux spécifications, nous avons simulés les différentes phases de fonctionnement du récepteur en utilisant des signaux GPS réels. Pour terminer, les retombées et perspectives sont exposées dans la conclusion.
IEEE Transactions on Automatic Control, Apr 1, 2017
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares f... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares filter estimate has a convenient recursive predictor/corrector format, aka the Kalman filter. The purpose of this paper is to show that the linear minimum variance distortionless response (MVDR) filter shares exactly the same recursion, except for the initialization which is based on a weighted least-squares estimator. If the MVDR filter is sub-optimal in mean-squared error sense, it is an infinite impulse response distortionless filter (a deconvolver) which does not depend on the prior knowledge (first and second order statistics) on the initial state. In other words, the MVDR filter can be pre-computed and its behaviour can be assessed in advance independently of the prior knowledge on the initial state.
IEEE Transactions on Automatic Control, Jun 1, 2019
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (LLMS) filter estimate has a recursive format, a.k.a. the Kalman filter (KF). Interestingly, the linear minimum variance distortionless response (LMVDR) filter, when it exists, shares exactly the same recursion as the KF, except for the initialization. If LMVDR estimators are suboptimal in mean-squared error sense, they do not depend on the prior knowledge on the initial state. Thus, the LMVDR estimators may outperform the usual LLMS estimators in case of misspecification of the prior knowledge on the initial state. In this perspective, we establish the general conditions under which existence of the LMVDRF is guaranteed. An immediate benefit is the introduction of LMVDR fixed-point and fixed-lag smoothers (and possibly other smoothers or predictors), which has not been possible so far. Indeed, the LMVDR fixed-point smoother can be used to compute recursively the solution of a generalization of the deterministic least-squares problem.
L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, t... more L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La dérive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener à une collision ou à une chute dans l'atmosphère. Les opérations de maintien à poste consistent donc à effectuer une mesure précise de la trajectoire du satellite puis à utiliser ses propulseurs pour corriger sa dérive. La solution classique de mesure de position est basée sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d'avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de façon espacées dans le temps. Un système de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelées Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une réduction importante des coûts de conception et de maintenance opérationnelle. Plusieurs études ont été menées en ce sens et les premiers systèmes de navigation, basés sur des récepteurs GPS, voient le jour. Un récepteur en mesure de traiter plusieurs systèmes de navigation, tel que GPS et Galileo, permettrait d'obtenir une meilleure disponibilité de service. En effet, le système Galileo est conçu pour être compatible avec le système GPS, tant en terme de signaux émis que de données de navigation. La connaissance permanente de la position permettrait alors de réaliser un contrôle asservit du maintien à poste. Dans un premier temps, nous avons défini quelles seront les spécifications d'un récepteur spatial multimission. En effet, les contraintes pesant sur un tel récepteur sont différentes de celles d'un récepteur situé à la surface de la Terre. L'analyse de ces contraintes, ainsi que des performances demandées à un système de positionnement, est donc nécessaire afin de déterminer les spécifications du futur récepteur. Il existe peu d'études sur le sujet. Certaines d'entre elles sont classées secret industriel, d'autres présentent, à notre avis, un biais d'analyse qui fausse la détermination des spécifications. Nous avons donc modélisé le système : orbites des satellites GNSS et des satellites récepteurs, liaison radiofréquence. Certains paramètres de cette liaison ne sont pas donnés dans les documents de spécifications ou les documents constructeurs. De plus, les données théoriques disponibles ne sont pas toujours pertinentes pour une modélisation réaliste. Nous avons donc dû estimer ces paramètres en utilisant des données disponibles. Le modèle a été ensuite utilisé afin de simuler divers scenarii représentatifs de futures missions. Après avoir défini des critères d'analyse, les spécifications ont été déterminées à partir des résultats des simulations. Le calcul d'une position par un système de navigation par satellite se déroule en trois phases principales. Pour chacune de ces phases, il existe plusieurs algorithmes possibles, présentant des caractéristiques différentes de performance, de taille de circuit ou de charge de calcul. L'essor de nouvelles applications basées sur la navigation entraine également le développement de nouveaux algorithmes adaptés. Nous présentons le principe permettant la détermination d'une position, puis les signaux de navigation GPS et Galileo. A partir de la structure des signaux, nous expliquons les phases de la démodulation et de la localisation. Grâce à l'utilisation des constellations GPS et Galileo, les algorithmes standards permettent d'atteindre les performances nécessaires pour des applications spatiales. Ces algorithmes nécessitent néanmoins d'être adaptés ; ainsi certaines parties ont été conçues spécifiquement. Afin de valider les choix d'algorithmes, et les paramètres liés aux spécifications, nous avons simulés les différentes phases de fonctionnement du récepteur en utilisant des signaux GPS réels. Pour terminer, les retombées et perspectives sont exposées dans la conclusion.
Time-Sensitive Networking (TSN) describes a set of features extending the functionalities and Qua... more Time-Sensitive Networking (TSN) describes a set of features extending the functionalities and Quality of Service (QoS) of standard Ethernet to enable determinism, reliability and reconfigurability, key requirements for Industry 4.0. The TSN profile for industrial automation (IEC/IEEE 60802 standard) defines specific options to favor reliability and reconfigurability. Nevertheless, there are multiple possible options for scheduling to guarantee determinism. Today, the scheduling standards in TSN can be categorized according to the implemented communication paradigm: asynchronous or synchronous. This paradigm is of utmost importance to quantify the synchronization need and the reconfigurability effort. The main contribution of this work is the specification of an asynchronous TSN-compliant network for Industry 4.0, FactoRing, that bridges the gap between both paradigms to guarantee low bounded jitters and latencies, without the need of synchronization and complex network planning. Moreover, FactoRing supports ring-based topologies to significantly reduce installation wiring and costs. In this paper, we first present the main industry 4.0 requirements and assess the ability of recommended TSN mechanisms for industrial automation versus such requirements. Afterwards, we detail the main features of Factoring including QoS, reliability and reconfiguration management. Finally, preliminary results on performance metrics like jitters, latencies and buffer usage are discussed and the first conclusions on the promises of Factoring to meet Industry 4.0 requirements are derived.
While hardware implementations allow the production of highly efficient and performance oriented ... more While hardware implementations allow the production of highly efficient and performance oriented designs, exploiting features such as parallelization, their longer time to code and implement often bottlenecks rapid prototyping. On the other hand, high-level synthesis (HLS) tools allow for faster experimentation of software code to a hardware platform while demonstrating a reasonable extrapolation of the expected hardware behavior. In this work, we attempt to show a rapid, fast prototyping of the well known HQC algorithm, using HLS, and show how with a modification of certain parameters, varying degrees of comparable results can be obtained. These results, in turn, could be used as a guide for HDL-RTL developers to enhance their designs and better prototyping time in the future. Additionally, we also demonstrate that it is possible to benefit from HQC's versatility; by achieving a low hardware footprint whilst also maintaining good performances, even on low-cost FPGA devices, which we demonstrate on the well known Artix-7 xc7a100t-ftg256-1.
HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe), 2008
Vincent Calmettes received a Ph.D. degree in signal processing from SUPAERO (ISAE), Toulouse, Fra... more Vincent Calmettes received a Ph.D. degree in signal processing from SUPAERO (ISAE), Toulouse, France. He is an engineer researcher in the laboratory of signals, communications, antenna and navigation, at ISAE. His research interests include the development of solutions based on DSP and programmable logic devices or ASICs for applications in Digital communications and Signal processing. He is currently working on new Galileo signal processing and GNSS receiver architectures. He is also involved in several projects devoted to positioning and attitude determination, including low cost MEMS sensors characterization and INS/GPS integration. Arnaud Dion has worked as a development engineer in a small company where he conducted projects based on FPGA. While working, he graduated from CNAM (French engineering school) in 2005. In October 2004, he joined ISAE (French Engineering school on Aeronautics and Space) as a project manager. His projects include electronic architecture design for a UAV (Unmanned Aerial Vehicle), FPGA and ASIC development. He is also involved in research activities in the frame of a Ph.D.
The increase in integration density and the requirement of low power supplies to reduce energy co... more The increase in integration density and the requirement of low power supplies to reduce energy consumption can make circuits more and more sensitive to hardware errors. The loss of robustness increases with process/voltage and temperature (PVT) variations. This demo presents a platform used first to implement a noiseless GPS receiver algorithm. Redundant mechanisms can be added, then, to the design to make the GPS receiver more resilient against upset errors due low supply voltage. The platform can be used, so, to evaluate the performance and the complexity of the proposed mechanisms.
Recurrent Neural Networks Analysis for Embedded Systems
Artificial Neural Networks (ANNs) are biologically inspired algorithms especially efficient for p... more Artificial Neural Networks (ANNs) are biologically inspired algorithms especially efficient for pattern recog- nition and data classification. In particular, Recurrent Neural Networks (RNN) are a specific type of ANNs which model and process sequences of data that have temporal relationship. Thus, it introduces interesting behavior for embedded systems applications such as autopilot systems. However, RNNs (and ANNs in gen- eral) are computationally intensive algorithms, especially to allow the network to learn. This implies a wise integration and proper analysis on the embedded systems that we gather these functionalities. We present in this paper an analysis of two types of Recurrent Neural Networks, Long-Short Term Memory (LSTM) and Gated-Recurrent Unit (GRU), explain their architectures and characteristics. We propose our dedicated implementation which is tested and validated on embedded system devices with a dedicated dataset
2018 26th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), 2018
In the context of linear discrete state-space (LDSS) models, we generalize a result lately introd... more In the context of linear discrete state-space (LDSS) models, we generalize a result lately introduced in the restricted case of invertible state matrices, namely that the linear minimum variance distortionless response (LMVDR) filter shares exactly the same recursion as the linear least mean squares (LLMS) filter, aka the Kalman filter (KF), except for the initialization. An immediate benefit is the introduction of LMVDR fixed-point and fixed-lag smoothers (and possibly other smoothers or predictors), which has not been possible so far. This result is particularly noteworthy given the fact that, although LMVDR estimators are sub-optimal in mean-squared error sense, they are infinite impulse response distortionless estimators which do not depend on the prior knowledge on the mean and covariance matrix of the initial state. Thus the LMVDR estimators may outperform the usual LLMS estimators in case of misspecification of the prior knowledge on the initial state. Seen from this perspective, we also show that the LMVDR filter can be regarded as a generalization of the information filter form of the KF. On another note, LMVDR estimators may also allow to derive unexpected results, as highlighted with the LMVDR fixed-point smoother.
L’orbite d’un satellite autour de la terre est perturbee en permanence par differents facteurs, t... more L’orbite d’un satellite autour de la terre est perturbee en permanence par differents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La derive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener a une collision ou a une chute dans l’atmosphere. Les operations de maintien a poste consistent donc a effectuer une mesure precise de la trajectoire du satellite puis a utiliser ses propulseurs pour corriger sa derive. La solution classique de mesure de position est basee sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d’avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de facon espacees dans le temps.Un systeme de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelees Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une reduction importante des couts de conception et de maintenance operationnelle. Plusieurs etudes ...
Reconfigurable navigation receiver for space applications
The orbit of a satellite around the earth is constantly disturbed by various factors, such as var... more The orbit of a satellite around the earth is constantly disturbed by various factors, such as variations in the gravitational field and the solar wind pressure. The drift of the satellite position can compromise the mission, and even lead to a crash or a fall in the atmosphere. The station-keeping operations therefore consist in performing an accurate measurement of the satellite trajectory and then in using its thrusters to correct the drift. The conventional solution is to measure the position with the help of a ground based radar. This solution is expensive and does not allow to have the satellite position permanently: the trajectory corrections are therefore infrequent. A positioning and autonomous navigation system using constellations of navigation satellites, called Global Navigation Satellite System (GNSS), allows a significant reduction in design and operational maintenance costs. Several studies have been conducted in this direction and the first navigation systems based o...
This paper presents a programmable DSP board developed for real-time estimation of rigid body ori... more This paper presents a programmable DSP board developed for real-time estimation of rigid body orientation. This work takes place in a research project carried out by students. The project consists of unmanned aerial vehicle’s (UAV) attitude estimation. This estimation is processed by an Inertial Reference System (IRS) including the TMS320F2812 processor, low cost integrated Micro Electro Mechanical Systems (iMEMS) such as accelerometers and gyroscopes, temperature sensors, and magnetometers. Gyroscopes provide angular velocities that can be integrated to yield orientation. Accelerometers and magnetometers, pointing to gravity direction and north direction enables drift compensation. So the system performs a drift-free attitude estimation using quaternions for rotations representation. One benefit of this system is that it enables high integration by exploiting the processor’s capacities for sensors interfacing. Moreover it takes advantage of the high performance processor to achieve...
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (LLMS) filter estimate has a recursive format, a.k.a. the Kalman filter (KF). Interestingly, the linear minimum variance distortionless response (LMVDR) filter, when it exists, shares exactly the same recursion as the KF, except for the initialization. If LMVDR estimators are suboptimal in mean-squared error sense, they do not depend on the prior knowledge on the initial state. Thus, the LMVDR estimators may outperform the usual LLMS estimators in case of misspecification of the prior knowledge on the initial state. In this perspective, we establish the general conditions under which existence of the LMVDRF is guaranteed. An immediate benefit is the introduction of LMVDR fixed-point and fixed-lag smoothers (and possibly other smoothers or predictors), which has not been possible so far. Indeed, the LMVDR fixed-point smoother can be used to compute recursively the solution of a generalization of the deterministic least-squares problem.
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares f... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares filter estimate has a convenient recursive predictor/corrector format, aka the Kalman filter. The purpose of this paper is to show that the linear minimum variance distortionless response (MVDR) filter shares exactly the same recursion, except for the initialization which is based on a weighted least-squares estimator. If the MVDR filter is suboptimal in mean-squared error sense, it is an infinite impulse response distortionless filter (a deconvolver) which does not depend on the prior knowledge (first-and second-order statistics) on the initial state. In other words, the MVDR filter can be pre-computed and its behaviour can be assessed in advance independently of the prior knowledge on the initial state.
L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, t... more L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La dérive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener à une collision ou à une chute dans l'atmosphère. Les opérations de maintien à poste consistent donc à effectuer une mesure précise de la trajectoire du satellite puis à utiliser ses propulseurs pour corriger sa dérive. La solution classique de mesure de position est basée sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d'avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de façon espacées dans le temps. Un système de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelées Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une réduction importante des coûts de conception et de maintenance opérationnelle. Plusieurs études ont été menées en ce sens et les premiers systèmes de navigation, basés sur des récepteurs GPS, voient le jour. Un récepteur en mesure de traiter plusieurs systèmes de navigation, tel que GPS et Galileo, permettrait d'obtenir une meilleure disponibilité de service. En effet, le système Galileo est conçu pour être compatible avec le système GPS, tant en terme de signaux émis que de données de navigation. La connaissance permanente de la position permettrait alors de réaliser un contrôle asservit du maintien à poste. Dans un premier temps, nous avons défini quelles seront les spécifications d'un récepteur spatial multimission. En effet, les contraintes pesant sur un tel récepteur sont différentes de celles d'un récepteur situé à la surface de la Terre. L'analyse de ces contraintes, ainsi que des performances demandées à un système de positionnement, est donc nécessaire afin de déterminer les spécifications du futur récepteur. Il existe peu d'études sur le sujet. Certaines d'entre elles sont classées secret industriel, d'autres présentent, à notre avis, un biais d'analyse qui fausse la détermination des spécifications. Nous avons donc modélisé le système : orbites des satellites GNSS et des satellites récepteurs, liaison radiofréquence. Certains paramètres de cette liaison ne sont pas donnés dans les documents de spécifications ou les documents constructeurs. De plus, les données théoriques disponibles ne sont pas toujours pertinentes pour une modélisation réaliste. Nous avons donc dû estimer ces paramètres en utilisant des données disponibles. Le modèle a été ensuite utilisé afin de simuler divers scenarii représentatifs de futures missions. Après avoir défini des critères d'analyse, les spécifications ont été déterminées à partir des résultats des simulations. Le calcul d'une position par un système de navigation par satellite se déroule en trois phases principales. Pour chacune de ces phases, il existe plusieurs algorithmes possibles, présentant des caractéristiques différentes de performance, de taille de circuit ou de charge de calcul. L'essor de nouvelles applications basées sur la navigation entraine également le développement de nouveaux algorithmes adaptés. Nous présentons le principe permettant la détermination d'une position, puis les signaux de navigation GPS et Galileo. A partir de la structure des signaux, nous expliquons les phases de la démodulation et de la localisation. Grâce à l'utilisation des constellations GPS et Galileo, les algorithmes standards permettent d'atteindre les performances nécessaires pour des applications spatiales. Ces algorithmes nécessitent néanmoins d'être adaptés ; ainsi certaines parties ont été conçues spécifiquement. Afin de valider les choix d'algorithmes, et les paramètres liés aux spécifications, nous avons simulés les différentes phases de fonctionnement du récepteur en utilisant des signaux GPS réels. Pour terminer, les retombées et perspectives sont exposées dans la conclusion.
IEEE Transactions on Automatic Control, Apr 1, 2017
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares f... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least-mean-squares filter estimate has a convenient recursive predictor/corrector format, aka the Kalman filter. The purpose of this paper is to show that the linear minimum variance distortionless response (MVDR) filter shares exactly the same recursion, except for the initialization which is based on a weighted least-squares estimator. If the MVDR filter is sub-optimal in mean-squared error sense, it is an infinite impulse response distortionless filter (a deconvolver) which does not depend on the prior knowledge (first and second order statistics) on the initial state. In other words, the MVDR filter can be pre-computed and its behaviour can be assessed in advance independently of the prior knowledge on the initial state.
IEEE Transactions on Automatic Control, Jun 1, 2019
For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (... more For linear discrete state-space models, under certain conditions, the linear least mean squares (LLMS) filter estimate has a recursive format, a.k.a. the Kalman filter (KF). Interestingly, the linear minimum variance distortionless response (LMVDR) filter, when it exists, shares exactly the same recursion as the KF, except for the initialization. If LMVDR estimators are suboptimal in mean-squared error sense, they do not depend on the prior knowledge on the initial state. Thus, the LMVDR estimators may outperform the usual LLMS estimators in case of misspecification of the prior knowledge on the initial state. In this perspective, we establish the general conditions under which existence of the LMVDRF is guaranteed. An immediate benefit is the introduction of LMVDR fixed-point and fixed-lag smoothers (and possibly other smoothers or predictors), which has not been possible so far. Indeed, the LMVDR fixed-point smoother can be used to compute recursively the solution of a generalization of the deterministic least-squares problem.
L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, t... more L'orbite d'un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La dérive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener à une collision ou à une chute dans l'atmosphère. Les opérations de maintien à poste consistent donc à effectuer une mesure précise de la trajectoire du satellite puis à utiliser ses propulseurs pour corriger sa dérive. La solution classique de mesure de position est basée sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d'avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de façon espacées dans le temps. Un système de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelées Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une réduction importante des coûts de conception et de maintenance opérationnelle. Plusieurs études ont été menées en ce sens et les premiers systèmes de navigation, basés sur des récepteurs GPS, voient le jour. Un récepteur en mesure de traiter plusieurs systèmes de navigation, tel que GPS et Galileo, permettrait d'obtenir une meilleure disponibilité de service. En effet, le système Galileo est conçu pour être compatible avec le système GPS, tant en terme de signaux émis que de données de navigation. La connaissance permanente de la position permettrait alors de réaliser un contrôle asservit du maintien à poste. Dans un premier temps, nous avons défini quelles seront les spécifications d'un récepteur spatial multimission. En effet, les contraintes pesant sur un tel récepteur sont différentes de celles d'un récepteur situé à la surface de la Terre. L'analyse de ces contraintes, ainsi que des performances demandées à un système de positionnement, est donc nécessaire afin de déterminer les spécifications du futur récepteur. Il existe peu d'études sur le sujet. Certaines d'entre elles sont classées secret industriel, d'autres présentent, à notre avis, un biais d'analyse qui fausse la détermination des spécifications. Nous avons donc modélisé le système : orbites des satellites GNSS et des satellites récepteurs, liaison radiofréquence. Certains paramètres de cette liaison ne sont pas donnés dans les documents de spécifications ou les documents constructeurs. De plus, les données théoriques disponibles ne sont pas toujours pertinentes pour une modélisation réaliste. Nous avons donc dû estimer ces paramètres en utilisant des données disponibles. Le modèle a été ensuite utilisé afin de simuler divers scenarii représentatifs de futures missions. Après avoir défini des critères d'analyse, les spécifications ont été déterminées à partir des résultats des simulations. Le calcul d'une position par un système de navigation par satellite se déroule en trois phases principales. Pour chacune de ces phases, il existe plusieurs algorithmes possibles, présentant des caractéristiques différentes de performance, de taille de circuit ou de charge de calcul. L'essor de nouvelles applications basées sur la navigation entraine également le développement de nouveaux algorithmes adaptés. Nous présentons le principe permettant la détermination d'une position, puis les signaux de navigation GPS et Galileo. A partir de la structure des signaux, nous expliquons les phases de la démodulation et de la localisation. Grâce à l'utilisation des constellations GPS et Galileo, les algorithmes standards permettent d'atteindre les performances nécessaires pour des applications spatiales. Ces algorithmes nécessitent néanmoins d'être adaptés ; ainsi certaines parties ont été conçues spécifiquement. Afin de valider les choix d'algorithmes, et les paramètres liés aux spécifications, nous avons simulés les différentes phases de fonctionnement du récepteur en utilisant des signaux GPS réels. Pour terminer, les retombées et perspectives sont exposées dans la conclusion.
Time-Sensitive Networking (TSN) describes a set of features extending the functionalities and Qua... more Time-Sensitive Networking (TSN) describes a set of features extending the functionalities and Quality of Service (QoS) of standard Ethernet to enable determinism, reliability and reconfigurability, key requirements for Industry 4.0. The TSN profile for industrial automation (IEC/IEEE 60802 standard) defines specific options to favor reliability and reconfigurability. Nevertheless, there are multiple possible options for scheduling to guarantee determinism. Today, the scheduling standards in TSN can be categorized according to the implemented communication paradigm: asynchronous or synchronous. This paradigm is of utmost importance to quantify the synchronization need and the reconfigurability effort. The main contribution of this work is the specification of an asynchronous TSN-compliant network for Industry 4.0, FactoRing, that bridges the gap between both paradigms to guarantee low bounded jitters and latencies, without the need of synchronization and complex network planning. Moreover, FactoRing supports ring-based topologies to significantly reduce installation wiring and costs. In this paper, we first present the main industry 4.0 requirements and assess the ability of recommended TSN mechanisms for industrial automation versus such requirements. Afterwards, we detail the main features of Factoring including QoS, reliability and reconfiguration management. Finally, preliminary results on performance metrics like jitters, latencies and buffer usage are discussed and the first conclusions on the promises of Factoring to meet Industry 4.0 requirements are derived.
While hardware implementations allow the production of highly efficient and performance oriented ... more While hardware implementations allow the production of highly efficient and performance oriented designs, exploiting features such as parallelization, their longer time to code and implement often bottlenecks rapid prototyping. On the other hand, high-level synthesis (HLS) tools allow for faster experimentation of software code to a hardware platform while demonstrating a reasonable extrapolation of the expected hardware behavior. In this work, we attempt to show a rapid, fast prototyping of the well known HQC algorithm, using HLS, and show how with a modification of certain parameters, varying degrees of comparable results can be obtained. These results, in turn, could be used as a guide for HDL-RTL developers to enhance their designs and better prototyping time in the future. Additionally, we also demonstrate that it is possible to benefit from HQC's versatility; by achieving a low hardware footprint whilst also maintaining good performances, even on low-cost FPGA devices, which we demonstrate on the well known Artix-7 xc7a100t-ftg256-1.
HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe), 2008
Vincent Calmettes received a Ph.D. degree in signal processing from SUPAERO (ISAE), Toulouse, Fra... more Vincent Calmettes received a Ph.D. degree in signal processing from SUPAERO (ISAE), Toulouse, France. He is an engineer researcher in the laboratory of signals, communications, antenna and navigation, at ISAE. His research interests include the development of solutions based on DSP and programmable logic devices or ASICs for applications in Digital communications and Signal processing. He is currently working on new Galileo signal processing and GNSS receiver architectures. He is also involved in several projects devoted to positioning and attitude determination, including low cost MEMS sensors characterization and INS/GPS integration. Arnaud Dion has worked as a development engineer in a small company where he conducted projects based on FPGA. While working, he graduated from CNAM (French engineering school) in 2005. In October 2004, he joined ISAE (French Engineering school on Aeronautics and Space) as a project manager. His projects include electronic architecture design for a UAV (Unmanned Aerial Vehicle), FPGA and ASIC development. He is also involved in research activities in the frame of a Ph.D.
The increase in integration density and the requirement of low power supplies to reduce energy co... more The increase in integration density and the requirement of low power supplies to reduce energy consumption can make circuits more and more sensitive to hardware errors. The loss of robustness increases with process/voltage and temperature (PVT) variations. This demo presents a platform used first to implement a noiseless GPS receiver algorithm. Redundant mechanisms can be added, then, to the design to make the GPS receiver more resilient against upset errors due low supply voltage. The platform can be used, so, to evaluate the performance and the complexity of the proposed mechanisms.
Recurrent Neural Networks Analysis for Embedded Systems
Artificial Neural Networks (ANNs) are biologically inspired algorithms especially efficient for p... more Artificial Neural Networks (ANNs) are biologically inspired algorithms especially efficient for pattern recog- nition and data classification. In particular, Recurrent Neural Networks (RNN) are a specific type of ANNs which model and process sequences of data that have temporal relationship. Thus, it introduces interesting behavior for embedded systems applications such as autopilot systems. However, RNNs (and ANNs in gen- eral) are computationally intensive algorithms, especially to allow the network to learn. This implies a wise integration and proper analysis on the embedded systems that we gather these functionalities. We present in this paper an analysis of two types of Recurrent Neural Networks, Long-Short Term Memory (LSTM) and Gated-Recurrent Unit (GRU), explain their architectures and characteristics. We propose our dedicated implementation which is tested and validated on embedded system devices with a dedicated dataset
2018 26th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), 2018
In the context of linear discrete state-space (LDSS) models, we generalize a result lately introd... more In the context of linear discrete state-space (LDSS) models, we generalize a result lately introduced in the restricted case of invertible state matrices, namely that the linear minimum variance distortionless response (LMVDR) filter shares exactly the same recursion as the linear least mean squares (LLMS) filter, aka the Kalman filter (KF), except for the initialization. An immediate benefit is the introduction of LMVDR fixed-point and fixed-lag smoothers (and possibly other smoothers or predictors), which has not been possible so far. This result is particularly noteworthy given the fact that, although LMVDR estimators are sub-optimal in mean-squared error sense, they are infinite impulse response distortionless estimators which do not depend on the prior knowledge on the mean and covariance matrix of the initial state. Thus the LMVDR estimators may outperform the usual LLMS estimators in case of misspecification of the prior knowledge on the initial state. Seen from this perspective, we also show that the LMVDR filter can be regarded as a generalization of the information filter form of the KF. On another note, LMVDR estimators may also allow to derive unexpected results, as highlighted with the LMVDR fixed-point smoother.
L’orbite d’un satellite autour de la terre est perturbee en permanence par differents facteurs, t... more L’orbite d’un satellite autour de la terre est perturbee en permanence par differents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La derive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener a une collision ou a une chute dans l’atmosphere. Les operations de maintien a poste consistent donc a effectuer une mesure precise de la trajectoire du satellite puis a utiliser ses propulseurs pour corriger sa derive. La solution classique de mesure de position est basee sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d’avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de facon espacees dans le temps.Un systeme de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelees Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une reduction importante des couts de conception et de maintenance operationnelle. Plusieurs etudes ...
Reconfigurable navigation receiver for space applications
The orbit of a satellite around the earth is constantly disturbed by various factors, such as var... more The orbit of a satellite around the earth is constantly disturbed by various factors, such as variations in the gravitational field and the solar wind pressure. The drift of the satellite position can compromise the mission, and even lead to a crash or a fall in the atmosphere. The station-keeping operations therefore consist in performing an accurate measurement of the satellite trajectory and then in using its thrusters to correct the drift. The conventional solution is to measure the position with the help of a ground based radar. This solution is expensive and does not allow to have the satellite position permanently: the trajectory corrections are therefore infrequent. A positioning and autonomous navigation system using constellations of navigation satellites, called Global Navigation Satellite System (GNSS), allows a significant reduction in design and operational maintenance costs. Several studies have been conducted in this direction and the first navigation systems based o...
This paper presents a programmable DSP board developed for real-time estimation of rigid body ori... more This paper presents a programmable DSP board developed for real-time estimation of rigid body orientation. This work takes place in a research project carried out by students. The project consists of unmanned aerial vehicle’s (UAV) attitude estimation. This estimation is processed by an Inertial Reference System (IRS) including the TMS320F2812 processor, low cost integrated Micro Electro Mechanical Systems (iMEMS) such as accelerometers and gyroscopes, temperature sensors, and magnetometers. Gyroscopes provide angular velocities that can be integrated to yield orientation. Accelerometers and magnetometers, pointing to gravity direction and north direction enables drift compensation. So the system performs a drift-free attitude estimation using quaternions for rotations representation. One benefit of this system is that it enables high integration by exploiting the processor’s capacities for sensors interfacing. Moreover it takes advantage of the high performance processor to achieve...
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Papers by Arnaud Dion