15 research outputs found

    GNSS Signals Acquisition and Tracking in Unfavorable Environment

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    In this paper, we propose a method based on applying specific transformations to the Global Navigation Satellite System (GNSS) signals received in unfavorable environment. As a result, one simple classical receiver including these adjustments becomes sensitive to several Multi-Constellation and Multi-Frequency (MC/MF) GNSS signals and achieves efficiently their collective acquisition. The proposed method consists of three variants each dedicated to a particular type of Binary Offset Carrier (BOC) family signals; the primary is based on undersampling process, the second is founded on time expansion and the last one permits the acquisition of more than five different GNSS signals by a single local Composite Binary Coded Symbols (CBCS) waveform replica. Hence, the proposed scheme, by avoiding the use of multiple demodulators in the baseband, allows less receiver complexity and accordingly better realization cost. The simulation results showed that the proposed method presents an effective solution for the reception of MC/MF signals in unfavorable environments

    Modes dégradés résultant de l'utilisation multi constellation du GNSS

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    Actuellement, on constate dans le domaine de la navigation, un besoin croissant de localisation par satellites. Apres une course a l'amelioration de la precision (maintenant proche de quelques centimetres grace a des techniques de lever d'ambiguite sur des mesures de phase), la releve du nouveau defi de l'amelioration de l'integrite du GNSS (GPS, Galileo) est a present engagee. L'integrite represente le degre de confiance que l'on peut placer dans l'exactitude des informations fournies par le systeme, ainsi que la capacite a avertir l'utilisateur d'un dysfonctionnement du GNSS dans un delai raisonnable. Le concept d'integrite du GNSS multi-constellation necessite une coordination au niveau de l'architecture des futurs recepteurs combines (GPS-Galileo). Le fonctionnement d'un tel recepteur dans le cas de passage du systeme multi-constellation en mode degrade est un probleme tres important pour l'integrite de navigation. Cette these se focalise sur les problemes lies a la navigation aeronautique multiconstellation et multi-systeme GNSS. En particulier, les conditions de fourniture de solution de navigation integre sont evaluees durant la phase d'approche APV I (avec guidage vertical). En disposant du GPS existant, du systeme Galileo et d'un systeme complementaire geostationnaire (SBAS), dont les satellites emettent sur des frequences aeronautiques en bande ARNS, la question fondamentale est comment tirer tous les benefices d'un tel systeme multi-constellation pour un recepteur embarque a bord d'un avion civil. En particulier, la question du maintien du niveau de performance durant cette phase de vol APV, en termes de precision, continuite, integrite et disponibilite, lorsque l'une des composantes du systeme est degradee ou perdu, doit etre resolue. L'objectif de ce travail de these est donc d'etudier la capacite d'un recepteur combine avionique d'effectuer la tache de reconfiguration de l'algorithme de traitement apres l'apparition de pannes ou d'interferences dans une partie du systeme GNSS multiconstellation et d'emettre un signal d'alarme dans le cas ou les performances de la partie du systeme non contaminee ne sont pas suffisantes pour continuer l'operation en cours en respectant les exigences de l'aviation civile. Egalement, l'objectif de ce travail est d'etudier les methodes associees a l'execution de cette reconfiguration pour garantir l'utilisation de la partie du systeme GNSS multi-constellation non contaminee dans les meilleures conditions. Cette etude a donc un interet pour les constructeurs des futurs recepteurs avioniques multiconstellation. ABSTRACT : The International Civil Aviation Organization (ICAO) has defined the concept of Global Navigation Satellite System (GNSS), which corresponds to the set of systems allowing to perform satellite-based navigation while fulfilling ICAO requirements. The US Global Positioning Sysem (GPS) is a satellite-based navigation system which constitutes one of the components of the GNSS. Currently, this system broadcasts a civil signal, called L1 C/A, within an Aeronautical Radio Navigation Services (ARNS) band. The GPS is being modernized and will broadcast two new civil signals: L2C (not in an ARNS band) and L5 in another ARNS band. Galileo is the European counterpart of GPS. It will broadcast three signals in an ARNS band: Galileo E1 OS (Open Service) will be transmitted in the GPS L1 frequency band and Galileo E5a and E5b will be broadcasted in the same 960-1215 MHz ARNS band than that of GPS L5. GPS L5 and Galileo E1, E5a, E5b components are expected to provide operational benefits for civil aviation use. However, civil aviation requirements are very stringent and up to now, the bare systems alone cannot be used as a means of navigation. For instance, the GPS standalone does not implement sufficient integrity monitoring. Therefore, in order to ensure the levels of performance required by civil aviation in terms of accuracy, integrity, continuity of service and availability, ICAO standards define different systems/algorithms to augment the basic constellations. GPS, Galileo and the augmentation systems could be combined to comply with the ICAO requirements and complete the lack of GPS or Galileo standalone performance. In order to take benefits of new GNSS signals, and to provide the service level required by the ICAO, the architecture of future combined GNSS receivers must be standardized. The European Organization for Civil Aviation Equipment (EUROCAE) Working Group 62, which is in charge of Galileo standardization for civil aviation in Europe, proposes new combined receivers architectures, in coordination with the Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA). The main objective of this thesis is to contribute to the efforts made by the WG 62 by providing inputs necessary to build future receivers architecture to take benefits of GPS, Galileo and augmentation systems. In this report, we propose some key elements of the combined receivers' architecture to comply with approach phases of flight requirements. In case of perturbation preventing one of the needed GNSS components to meet a phase of flight required performance, it is necessary to be able to switch to another available component in order to try to maintain if possible the level of performance in terms of continuity, integrity, availability and accuracy. That is why future combined receivers must be capable of detecting the impact of perturbations that may lead to the loss of one GNSS component, in order to be able to initiate a switch. These perturbations are mainly atmospheric disturbances, interferences and multipath. In this thesis we focus on the particular cases of interferences and ionosphere perturbations. The interferences are among the most feared events in civil aviation use of GNSS. Detection, estimation and removal of the effect of interference on GNSS signals remain open issues and may affect pseudorange measurements accuracy, as well as integrity, continuity and availability of these measurements. In literature, many different interference detection algorithms have been proposed, at the receiver antenna level, at the front-end level. Detection within tracking loops is not widely studied to our knowledge. That is why, in this thesis, we address the problem of interference detection at the correlators outputs. The particular case of CW interferences detection on the GPS L1 C/A and Galileo E1 OS signals processing is proposed. Nominal dual frequency measurements provide a good estimation of ionospheric delay. In addition, the combination of GPS or GALILEO navigation signals processing at the receiver level is expected to provide important improvements for civil aviation. It could, potentially with augmentations, provide better accuracy and availability of ionospheric correction measurements. Indeed, GPS users will be able to combine GPS L1 and L5 frequencies, and future GALILEO E1 and E5 signals will bring their contribution. However, if affected by a Radio Frequency Interference, a receiver can lose one or more frequencies leading to the use of only one frequency to estimate the ionospheric code delay. Therefore, it is felt by the authors as an important task to investigate techniques aimed at sustaining multi-frequency performance when a multi constellation receiver installed in an aircraft is suddenly affected by radiofrequency interference, during critical phases of flight. This problem is identified for instance in [NATS, 2003]. Consequently, in this thesis, we investigate techniques to maintain dual frequency performances when a frequency is lost (L1 C/A or E1 OS for instance) after an interference occurrence

    Methods of navigation: An introduction to technological navigation

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    Ihminen on historian aikana aina navigoinut. Teknologinen navigointi syntyi merenkulussa, koska avomerellä tarvittiin mittauksia oman sijainnin määrittämiseksi. Lentokoneet, ohjukset ja avaruusalukset sekä kuivalla maalla liikkuvat kulkuneuvot ja jopa jalankulkijat kaikki ”navigoivat” nykyteknologioiden avulla. Kehitys on pääosin kahden teknologian ansiota: satelliittipaikannuksen, kuten GPS:n (Global Positioning System), ja inertianavigoinnin. Myös tieto- ja viestintätekniikka on kehittynyt, erityisesti rekursiivinen lineaarinen suodatus eli Kalmanin suodin. Lisäksi pienet ja hinnaltaan huokeat digitaaliset anturit ovat mullistamassa jokapäiväisen navigoinnin. Tässä kirjassa käsiteltäviä aiheita ovat navigoinnin perusteet, stokastiset prosessit, Kalmanin suodin, inertianavigoinnin teknologiat ja menetelmät, GNSS-signaalien rakenne, kantoaallon vaihemittaukset ja kokonaistuntemattomat, tosiaikainen GNSSpaikannus ja navigointi, differentiaalikorjausten viestintäratkaisut ja standardit, GNSStukiasemat ja -verkot, satelliittipohjaiset parannusjärjestelmät, ilmagravimetria sekä anturifuusio ja sattuman anturit.Historically, humankind has always navigated. Technological navigation originated in seafaring, because on the open ocean, measurements are needed in order to determine one’s own location as a part of navigation. Aircraft, rockets and spacecraft as well as vehicles moving on dry land, and even pedestrians, all ”navigate” by means of modern technologies. This development is mainly due to two technologies: satellite positioning, such as GPS (the Global Positioning System) and inertial navigation. Also information and communication technologiy has evolved: especially recursive linear filtering or the Kalman filter. Furthermore, small and inexpensive digital sensors are revolutionising everyday navigation. Subjects explained in this book are the fundamentals of navigation, stochastic processes, the Kalman filter, inertial navigation technology and methods, GNSS signal structure, carrier-phase measurement and ambiguities, real-time GNSS positioning and navigation, communication solutions and standards for differential corrections, GNSS base stations and networks, satellite-based augmentation systems, airborne gravimetry, sensor fusion and sensors of opportunity

    GNSS-R as a source of opportunity for remote sensing of the cryosphere

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    This work evaluates the potential use of signals from the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) that scatter off the Earth surface for the retrieval of geophysical information from the cryosphere. For this purpose, the present study is based on data collected with a dedicated reflectometry GNSS receiver during two field campaigns, which were focused on two types of characteristic surfaces of the cryosphere: thin sea ice covers and thick dry snow accumulations. During the first experiment, the complete process of formation, evolution and melting of sea ice was monitorized for more than seven months in a bay located in Greenland. This type of ice is typically characterized by its thickness, concentration and roughness. Different observables from GNSS reflections are analyzed to try to infer these properties. The ice thickness is linked to the free-board level, defined as the height of the sea ice surface. Accurate phase altimetry is achieved, showing good agreement with an Arctic tide model. In addition, the long term results of ellipsoidal height retrievals are consistent with the evolution of the ice surface temperature product given by MODIS, which is a key parameter in the rate of growth of sea ice. On the other hand, the presence of salinity in the sea ice modifies its dielectric properties, resulting in different amplitude and phase for the co- and cross-polar components of the complex Fresnel coefficients. The polarimetric measurements obtained show good agreement with visual inspections of ice concentration from an Arctic weather station. Finally, the shape of the reflected signals and its phase dispersion are tested as potential signatures of surface roughness. For comparison, ice charts of the experimental area are employed. In particular, maximums in roughness given by the GNSS observables coincide with fast ice events. Fast ice is defined as ice anchored to the coast, where the tidal movements contribute to the development of strange patterns, cracks, and fissures on its surface, thus consistent with the GNSS-R roughness retrievals. The second experiment took place on Antarctica, monitoring a pristine snow area which is well-known for the calibration of remote sensing instruments. Due to the relative stability of the snow layers, the data acquisition was limited to ten continuous days. Interferometric beats were found after a first analysis of the amplitude from the collected signals, which were consistent with a multipath model where the reflector lies below the surface level. Motivated by these results, a forward model is developed that reconstructs the complex received signal as a sum of a finite number of reflections, coming from different snow layers (a snow density profile obtained from in-situ measurements). The interferometric information is then retrieved from the spectral analysis applied to time series from both real and modeled signals (lag-holograms). We find that the frequency bands predicted by the model are in general consistent with the data and the lag-holograms show repeatability for different days. Then, we attempt a proper inversion of the collected data to determine the dominant layers of the dry snow profile that contribute to L-band reflections, which are related to significant gradients of snow density/permittivity.Aquest treball avalua el possible ús dels senyals dels sistemes mundials de navegació per satèl lit (GNSS) que es reflecteixen a la superfície terrestre, per a l’extracció de la informació geofísica de la criosfera. Amb aquest propòsit, el present estudi es basa en dades recollides amb un reflectòmetre GNSS durant dues campanyes experimentals, centrades en dos tipus de superfícies característiques de la criosfera: cobertes de gel marí i gruixudes acumulacions de neu seca. En el primer experiment, el procés complet de formació, evolució i fusió del gel marí va ser monitoritzat durant més de set mesos a una badia situada a Groenlàndia. Aquest tipus de gel es caracteritza típicament amb el seu gruix, concentració i rugositat. Diferents observables de les reflexions GNSS són analitzats per tractar de fer una estimació d’aquestes propietats. El gruix de gel està relacionat amb el nivell de francbord, que a la seva vegada està relacionat amb l’alçada de la superfície de gel marí. S’ha aconseguit altimetria de fase precisa, que mostra correlació amb un model de marea de l’Àrtic. A més, els resultats a llarg termini de l’alçada elipsoidal segueixen l’evolució de les mesures de temperatura de superfície de gel donades per MODIS. La temperatura és un paràmetre clau en el ritme de creixement del gel marí. Per altra banda, la presència de sal a aquest tipus de gel modifica les seves propietats dielèctriques, el que implica variacions d’amplitud i fase per als coeficients de Fresnel complexos amb polaritzacions oposades. Les mesures polarimètriques obtingudes mostren concordança amb els valors de concentració de gel obtinguts des d’una estació meteorològica propera. Finalment, la forma de la senyal reflectida i la dispersió de la seva fase s’evaluen com a potencials indicadors de la rugositat de superfície. Per a la seva comparació, es fan servir mapes del gel de la zona experimental. En concret, els valors màxims a la rugositat estimada a partir pels observables GNSS coincideixen amb el gel fixe, que es refereix a gel ancorat a la costa, on els moviments de les marees contribueixen al desenvolupament de patrons estranys, esquerdes i fissures en la seva superfície. El segon experiment es va dur a terme a l’Antàrtida, monitoritzant una àrea de neu pristina que és ben coneguda per al calibratge d’instruments de teledetecció. A causa de la relativa estabilitat de les capes de neu, l’adquisició de dades es va limitar a deu dies consecutius. Es van trobar pulsacions interferomètriques a partir d’un primer anàlisi de l’amplitud de les senyals recollides, les quals eren compatibles amb un model de propagació multicamí a on el reflector es troba per sota del nivell de superfície. Com a conseqüència d’aquests resultats, s’ha desenvolupat un model que reconstrueix el senyal complexe rebut com la suma d’un nombre finit de reflexions, procedents de diferents capes de neu (determinat per mesures locals). La informació interferomètrica es recupera després de l’anàlisi espectral aplicat a les sèries temporals tant de les senyals reals, com de les modelades (lag-hologrames). Trobem que les bandes de freqüències predites pel model són en general consistents amb les dades i que els lag-hologrames mostren repetibilitat per dies diferents. Posteriorment, es realitza un anàlisi de les dades recollides per determinar les capes dominants del perfil de neu seca que contribueixen a les reflexions en banda L, i que a la seva vegada, estan relacionades amb gradents significatius de densitat/permitivitat.Este trabajo evalúa el posible uso de las señales de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) que se reflejan en la superficie terrestre para la extracción de información geofísica de la criosfera. Con este propósito, el presente estudio se basa en datos recogidos con un reflectómetro GNSS durante dos campañas experimentales, centradas en dos tipos de superficies características de la criosfera: capas de hielo marino y gruesas acumulaciones de nieve seca. Durante el primer experimento, el proceso completo de formación, evolución y fusión del hielo marino fue monitorizado durante más de siete meses en una bahía ubicada en Groenlandia. Este tipo de hielo se caracteriza típicamente por su grosor, concentración y rugosidad. Diferentes observables de las reflexiones GNSS son analizados para tratar de estimar dichas propiedades. El espesor de hielo está relacionado con el nivel de francobordo o borda libre, que a su vez está relacionado con la altura de la superficie de hielo marino. Se ha logrado altimetría de fase precisa, mostrando correlación con un modelo de marea del Ártico. Además, los resultados a largo plazo de la altura elipsoidal siguen la evolución de las mediciones de temperatura de superficie de hielo proporcionadas por MODIS. La temperatura es un parámetro clave en el ritmo de crecimiento del hielo marino. Por otro lado, la presencia de sal en este tipo de hielo modifica sus propiedades dieléctricas, lo que implica variaciones en las amplitudes y fases de los coeficientes complejos de Fresnel con polarizaciones opuestas. Los resultados polarimétricos concuerdan con los valores de concentración de hielo obtenidos mediante inspección visual desde una estación meteorológica cercana. Por último, la forma de la señal reflejada y la dispersión de su fase son evaluadas como potenciales indicadores de la rugosidad de superficie. Para su comparación, se emplean mapas del hielo de la zona experimental. En particular, valores máximos de rugosidad estimada por los observables GNSS coinciden con hielo fijo, que se refiere al hielo anclado a la costa, donde los movimientos de las mareas contribuyen al desarrollo de patrones extraños, grietas y fisuras en su superficie. El segundo experimento se llevó a cabo en la Antártida, monitorizando una área de nieve pristina que es bien conocida para la calibración de instrumentos de teledetección. Debido a la relativa estabilidad de las capas de nieve, la adquisición de datos se limitó a diez días consecutivos. Se encontraron pulsaciones interferométricas a partir de un primer análisis de la amplitud de las señales recibidas, las cuales eran compatibles con un modelo de propagación multicamino donde el reflector se encuentra por debajo del nivel de la superficie. Como consecuencia de estos resultados, se ha desarrollado un modelo que reconstruye la señal recibida como la suma de un número finito de reflexiones, procedentes de diferentes capas de nieve (caracterizados por mediciones locales). La información interferométrica se recupera después del análisis espectral aplicado a las series temporales tanto de las señales reales, como de las modeladas (lag-hologramas). Encontramos que las bandas de frecuencias predichas por el modelo son en general consistentes con los datos y que los lag-hologramas muestran repetibilidad para días diferentes. Posteriormente, se realiza un análisis de los datos recogidos para determinar las capas dominantes del perfil de nieve seca que contribuyen a las reflexiones en banda L, y que a su vez, están relacionadas con gradientes significativos de densidad/permitivida

    Improvement of vertical precision in GPS positioning with a GPS-over-fiber configuration and real-time relative hardware delay monitoring

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    Une des principales limitations du positionnement GPS est que la composante verticale est généralement 2 à 3 fois moins précise que la composante horizontale. Pour des applications de haute précision, il est possible d'atteindre, par méthode GPS en mode relatif, des précisions de l'ordre de quelques millimètres en composante horizontale mais non pas en composante verticale. Cependant, plusieurs applications, telles que l'auscultation de structures d'ingénierie, exigent une précision similaire tant en horizontal qu'en vertical. Par simulations, il a été démontré par (Santerre & Beutler, 1993), qu'il est possible d'améliorer la précision du positionnement vertical en utilisant un récepteur à antennes multiples et un calibrage précis du délai de propagation relatif dans les câbles et circuits électroniques séparant les antennes du récepteur. Cependant, aucune implementation n'avait été faite à ce jour pour prouver le concept. L'objectif principal de ce travail de recherche a donc été de concevoir et d'implémenter un tel système et de démontrer qu'il permet une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical. Pour ce faire, le défi principal a été de développer un système permettant simultanément le transport des signaux GPS sur fibres optiques et le calibrage précis du délai de propagation relatif entre ces mêmes fibres en temps réel. Une fois le premier prototype complété et testé, des expériences réalisées sur une poutrelle de calibrage utilisée comme ligne de base de référence démontrent qu'avec le prototype et le système de traitement des données proposé, une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical a été observée. Tel que prévu par la théorie et les simulations, une amélioration d'un facteur 2 à 3 a été atteint, permettant ainsi d'obtenir la même précision dans la composante verticale que dans la composante horizontale. Ces résultats, qui représentent une percée importante dans le positionnement GPS de haute précision, permettent ainsi d'envisager le déploiement de ce type de systèmes dans des applications réelles où la même précision dans toutes les composantes tridimensionnelles est essentielle mais n'avait pas pu être atteinte auparavant par positionnement relatif GPS

    Air Force Institute of Technology Research Report 2006

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    This report summarizes the research activities of the Air Force Institute of Technology’s Graduate School of Engineering and Management. It describes research interests and faculty expertise; lists student theses/dissertations; identifies research sponsors and contributions; and outlines the procedures for contacting the school. Included in the report are: faculty publications, conference presentations, consultations, and funded research projects. Research was conducted in the areas of Aeronautical and Astronautical Engineering, Electrical Engineering and Electro-Optics, Computer Engineering and Computer Science, Systems and Engineering Management, Operational Sciences, Mathematics, Statistics and Engineering Physics

    Zur Reduzierung des mehrwegebedingten GNSS-Trägerphasenmessfehlers durch Anwendung der Hilbert-Huang-Transformation auf Signalqualitätsparameter

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    Die Positionsbestimmung von Verkehrsteilnehmern basiert häufig auf der Auswertung von Signalen globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS). Dabei werden die Laufzeiten der Signale und darauf beruhend die Entfernungen zwischen den Satelliten und dem Verkehrsteilnehmer ermittelt. Die Positionsbestimmung erfolgt dann nach dem Prinzip der Trilateration. Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Position wird hierfür insbesondere die Phase des Trägersignals ausgewertet. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Mehrwegeausbreitung der Signale dar. Hervorgerufen wird diese durch Objekte, wie Bäume, Gebäude oder Fahrzeuge in der Umgebung des Verkehrsteilnehmers. Durch die Mehrwegeausbreitung werden die Laufzeiten der Signale und somit die Position fehlerhaft bestimmt. Es ist daher von großer Bedeutung, die mehrwegebedingten Fehleranteile zu detektieren und sie zu reduzieren. In dieser Arbeit wird dafür der Zusammenhang zwischen dem Trägerphasenmessfehler und der Signalqualität genutzt. Durch Anwendung einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten adaptierten Hilbert-Huang-Transformation auf die aus dem Signalqualitätsparameter des Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis abgeleiteten Signalamplituden können Mehrwegesignale detektiert und der durch sie verursachte Trägerphasenmessfehler berechnet werden. Anhand der Auswertung eines Experimentaldatensatzes sowie Daten von GNSS-Referenzstationen des SAPOS-Netzes kann der Erfolg des Einsatzes der adaptierten Hilbert-Huang-Transformation nachgewiesen werden
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