Consolidation and assessment of a technique to provide fast and precise point positioning (Fast-PPP)

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPCPremi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit de CiènciesThe research of this paper-based dissertation is focused on the Fast Precise Point Positioning (Fast-PPP) technique. The novelty relies on using an accurate ionosphere model, in combination with the standard precise satellite clock and orbit products, to reduce the convergence time of state-of-the-art high-accuracy navigation techniques from approximately one hour to few minutes. My first contribution to the Fast-PPP technique as a Ph.D. student has been the design and implementation of a novel user navigation filter, based on the raw treatment of undifferenced multi-frequency code and carrier-phase Global Navigation Satellite System (GNSS) measurements. The innovative strategy of the filter avoids applying the usual ionospheric-free combination to the GNSS observables, exploiting the full capacity of new multi-frequency signals and increasing the robustness of Fast-PPP in challenging environments where the sky visibility is reduced. It has been optimised to take advantage of the corrections required to compensate the delays (i.e., errors) affecting the GNSS signals. The Fast-PPP corrections, and most important, their corrections uncertainties (i.e., the confidence bounds) are added as additional equations in the navigation filter to obtain Precise Point Positioning (PPP) in few minutes. A second contribution performed with the new user filter, has been the consolidation of the precise ionospheric modelling of Fast-PPP and its extension from a regional to a global scale. The correct use of the confidence bounds has been found of great importance when navigating in the low-latitude areas of the equator, where the ionosphere is difficult to be accurately modelled. Even in such scenario, a great consistency has been achieved between the actual positioning errors with respect to the formal errors, as demonstrated using similar figures of merit used in civil aviation, as the Stanford plot. A third contribution within this dissertation has been the characterisation of the accuracy of different ionospheric models currently used in GNSS. The assessment uses actual, unambiguous and undifferenced carrier-phase measurements, thanks to the centimetre-level modelling capability within the Fast-PPP technique. Not only the errors of the ionosphere models have been quantified in absolute and relative terms, but also, their effect on navigation.La investigació d'aquesta Tesi Doctoral per compendi d'articles es centra en la tècnica de ràpid Posicionament de Punt Precís (Fast-PPP). La novetat radica en l'ús d'un model ionosfèric precís que, combinat amb productes estàndard de rellotge i de l'òrbita de satèl·lit, redueix el temps de convergència de les actuals tècniques de navegació precisa d'aproximadament una hora a pocs minuts. La meva primera contribució a la tècnica Fast-PPP com a estudiant de Doctorat ha estat el disseny i la implementació d'un filtre de navegació d'usuari innovador, basat en el tractament de múltiples freqüències de mesures de codi i fase sense diferenciar (absolutes). La estratègia del filltre de navegació evita l'aplicació de l'habitual combinació lineal lliure de ionosfera per a aquests observables. Així, s'explota la capacitat completa dels senyals multi-freqüència en el nous Sistemes Globals de Navegació per Satèl·lit (GNSS) i s'augmenta la robustesa del Fast-PPP en entorns difícils, on es redueix la visibilitat del cel. S'ha optimitzat per tal de prendre avantatge de les correccions necessàries per a compensar els retards (és a dir, els errors) que afecten els senyals GNSS. Les correccions de Fast-PPP i més important, les seves incerteses (és a dir, els intervals de confiança) s'afegeixen com a equacions addicionals al filltre per aconseguir Posicionat de Punt Precís (PPP) en pocs minuts. La segona contribució ha estat la consolidació del modelat ionosfèric precís de Fast-PPP i la seva extensió d'un abast regional a una escala global. La correcta determinació i ús dels intervals de confiança de les correccions Fast-PPP ha esdevingut de gran importància a l'hora de navegar en zones de baixa latitud a l'equador, on la ionosfera és més difícil de modelar amb precisió. Fins i tot en aquest escenari, s'ha aconseguit una gran consistència entre els errors de posicionament reals i els nivells de protecció dels usuaris de Fast-PPP, tal com s'ha demostrat amb figures de mèrit similars a les utilitzades en l'aviació civil (els diagrames de Stanford). La tercera contribució d'aquesta Tesi Doctoral ha estat la caracterització de l'exactitud dels models ionosfèrics utilitzats actualment en GNSS. L'avaluació utilitza mesures de fase, sense ambigüitats i sense diferenciar, gràcies a la capacitat de modelatge centimètric emprat a la tècnica de Fast-PPP. No només els errors dels models de la ionosfera han estat quantificats en termes absoluts i relatius, sinó també, el seu efecte sobre la navegacióLa investigación de esta Tesis Doctoral, por compendio de artículos, se centra en la técnica de rápido Posicionamiento de Punto Preciso (Fast-PPP). La novedad, radica en el uso de un modelo ionosférico preciso que, combinado con productos estándard de reloj y órbita de satélite, reduce el tiempo de convergencia de las actuales técnicas de navegación precisa de una hora a pocos minutos.Mi primera contribución a la técnica Fast-PPP como estudiante de Doctorado ha sido el diseño y la implementación de un filtro de navegación de usuario innovador, basado en el tratamiento de múltiples frecuencias de medidas de código y fase sin diferenciar (absolutas). La estrategia del filtro de navegación evita la aplicación de la habitual combinación lineal libre de ionosfera para dichos observables. Así, se explota la capacidad de la señal multi-frecuencia en los nuevos Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) y se aumenta la robustez del Fast-PPP en entornos difíciles, donde se reduce la visibilidad del cielo. Se ha optimizado para tomar ventaja de las correcciones necesarias para compensar los retardos (es decir, los errores) que afectan las señales GNSS. Las correcciones de Fast-PPP y más importante, sus incertidumbres (es decir, los intervalos de confianza) se añaden como ecuaciones adicionales al filtro para conseguir Posicionamiento de Punto Preciso (PPP) en pocos minutos. La segunda contribución ha estado la consolidación del modelado ionosférico preciso de Fast-PPP y la extensión de su cobertura regional a una escala global. La correcta determinación y uso de los intervalos de confianza de las correcciones Fast-PPP ha sido de gran importancia a la hora de navegar en zonas de latitudes ecuatoriales, donde la ionosfera es más difícil de modelar con precisión. Incluso en dicho escenario, se ha conseguido una gran consistencia entre los errores de posicionamiento reales y los niveles de protección de los usuarios de Fast-PPP, tal como se ha demostrado con figuras de mérito similares a las utilizadas en la aviación civil (los diagramas de Stanford).La tercera contribución de esta Tesis Doctoral ha sido la caracterización de la exactitud de los modelos ionosféricos utilizados actualmente en GNSS. El método usa medidas de fase, sin ambigüedad y sin diferenciar, gracias a la capacidad de modelado centimétrico empleado en la técnica de Fast-PPP. No solo los errores de los modelos de la ionosfera han sido cuantificados en términos absolutos y relativos, sino también, su efecto sobre la navegación.Award-winningPostprint (published version

Assessing the quality of ionospheric models through GNSS positioning error: methodology and results

Single-frequency users of the global navigation satellite system (GNSS) must correct for the ionospheric delay. These corrections are available from global ionospheric models (GIMs). Therefore, the accuracy of the GIM is important because the unmodeled or incorrectly part of ionospheric delay contributes to the positioning error of GNSS-based positioning. However, the positioning error of receivers located at known coordinates can be used to infer the accuracy of GIMs in a simple manner. This is why assessment of GIMs by means of the position domain is often used as an alternative to assessments in the ionospheric delay domain. The latter method requires accurate reference ionospheric values obtained from a network solution and complex geodetic modeling. However, evaluations using the positioning error method present several difficulties, as evidenced in recent works, that can lead to inconsistent results compared to the tests using the ionospheric delay domain. We analyze the reasons why such inconsistencies occur, applying both methodologies. We have computed the position of 34 permanent stations for the entire year of 2014 within the last Solar Maximum. The positioning tests have been done using code pseudoranges and carrier-phase leveled (CCL) measurements. We identify the error sources that make it difficult to distinguish the part of the positioning error that is attributable to the ionospheric correction: the measurement noise, pseudorange multipath, evaluation metric, and outliers. Once these error sources are considered, we obtain equivalent results to those found in the ionospheric delay domain assessments. Accurate GIMs can provide single-frequency navigation positioning at the decimeter level using CCL measurements and better positions than those obtained using the dual-frequency ionospheric-free combination of pseudoranges. Finally, some recommendations are provided for further studies of ionospheric models using the position domain method.Peer ReviewedPostprint (published version

Fast precise point positioning: a system to provide corrections for single and multi-frequency navigation

Fast Precise Point Positioning (Fast-PPP) provides Global Navigation Satellite System corrections in real-time. Satellite orbits and clock corrections are shown to be accurate to a few centimeters and a few tenths of a nanosecond which, together with the determination of the fractional part of the ambiguities, enable global high-accuracy positioning with undifferenced Integer Ambiguity Resolution. The new global ionospheric model is shown to provide corrections accurate at the level of 1 Total Electron Content Unit over well-sounded areas and Differential Code Biases at the level of tenths of a nanosecond. These corrections are assessed with permanent receivers, treated as rovers, located at 100 to 800 kilometers from the reference stations of the ionospheric model. Fast-PPP achieves decimeter-level of accuracy after few minutes, several times faster than single- and dual-frequency ionospheric-free solutions, using a month of Global Positioning System data close to the last Solar Maximum and including equatorial rovers.Postprint (author's final draft

Array-Aided Multifrequency GNSS Ionospheric Sensing: Estimability and Precision Analysis

The dual-frequency Global Positioning System has proven to be an effective means of measuring the Earth's ionosphere and its total electron content (TEC). With the advent of multifrequency signals from more Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), the opportunity arises to construct many more ionosphere-sensing combinations of GNSS data. With such diversity, various estimable ionospheric delays with differing interpretations (and of different precision) can be formed. How such estimable ionospheric delays should be interpreted, and the extent to which they contribute to the precision with which the unbiased TEC can be estimated, are the topics of this paper. Based on multifrequency GNSS code-only, phase-only, and phase-and-code data, we derive the closed-form solutions of different types of ionospheric observables that each can serve as input of an externally provided ionospheric model for TEC determination. Within such a general least-squares framework, we generalize the widely used phase-to-code levelling technique to its multifrequency version. We also show that only certain specific linear combinations of the observables contribute to the TEC solutions. As a further improvement of the multifrequency GNSS-derived TEC solution, we propose and study the usage of an array of GNSS antennas. Analytical solutions, supported by numerical examples, of this array-based concept are presented, together with a discussion on its relevance for TEC determination. This concerns the roles of time averaging and time differencing, of integer ambiguity resolution, and of the number of frequencies and number of array antennas in determining TEC

A Worldwide ionospheric model for fast precise point positioning

Fast precise point positioning (Fast-PPP) is a satellite-based navigation technique using an accurate real-time ionospheric modeling to achieve high accuracy quickly. In this paper, an end-to-end performance assessment of Fast-PPP is presented in near-maximum Solar Cycle conditions; from the accuracy of the Central Processing Facility corrections, to the user positioning. A planetary distribution of permanent receivers including challenging conditions at equatorial latitudes, is navigated in pure kinematic mode, located from 100 to 1300 km away from the nearest reference station used to derive the ionospheric model. It is shown that satellite orbits and clocks accurate to few centimeters and few tenths of nanoseconds, used in conjunction with an ionosphere with an accuracy better than 1 Total Electron Content Unit (16 cm in L1) reduce the convergence time of dual-frequency Precise Point Positioning, to decimeter-level (3-D) solutions. Horizontal convergence times are shortened 40% to 90%, whereas the vertical components are reduced by 20% to 60%. A metric to evaluate the quality of any ionospheric model for Global Navigation Satellite System is also proposed. The ionospheric modeling accuracy is directly translated to mass-market single-frequency users. The 95th percentile of horizontal and vertical accuracies is shown to be 40 and 60 cm for single-frequency users and 9 and 16 cm for dual-frequency users. The tradeoff between the formal and actual positioning errors has been carefully studied to set realistic confidence levels to the corrections

A Worldwide ionospheric model for fast precise point positioning

Fast precise point positioning (Fast-PPP) is a satellite-based navigation technique using an accurate real-time ionospheric modeling to achieve high accuracy quickly. In this paper, an end-to-end performance assessment of Fast-PPP is presented in near-maximum Solar Cycle conditions; from the accuracy of the Central Processing Facility corrections, to the user positioning. A planetary distribution of permanent receivers including challenging conditions at equatorial latitudes, is navigated in pure kinematic mode, located from 100 to 1300 km away from the nearest reference station used to derive the ionospheric model. It is shown that satellite orbits and clocks accurate to few centimeters and few tenths of nanoseconds, used in conjunction with an ionosphere with an accuracy better than 1 Total Electron Content Unit (16 cm in L1) reduce the convergence time of dual-frequency Precise Point Positioning, to decimeter-level (3-D) solutions. Horizontal convergence times are shortened 40% to 90%, whereas the vertical components are reduced by 20% to 60%. A metric to evaluate the quality of any ionospheric model for Global Navigation Satellite System is also proposed. The ionospheric modeling accuracy is directly translated to mass-market single-frequency users. The 95th percentile of horizontal and vertical accuracies is shown to be 40 and 60 cm for single-frequency users and 9 and 16 cm for dual-frequency users. The tradeoff between the formal and actual positioning errors has been carefully studied to set realistic confidence levels to the corrections

Estudio, diseño e implementación de la capa física para comunicaciones remotas utilizando tecnología NVIS

En els últims anys, les xarxes de comunicacions IoT han millorat significativament, tant respecte a la cobertura com a l'eficiència i el rendiment. Encara que aquestes millores són molt rellevants, no cobreixen la totalitat del territori mundial. Zones molt aïllades del món, com els pols o zones muntanyenques de difícil accés, no disposen d'aquesta mena de cobertura de dades, ja que les característiques del terreny limiten l'accés dels dispositius IoT en aquests entorns. Actualment, les solucions existents se centren en les comunicacions per satèl·lit que, si bé permeten la comunicació en aquests escenaris, tenen un cost econòmic molt elevat. D'altra banda, una possible solució seria l'ús de comunicacions HF. Gràcies a aquesta mena de comunicació es poden aconseguir velocitats de fins a 100 kbps, segons els estàndards i recerques prèvies. Una de les aplicacions de les comunicacions HF és la comunicació a través de la ionosfera. Aquest tipus d'enllaços proporcionen unes característiques ideals per a les comunicacions a llarga distància. En els últims quatre anys, el grup de recerca en tecnologies d'Internet (GRITS) de l'Escola d'Enginyeria de La Salle (Universitat Ramon Llull), s'ha centrat en les comunicacions ionosfèriques i, especialment, en la tecnologia NVIS (Near Vertical Incidence Skywave). En particular, ha posat el seu focus en les comunicacions amb la Base Antàrtica Joan Carles I. Aquest tipus de comunicació HF ofereix unes característiques ideals per a les comunicacions remotes de llarg abast, amb un radi de fins a 350 km i sense necessitat de visió directa entre els diferents transceptors. L'objectiu d'aquesta tesi és definir el millor escenari de comunicacions amb tecnologia NVIS per a una xarxa de cobertura IoT en entorns remots. Una de les principals metes és la disminució del consum en potència dels dispositius remots. Això proporcionarà una comunicació de llarg abast i maximitzarà el temps de vida de la bateria per a aquesta mena de dispositius, un factor primordial per a comunicacions IoT. A més, la solució proposada intenta mitigar el sobrecost econòmic que implicaria l'ús dels satèl·lits com a mitjà de comunicació, adaptant el desenvolupament de la tecnologia a dispositius de baix cost. Com a factor principal de millora, aquesta tesi se centra en la definició d'una capa física adaptada a l'entorn de comunicació NVIS. Per a optimitzar aquest enllaç, s'estudien les principals característiques d'un entorn wireless multicamí, el Doppler Shift, Doppler i Delay Spread, la qual cosa permet definir els temps de trama més adaptats a aquest canal. D'altra banda, es comparen les característiques de les modulacions QAM, PSK i FSK (d'ordre 2 a 32) en transmissions de molt baixa potència (de 0,5 W a 25 W) i en un entorn multicamí. Aquesta anàlisi permetrà definir la millor trama de comunicació, establint la capa física per a comunicacions NVIS en entorns remots. Finalment, i per a demostrar la viabilitat de la tecnologia desenvolupada en un entorn civil, es defineix i implementa un procés de transferència de coneixements del món acadèmic al món empresarial. S'estudien els diferents mercats on es podrien integrar aquest tipus de comunicacions, i es defineix una proposta de valor per al mercat de les comunicacions remotes, tot això amb la finalitat d'arribar a una conclusió tant de viabilitat econòmica com de necessitat de la tecnologia per a un escenari d'ús civil.En los últimos años, las redes de comunicaciones IoT han mejorado significativamente, tanto con respecto a la cobertura como a la eficiencia y el rendimiento. Aunque estas mejoras son muy relevantes, no cubren la totalidad del territorio mundial. Zonas muy aisladas del mundo, como los polos o zonas montañosas de difícil acceso, no disponen de este tipo de cobertura de datos, ya que las características del terreno limitan el acceso de los dispositivos IoT en estos entornos. Actualmente, las soluciones existentes se centran en las comunicaciones por satélite que, si bien permiten la comunicación en estos escenarios, tienen un coste económico muy elevado. Por otra parte, una posible solución sería el uso de comunicaciones HF. Gracias a este tipo de comunicación se pueden alcanzar velocidades de hasta 100 kbps, según los estándares e investigaciones previas. Una de las aplicaciones de las comunicaciones HF es la comunicación a través de la ionosfera. Este tipo de enlaces proporcionan unas características ideales para las comunicaciones a larga distancia. En los últimos cuatro años, el grupo de investigación en tecnologías de Internet (GRITS) de la Escuela de Ingeniería de La Salle (Universidad Ramon Llull), se ha centrado en las comunicaciones ionosféricas y, especialmente, en la tecnología NVIS (Near vertical incidence skywave). En particular, ha puesto su foco en las comunicaciones con la Base Antártica Juan Carlos I. Este tipo de comunicación HF ofrece unas características ideales para las comunicaciones remotas de largo alcance, con un radio de hasta 350 km y sin necesidad de visión directa entre los diferentes transceptores. El objetivo de esta tesis es definir el mejor escenario de comunicaciones con tecnología NVIS para una red de cobertura IoT en entornos remotos. Una de las principales metas es la disminución del consumo en potencia de los dispositivos remotos. Esto proporcionará una comunicación de largo alcance y maximizará el tiempo de vida de la batería para este tipo de dispositivos, un factor primordial para comunicaciones IoT. Además, la solución propuesta intenta mitigar el sobrecoste económico que implicaría el uso de los satélites como medio de comunicación, adaptando el desarrollo de la tecnología a dispositivos de bajo coste. Como factor principal de mejora, esta tesis se centra en la definición de una capa física adaptada al entorno de comunicación NVIS. Para optimizar este enlace, se estudian las principales características de un entorno wireless multitrayecto, el Doppler Shift, Doppler y Delay Spread, lo cual permite definir los tiempos de trama más adaptados a este canal. Por otra parte, se comparan las características de las modulaciones QAM, PSK y FSK (de orden 2 a 32) en transmisiones de muy baja potencia (de 0,5 W a 25 W) y en un entorno multitrayecto. Este análisis permitirá definir la mejor trama de comunicación, estableciendo la capa física para comunicaciones NVIS en entornos remotos. Finalmente, y para demostrar la viabilidad de la tecnología desarrollada en un entorno industrial, se define e implementa un proceso de transferencia de conocimientos del mundo académico al mundo empresarial. Se estudian los diferentes mercados donde se podrían integrar este tipo de comunicaciones, y se define una propuesta de valor para el mercado de las comunicaciones remotas, todo ello con el fin de llegar a una conclusión tanto de viabilidad económica como de necesidad de la tecnología para un escenario de uso civil.In the last years, IoT communications networks have improved significantly, both in terms of coverage and in terms of efficiency and performance. Although these improvements are very relevant, they do not cover the entire world territory. Very isolated areas of the world, such as the poles or mountainous areas that are difficult to access, do not have this type of data coverage, as the terrain characteristics limit the access of IoT devices in these environments. Currently, existing solutions are focused on satellite communications that, although they allow communication in these scenarios, have a very high economic cost. On the other hand, a possible solution would be the use of HF communications. Thanks to this type of communication, speeds of up to 100 kbps can be achieved, according to standards and previous research. One of the applications of HF communications is communication through the ionosphere. This type of link provides ideal characteristics for long distance communications. In the last four years, the research group on Internet technologies (GRITS) at the La Salle School of Engineering (Ramon Llull University), has focused on ionospheric communications and, especially, on NVIS technology (Near Vertical Incidence Skywave). In particular, it has focused on communications with the Juan Carlos I Antarctic Base. This type of HF communication offers ideal characteristics for long-range remote communications, with a radius of up to 350 km and without the need for direct vision between the different transceivers. The purpose of this thesis is to define the best NVIS technology communications scenario for an IoT coverage network in remote environments. One of the main goals is to decrease the power consumption of remote devices. This will provide long range communication and maximize battery life for these types of devices, a major factor for IoT communications. In addition, the proposed solution attempts to mitigate the economic over-cost that would be involved in using satellites as a means of communication, by adapting the development of the technology to low-cost devices. As a main improvement factor, this thesis focuses on the definition of a physical layer adapted to the NVIS communication environment. In order to optimize this link, the main characteristics of a multipath wireless environment, the Doppler Shift, Doppler and Delay Spread, are studied, allowing the definition of the most adapted frame times for this channel. Furthermore, the characteristics of QAM, PSK and FSK modulations (from order 2 to 32) in very low power transmissions (from 0.5 W to 25 W) and in a multipath environment are compared. This analysis will allow to define the best communication frame, establishing the physical layer for NVIS communications in remote environments. Finally, and in order to demonstrate the viability of the technology developed in an industrial environment, a process of knowledge transfer from the academic world to the business world is defined and implemented. The different markets where this type of communications could be integrated are studied, and a value proposal for the remote communications market is defined, all with the aim of reaching a conclusion on both the economic viability and the need for the technology for a non-military use scenario