Network-based ionospheric gradient monitoring to support ground based augmentation systems

The Ground Based Augmentation System (GBAS) is a local-area, airport-based augmentation of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) that provides precision approach guidance for aircraft. It enhances GNSS performance in terms of integrity, continuity, accuracy, and availability by providing differential corrections and integrity information to aircraft users. Differential corrections enable the aircraft to correct spatially correlated errors, improving its position estimation. Integrity parameters enable it to bound the residual position errors, ensuring safety of the operation. Additionally, a GBAS ground station continuously monitors and excludes the satellites affected by any system failure to guarantee the system integrity and safety. Among the error sources of GNSS positioning, the ionosphere is the largest and most unpredictable. Under abnormal ionospheric conditions, large ionospheric gradients may produce a significant difference between the ionospheric delay observed by the GBAS reference station and the aircraft on approach. Such a spatially decorrelated ionosphere could lead to hazardous unbounded position errors if undetected. Conventional GBAS solutions to mitigate this threat assume that the “worstcase" ionospheric gradient ever observed in the relevant region is always present, which is a very conservative assumption. This approach, which relies on the conservative ionospheric threat models derived for GBAS, maximizes integrity, often at the expense of availability and continuity, especially in geographic areas with highly active ionosphere. As opposed to assuming a permanent “worst-case” gradient, I propose the Network GBAS concept, in which several reference stations collaborate to monitor for actual ionospheric gradients. This concept consists of two main steps. First, the network detects the anomalous ionospheric gradients, estimates the gradient parameters, and transmits this information to the GBAS stations installed in its coverage area. Then, the GBAS stations replace the “worst-case” gradient used to mitigate the ionospheric threat in current algorithms with the gradient information provided by the network. This approach reduces conservatism and leads to an improvement of the system availability without compromising user integrity. This thesis validated the performance of the detection and estimation algorithms with simulated and real ionospheric gradients from two different locations known for their high levels of ionospheric activity. One location was Alaska, where the analyzed real anomalous gradients were small in size but fast-moving; the other location was Brazil, dominated by large-but-slow anomalous gradients. This analysis led to the adaptation of the algorithms to work in challenging scenarios. The evaluation of the Network-GBAS concept compared in simulations the availability of a Category I (CAT I) GBAS station at the Brazil location in two cases: assuming the conservative ionospheric threat model, and using the gradient information provided by the network. On a selected nominal day (i.e., with no significant ionospheric activity), availability improved from 79.5% to 94.6% during the nighttime. On a selected active day, availability improved from 68.7% to 89.5% during the nighttime. During daytime, availability achieved 100% on both days. Results demonstrate that the Network-GBAS concept can significantly enhance CAT I GBAS availability in active ionospheric regions without compromising user integrity. Furthermore, by incorporating the information provided by the network into existing solutions, the Network-GBAS is compatible with existing algorithms and hardware, and thus should be certifiable if adapted to the characteristics of each region where GBAS is fielded.El Sistema d'augmentació basat en terra (GBAS per les sigles en anglès) és un sistema d'àrea local que s'instal·la als aeroports. GBAS augmenta els senyals dels Sistemes de Navegació Globals per Satèl·lit (GNSSs) i proporciona a les aeronaus la informació necessària per fer aproximacions de precisió. El seu objectiu principal és millorar el rendiment de GNSS en termes d'integritat, continuïtat, exactitud i disponibilitat, mitjançant la transmissió de correccions diferencials i paràmetres d'integritat. Les correccions diferencials permeten a l'aeronau millorar la exactitud de la seva posició. Els paràmetres d'integritat permeten calcular límits per als errors residuals de la posició. Addicionalment, l'estació GBAS monitoritza i exclou els satèl·lits afectats per qualsevol tipus de fallida del sistema per tal de garantir la integritat i la seguretat dels usuaris. Entre les fonts d'error de GNSS, la ionosfera és la més important i més impredictible. En condicions ionosfèriques anormals, grans gradients ionosfèrics poden produir una diferència significativa entre l'error ionosfèric observat per l'estació GBAS i l'aeronau. Si aquesta diferència no es detecta i mitiga, pot provocar grans errors en la posició de l'aeronau. Les solucions GBAS convencionals per mitigar aquesta amenaça assumeixen que sempre és present el gradient ionosfèric més gran mai observat a la regió pertinent, la qual cosa constitueix una suposició molt conservadora. Aquest enfocament, basat en els models conservadors d'amenaça ionosfèrica derivats per a GBAS, maximitza la integritat, sovint a costa de la disponibilitat i la continuïtat del sistema, especialment en zones geogràfiques amb una ionosfera molt activa. Per solucionar aquest problema, aquesta tesi proposa el concepte de ¿Network-GBAS¿, en què diverses estacions de referència col·laboren per monitoritzar els gradients ionosfèrics. Aquest concepte consta de dos passos. Primer, la xarxa detecta els gradients ionosfèrics, estima els seus paràmetres i transmet aquesta informació a les estacions GBAS instal·lades a la seva zona de cobertura. Tot seguit, les estacions GBAS substitueixen el valor del gradient basat en el model d'amenaça per la informació del gradient proporcionada per la xarxa. Aquest enfocament redueix el conservadorisme i condueix a una millora de la disponibilitat del sistema sense comprometre la integritat de l’usuari. Aquesta tesi valida el rendiment dels algorismes de detecció i estimació amb gradients ionosfèrics simulats i reals de dos llocs diferents coneguts pels alts nivells d'activitat ionosfèrica. Un dels llocs és Alaska, on els gradients anòmals reals analitzats són de petit tamany, però es mouen a altes velocitats; l'altre lloc és Brasil, on els gradients característics són de grans dimensions, però lents. L'avaluació del concepte de ¿Network-GBAS¿ compara en simulacions la disponibilitat d'una estació GBAS de categoria I (CAT I) situada a la ubicació del Brasil en dos casos: assumint el model conservador d'amenaça ionosfèrica, i utilitzant la informació del gradient proporcionada per la xarxa. En un dia nominal, seleccionat per a aquest estudi, la disponibilitat del sistema va millorar del 79,5% al 94,6% durant la nit. En un dia actiu, la disponibilitat va millorar del 68,7% al 89,5% durant la nit. Durant el dia, la disponibilitat va assolir el 100% en tots dos dies. Els resultats demostren que el concepte de “Network-GBAS” millora significativament la disponibilitat d'una estació GBAS CAT I en regions ionosfèriques actives sense comprometre la integritat de l'usuari. A més, en incorporar la informació proporcionada per la xarxa en les solucions existents, el “Network-GBAS” és compatible amb els algorismes i el "hardware" existents, per la qual cosa seria certificable si s'adapta a les característiques de cada regió on s'instal·li GBASEl Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS por sus siglas en inglés) en un sistema de área local que se instala en los aeropuertos. GBAS aumenta las señales de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSSs) y proporciona a las aeronaves la información necesaria para realizar aproximaciones de precisión. Su principal objetivo es mejorar el rendimiento de GNSS en términos de integridad, continuidad, exactitud y disponibilidad, mediante la transmisión de correcciones diferenciales y parámetros de integridad. Las correcciones diferenciales le permiten a la aeronave mejorar la exactitud de su posición. Los parámetros de integridad le permiten calcular límites para los errores residuales de posición. Adicionalmente, la estación GBAS monitoriza y excluye los satélites afectados por cualquier tipo de fallo en el sistema para garantizar la integridad y la seguridad de los usuarios. Entre las fuentes de error de GNSS, la ionosfera es la mayor y más impredecible. En condiciones ionosféricas anormales, los grandes gradientes ionosféricos pueden producir una diferencia significativa entre el error ionosférico observado por la estación GBAS y la aeronave. Si esta diferencia no se detecta y se mitiga, podría dar lugar a grandes errores en la posición de la aeronave. Las soluciones GBAS convencionales para mitigar esta amenaza asumen que el gradiente ionosférico más grande jamás observado en la región pertinente está siempre presente, lo cual es una suposición muy conservadora. Este enfoque, basado en los modelos conservadores de amenaza ionosférica derivados para GBAS, maximiza la integridad, a menudo a expensas de la disponibilidad y la continuidad del sistema, especialmente en zonas geográficas con una ionosfera muy activa. Para solucionar este problema, esta tesis propone el concepto de "Network-GBAS", en el que varias estaciones de referencia colaboran para monitorizar los gradientes ionosféricos. Este concepto consta de dos pasos. Primero, la red detecta los gradientes ionosféricos, estima sus parámetros y transmite esta información a las estaciones GBAS instaladas en su zona de cobertura. A continuación, las estaciones GBAS sustituyen el valor del gradiente basado en el modelo de amenaza por la información del gradiente proporcionada por la red. Este enfoque reduce el conservadurismo y conduce a una mejora de la disponibilidad del sistema sin comprometer la integridad del usuario. Esta tesis valida el rendimiento de los algoritmos de detección y estimación con gradientes ionosféricos simulados y reales de dos lugares diferentes conocidos por sus altos niveles de actividad ionosférica. Uno de los lugares es Alaska, en donde los gradientes anómalos reales analizados son de pequeño tamaño, pero se mueven a altas velocidades; el otro lugar es Brasil, en donde los gradientes característicos son de gran tamaño, pero lentos. La evaluación del concepto de “Network-GBAS" compara en simulaciones la disponibilidad de una estación GBAS de Categoría I (CAT I) situada en la ubicación de Brasil en dos casos: asumiendo el modelo conservador de amenaza ionosférica, y utilizando la información del gradiente proporcionada por la red. En un día nominal, seleccionado para este estudio, la disponibilidad del sistema mejoró del 79;5% al 94; 6% durante la noche. En un día activo, la disponibilidad mejoró del 68;7% al 89; 5% durante la noche. Durante el día, la disponibilidad alcanzó el 100% en ambos días. Los resultados demuestran que el concepto de “Network-GBAS" mejora significativamente la disponibilidad de una estación GBAS CAT I en regiones ionosféricas activas sin comprometer la integridad del usuario. Además, al incorporar la información proporcionada por la red en las soluciones existentes, el "Network-GBAS" es compatible con los algoritmos y el hardware existentes, por lo que sería certificable si se adapta a las características de cada región en la que se instale GBAS.Postprint (published version

Network-based ionospheric gradient monitoring to support ground based augmentation systems

The Ground Based Augmentation System (GBAS) is a local-area, airport-based augmentation of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) that provides precision approach guidance for aircraft. It enhances GNSS performance in terms of integrity, continuity, accuracy, and availability by providing differential corrections and integrity information to aircraft users. Differential corrections enable the aircraft to correct spatially correlated errors, improving its position estimation. Integrity parameters enable it to bound the residual position errors, ensuring safety of the operation. Additionally, a GBAS ground station continuously monitors and excludes the satellites affected by any system failure to guarantee the system integrity and safety. Among the error sources of GNSS positioning, the ionosphere is the largest and most unpredictable. Under abnormal ionospheric conditions, large ionospheric gradients may produce a significant difference between the ionospheric delay observed by the GBAS reference station and the aircraft on approach. Such a spatially decorrelated ionosphere could lead to hazardous unbounded position errors if undetected. Conventional GBAS solutions to mitigate this threat assume that the “worstcase" ionospheric gradient ever observed in the relevant region is always present, which is a very conservative assumption. This approach, which relies on the conservative ionospheric threat models derived for GBAS, maximizes integrity, often at the expense of availability and continuity, especially in geographic areas with highly active ionosphere. As opposed to assuming a permanent “worst-case” gradient, I propose the Network GBAS concept, in which several reference stations collaborate to monitor for actual ionospheric gradients. This concept consists of two main steps. First, the network detects the anomalous ionospheric gradients, estimates the gradient parameters, and transmits this information to the GBAS stations installed in its coverage area. Then, the GBAS stations replace the “worst-case” gradient used to mitigate the ionospheric threat in current algorithms with the gradient information provided by the network. This approach reduces conservatism and leads to an improvement of the system availability without compromising user integrity. This thesis validated the performance of the detection and estimation algorithms with simulated and real ionospheric gradients from two different locations known for their high levels of ionospheric activity. One location was Alaska, where the analyzed real anomalous gradients were small in size but fast-moving; the other location was Brazil, dominated by large-but-slow anomalous gradients. This analysis led to the adaptation of the algorithms to work in challenging scenarios. The evaluation of the Network-GBAS concept compared in simulations the availability of a Category I (CAT I) GBAS station at the Brazil location in two cases: assuming the conservative ionospheric threat model, and using the gradient information provided by the network. On a selected nominal day (i.e., with no significant ionospheric activity), availability improved from 79.5% to 94.6% during the nighttime. On a selected active day, availability improved from 68.7% to 89.5% during the nighttime. During daytime, availability achieved 100% on both days. Results demonstrate that the Network-GBAS concept can significantly enhance CAT I GBAS availability in active ionospheric regions without compromising user integrity. Furthermore, by incorporating the information provided by the network into existing solutions, the Network-GBAS is compatible with existing algorithms and hardware, and thus should be certifiable if adapted to the characteristics of each region where GBAS is fielded.El Sistema d'augmentació basat en terra (GBAS per les sigles en anglès) és un sistema d'àrea local que s'instal·la als aeroports. GBAS augmenta els senyals dels Sistemes de Navegació Globals per Satèl·lit (GNSSs) i proporciona a les aeronaus la informació necessària per fer aproximacions de precisió. El seu objectiu principal és millorar el rendiment de GNSS en termes d'integritat, continuïtat, exactitud i disponibilitat, mitjançant la transmissió de correccions diferencials i paràmetres d'integritat. Les correccions diferencials permeten a l'aeronau millorar la exactitud de la seva posició. Els paràmetres d'integritat permeten calcular límits per als errors residuals de la posició. Addicionalment, l'estació GBAS monitoritza i exclou els satèl·lits afectats per qualsevol tipus de fallida del sistema per tal de garantir la integritat i la seguretat dels usuaris. Entre les fonts d'error de GNSS, la ionosfera és la més important i més impredictible. En condicions ionosfèriques anormals, grans gradients ionosfèrics poden produir una diferència significativa entre l'error ionosfèric observat per l'estació GBAS i l'aeronau. Si aquesta diferència no es detecta i mitiga, pot provocar grans errors en la posició de l'aeronau. Les solucions GBAS convencionals per mitigar aquesta amenaça assumeixen que sempre és present el gradient ionosfèric més gran mai observat a la regió pertinent, la qual cosa constitueix una suposició molt conservadora. Aquest enfocament, basat en els models conservadors d'amenaça ionosfèrica derivats per a GBAS, maximitza la integritat, sovint a costa de la disponibilitat i la continuïtat del sistema, especialment en zones geogràfiques amb una ionosfera molt activa. Per solucionar aquest problema, aquesta tesi proposa el concepte de ¿Network-GBAS¿, en què diverses estacions de referència col·laboren per monitoritzar els gradients ionosfèrics. Aquest concepte consta de dos passos. Primer, la xarxa detecta els gradients ionosfèrics, estima els seus paràmetres i transmet aquesta informació a les estacions GBAS instal·lades a la seva zona de cobertura. Tot seguit, les estacions GBAS substitueixen el valor del gradient basat en el model d'amenaça per la informació del gradient proporcionada per la xarxa. Aquest enfocament redueix el conservadorisme i condueix a una millora de la disponibilitat del sistema sense comprometre la integritat de l’usuari. Aquesta tesi valida el rendiment dels algorismes de detecció i estimació amb gradients ionosfèrics simulats i reals de dos llocs diferents coneguts pels alts nivells d'activitat ionosfèrica. Un dels llocs és Alaska, on els gradients anòmals reals analitzats són de petit tamany, però es mouen a altes velocitats; l'altre lloc és Brasil, on els gradients característics són de grans dimensions, però lents. L'avaluació del concepte de ¿Network-GBAS¿ compara en simulacions la disponibilitat d'una estació GBAS de categoria I (CAT I) situada a la ubicació del Brasil en dos casos: assumint el model conservador d'amenaça ionosfèrica, i utilitzant la informació del gradient proporcionada per la xarxa. En un dia nominal, seleccionat per a aquest estudi, la disponibilitat del sistema va millorar del 79,5% al 94,6% durant la nit. En un dia actiu, la disponibilitat va millorar del 68,7% al 89,5% durant la nit. Durant el dia, la disponibilitat va assolir el 100% en tots dos dies. Els resultats demostren que el concepte de “Network-GBAS” millora significativament la disponibilitat d'una estació GBAS CAT I en regions ionosfèriques actives sense comprometre la integritat de l'usuari. A més, en incorporar la informació proporcionada per la xarxa en les solucions existents, el “Network-GBAS” és compatible amb els algorismes i el "hardware" existents, per la qual cosa seria certificable si s'adapta a les característiques de cada regió on s'instal·li GBASEl Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS por sus siglas en inglés) en un sistema de área local que se instala en los aeropuertos. GBAS aumenta las señales de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSSs) y proporciona a las aeronaves la información necesaria para realizar aproximaciones de precisión. Su principal objetivo es mejorar el rendimiento de GNSS en términos de integridad, continuidad, exactitud y disponibilidad, mediante la transmisión de correcciones diferenciales y parámetros de integridad. Las correcciones diferenciales le permiten a la aeronave mejorar la exactitud de su posición. Los parámetros de integridad le permiten calcular límites para los errores residuales de posición. Adicionalmente, la estación GBAS monitoriza y excluye los satélites afectados por cualquier tipo de fallo en el sistema para garantizar la integridad y la seguridad de los usuarios. Entre las fuentes de error de GNSS, la ionosfera es la mayor y más impredecible. En condiciones ionosféricas anormales, los grandes gradientes ionosféricos pueden producir una diferencia significativa entre el error ionosférico observado por la estación GBAS y la aeronave. Si esta diferencia no se detecta y se mitiga, podría dar lugar a grandes errores en la posición de la aeronave. Las soluciones GBAS convencionales para mitigar esta amenaza asumen que el gradiente ionosférico más grande jamás observado en la región pertinente está siempre presente, lo cual es una suposición muy conservadora. Este enfoque, basado en los modelos conservadores de amenaza ionosférica derivados para GBAS, maximiza la integridad, a menudo a expensas de la disponibilidad y la continuidad del sistema, especialmente en zonas geográficas con una ionosfera muy activa. Para solucionar este problema, esta tesis propone el concepto de "Network-GBAS", en el que varias estaciones de referencia colaboran para monitorizar los gradientes ionosféricos. Este concepto consta de dos pasos. Primero, la red detecta los gradientes ionosféricos, estima sus parámetros y transmite esta información a las estaciones GBAS instaladas en su zona de cobertura. A continuación, las estaciones GBAS sustituyen el valor del gradiente basado en el modelo de amenaza por la información del gradiente proporcionada por la red. Este enfoque reduce el conservadurismo y conduce a una mejora de la disponibilidad del sistema sin comprometer la integridad del usuario. Esta tesis valida el rendimiento de los algoritmos de detección y estimación con gradientes ionosféricos simulados y reales de dos lugares diferentes conocidos por sus altos niveles de actividad ionosférica. Uno de los lugares es Alaska, en donde los gradientes anómalos reales analizados son de pequeño tamaño, pero se mueven a altas velocidades; el otro lugar es Brasil, en donde los gradientes característicos son de gran tamaño, pero lentos. La evaluación del concepto de “Network-GBAS" compara en simulaciones la disponibilidad de una estación GBAS de Categoría I (CAT I) situada en la ubicación de Brasil en dos casos: asumiendo el modelo conservador de amenaza ionosférica, y utilizando la información del gradiente proporcionada por la red. En un día nominal, seleccionado para este estudio, la disponibilidad del sistema mejoró del 79;5% al 94; 6% durante la noche. En un día activo, la disponibilidad mejoró del 68;7% al 89; 5% durante la noche. Durante el día, la disponibilidad alcanzó el 100% en ambos días. Los resultados demuestran que el concepto de “Network-GBAS" mejora significativamente la disponibilidad de una estación GBAS CAT I en regiones ionosféricas activas sin comprometer la integridad del usuario. Además, al incorporar la información proporcionada por la red en las soluciones existentes, el "Network-GBAS" es compatible con los algoritmos y el hardware existentes, por lo que sería certificable si se adapta a las características de cada región en la que se instale GBAS.Ciència i tecnologia aeroespacial

ESTIMATION AND ANALYSIS OF PROTECTION LEVELS FOR PRECISE APPROACH AT RIO DE JANEIRO INTERNATIONAL AIRPORT USING REAL TIME σVIG FOR EACH GPS AND GLONASS SATELLITE

Determinations of the vertical ionospheric gradient standard deviation (σvig) in real time to each Global Positioning System (GPS) and Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) satellite available in Ground-Based Augmentation System (GBAS) of the Rio de Janeiro International Airport (SBGL) were used in the estimates of Horizontal and Vertical Protection Level (HPL/VPL). For this purpose two software were developed: MoR_Ion_RT (real time ionospheric threat assessment for GBAS in Brazil) and SBGL_PL (calculation of SBGL HPL/VPL), whose methods and equations are presented in this paper. Since such determinations transmit the real ionospheric condition at the time of an approaching aircraft, they also allow performing the screening of the data, based on the Conterminous United States (CONUS) Threat Model threshold. Experiments carried out indicate that it is possible to attend CAT-I during the autumn (most affected season) at SBGL using GPS or GLONASS satellites, provided that the restrictions established by a temporal ionospheric threat model developed for the region are applied (avoid satellites with elevations between 10° and 37°). It was also found that the use of GLONASS in conjunction with GPS satellites makes it possible to meet CAT-III Horizontal and Vertical Alert Limit (HAL/VAL), since it has a better geometric configuration

Processing and integrity of DC/DF GBAS for CAT II/III operations

In Civil Aviation domain, to cope with the increasing traffic demand, research activities are pointed toward the optimization of the airspace capacity. Researches are thus ongoing on all Civil Aviation areas: Communication, Navigation, Surveillance (CNS) and Air Traffic Management (ATM). Focusing on the navigation aspect, the goals are expected to be met by improving performances of the existing services through the developments of new NAVigation AIDS (NAVAIDS) and the definition of new procedures based on these new systems. The Global Navigation Satellite System (GNSS) is recognized as a key technology in providing accurate navigation services with a worldwide coverage. The GNSS concept was defined by the International Civil Aviation Organization (ICAO). A symbol of its importance, in civil aviation, can be observed in the avionics of new civil aviation aircraft since a majority of them are now equipped with GNSS receivers. The GNSS concept includes the provision of an integrity monitoring function by an augmentation system in addition to the core constellations. This is needed to meet all the required performance metrics of accuracy, integrity, continuity and availability which cannot be met by the stand-alone constellations such as GPS. Three augmentation systems have been developed within civil aviation: the GBAS (Ground Based Augmentation System), the SBAS (Satellite Based Augmentation System) and the ABAS (Aircraft Based Augmentation System). GBAS, in particular, is currently standardized to provide precision approach navigation services down to Category I (CAT I) using GPS or Glonass constellations and L1 band signals. This service is known as GBAS Approach Service Type-C (GAST-C). In order to extend this concept down to CAT II/III service, research activities is ongoing to define the new service called a GAST-D. Among other challenges, the monitoring of the ionospheric threat is the area where the integrity requirement is not met. Thanks to the deployment of new constellations, Galileo and Beidou, and the modernization process of the existing ones, GPS and Glonass, the future of GNSS is envisaged to be Multi-Constellation (MC) and Multi-frequency (MF). In Europe, research activities have been focused on a Dual-Constellation (DC) GNSS and DC GBAS services based on GPS and Galileo constellations. Moreover, to overcome the problems experienced by Single-Frequency (SF) GBAS due to ionosphere anomalies, the use of two frequencies (Dual Frequency, DF) has been selected as a mean to improve ionosphere anomalies detection and to mitigate ionosphere residual errors. Advantages in using a DC/DF GBAS (GAST-F) system are, however, not only related to the integrity monitoring performance improvement. Benefits, brought by DC and DF, are also related to •the robustness of the entire system against unintentional interference thanks to the use of measurements in two protected frequency bands, •the robustness against a constellation failure, •the accuracy improvement by using new signals with improved performance, and more satellites. However, the use of new signals and a new constellation, does not bring only benefits. It also raises a series of challenges that have to be solved to fully benefit from the new concept. In this thesis, some challenges, related to DC/DF GBAS, have been investigated. One of them, rising from the use of new GNSS signals, is to determine the impact of error sources that are uncorrelated between the ground station and the aircraft and that induce an error on the estimated position. Using two frequencies, there is the possibility to form measurement combinations like Divergence-free (D-free) and Ionosphere-free (I-free) for which the errors impact has to be analyzed. In this thesis, the impact of the uncorrelated errors (noise and multipath as main sources) on ground measurements is analyzed. The aim is to compare the derived performances with the curve proposed in (RTCA,Inc DO-253C, 2008) for th

Ionosphere Monitoring with Remote Sensing

This book focuses on the characterization of the physical properties of the Earth’s ionosphere, contributing to unveiling the nature of several processes responsible for a plethora of space weather-related phenomena taking place in a wide range of spatial and temporal scales. This is made possible by the exploitation of a huge amount of high-quality data derived from both remote sensing and in situ facilities such as ionosondes, radars, satellites and Global Navigation Satellite Systems receivers

Utilisation des signaux GNSS et de leurs augmentations pour l'Aviation Civile lors d'approches avec guidage vertical et d'approches de précision

Since many years, civil aviation has identified GNSS as an attractive mean to provide navigation services for every phase of flight due to its wide coverage area. However, to do so, GNSS has to meet relevant requirements in terms of accuracy, integrity, availability and continuity. To achieve this performance, augmentation systems have been developed to correct the GNSS signals and to monitor the quality of the received Signal-In-Space (SIS). We can distinguish GBAS (Ground Based Augmentation Systems), ABAS (Airborne Based Augmentation Systems) SBAS (Satellite Based Augmentation Systems). In this context, the aim of this study is to characterize and evaluate the GNSS position error of various positioning solutions which may fulfil applicable civil aviation requirements for GNSS approaches. In particular, this study focuses on two particular solutions which are: • Combined GPS/GALILEO receivers augmented by RAIM where RAIM is a type of ABAS augmentation. This solution is a candidate to provide a mean to conduct approaches with vertical guidance (APV I, APV II and LPV 200). • GPS L1 C/A receivers augmented by GBAS. This solution should allow to conduct precision approaches down to CAT II/III, thus providing an alternative to classical radio navigation solutions such as ILS. This study deals with the characterization of the statistics of the position error at the output of these GNSS receivers. It is organised as following. First a review of civil aviation requirements is presented. Then, the different GNSS signals structure and the associated signal processing selected are described. We only considered GPS and GALILEO constellations and concentrated on signals suitable for civil aviation receivers. The next section details the GNSS measurement models used to model the measurements made by civil aviation receivers using the previous GNSS signals. The following chapter presents the GPS/GALILEO and RAIM combination model developed as well as our conclusions on the statistics of the resulting position error. The last part depicts the GBAS NSE (Navigation System Error) model proposed in this report as well as the rationales for this model.La navigation par satellite, Global Navigation Satellite System, a été reconnue comme une solution prometteuse afin de fournir des services de navigation aux utilisateurs de l'Aviation Civile. Ces dernières années, le GNSS est devenu l'un des moyens de navigation de référence, son principal avantage étant sa couverture mondiale. Cette tendance globale est visible à bord des avions civils puisqu'une majorité d'entre eux est désormais équipée de récepteurs GNSS. Cependant, les exigences de l'Aviation Civile sont suffisamment rigoureuses et contraignantes en termes de précision de continuité, de disponibilité et d'intégrité pour que les récepteurs GPS seuls ne puissent être utilisés comme unique moyen de navigation. Cette réalité a mené à la définition de plusieurs architectures visant à augmenter les constellations GNSS. Nous pouvons distinguer les SBAS (Satellite Based Augmentation Systems), les GBAS (Ground Based Augmentation Systems), et les ABAS (Aircraft Based Augmentation Systems). Cette thèse étudie le comportement de l'erreur de position en sortie d'architectures de récepteur qui ont été identifiées comme étant très prometteuses pour les applications liées à l'Aviation civile

Examination of Autonomous GPS and GPS/EGNOS Integrity and Accuracy for Aeronautical Applications

The Global Navigation Satellite System (GNSS) is increasinglyused in navigation and positioning in land, water and air applications.Although they are very useful and willingly employedin everyday live and commercial products, it must be stressedthat GNSS alone does not always provide adequate performance,particularly in demanding aeronautical applicationswhere high level of integrity is required. Integrity and accuracyof positioning are the key parameters in air navigation.The paper presents research on current values of GNSS accuracyand integrity in north-eastern Poland, the region whichuntil 2014 was out of official coverage of European GeostationaryNavigation Overlay Service (EGNOS) Open Service (OS).The integrity and accuracy of positioning of static point andflying aircraft was examined in order to check present usabilityof different GNSS techniques which can be deployed for enroute,approach and landing phase of a flight. Since the integritylevels in aviation are strictly dependent on the phase offlight and landing of an aircraft, the analyses were performedin two computational modes: positioning using GPS/EGNOSdata and using autonomous GPS. Both modes were calculatedin en-route variant and because with the use of EGNOS it ispossible to perform approach, GPS/EGNOS mode was alsoanalyzed in Precision Approach (PA) variant. Overall assessmentof the accuracy and integrity of positioning in the studiedvariants is at the satisfactory level, not exceeding the levelsdefined by official aviation regulations.

Use of GNSS signals and their augmentations for Civil Aviation navigation during Approaches with Vertical Guidance and Precision Approaches

Since many years, civil aviation has identified GNSS as an attractive mean to provide navigation services for every phase of flight due to its wide coverage area. However, to do so, GNSS has to meet relevant requirements in terms of accuracy, integrity, availability and continuity. To achieve this performance, augmentation systems have been developed to correct the GNSS signals and to monitor the quality of the received Signal-In-Space (SIS). We can distinguish GBAS (Ground Based Augmentation Systems), ABAS (Airborne Based Augmentation Systems) SBAS (Satellite Based Augmentation Systems). In this context, the aim of this study is to characterize and evaluate the GNSS position error of various positioning solutions which may fulfil applicable civil aviation requirements for GNSS approaches. In particular, this study focuses on two particular solutions which are: • Combined GPS/GALILEO receivers augmented by RAIM where RAIM is a type of ABAS augmentation. This solution is a candidate to provide a mean to conduct approaches with vertical guidance (APV I, APV II and LPV 200). • GPS L1 C/A receivers augmented by GBAS. This solution should allow to conduct precision approaches down to CAT II/III, thus providing an alternative to classical radio navigation solutions such as ILS. This study deals with the characterization of the statistics of the position error at the output of these GNSS receivers. It is organised as following. First a review of civil aviation requirements is presented. Then, the different GNSS signals structure and the associated signal processing selected are described. We only considered GPS and GALILEO constellations and concentrated on signals suitable for civil aviation receivers. The next section details the GNSS measurement models used to model the measurements made by civil aviation receivers using the previous GNSS signals. The following chapter presents the GPS/GALILEO and RAIM combination model developed as well as our conclusions on the statistics of the resulting position error. The last part depicts the GBAS NSE (Navigation System Error) model proposed in this report as well as the rationales for this model