Performance Bounds for Finite Moving Average Change Detection: Application to Global Navigation Satellite Systems

Due to the widespread deployment of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) for critical road or urban applications, one of the major challenges to be solved is the provision of integrity to terrestrial environments, so that GNSS may be safety used in these applications. To do so, the integrity of the received GNSS signal must be analyzed in order to detect some local effect disturbing the received signal. This is desirable because the presence of some local effect may cause large position errors, and hence compromise the signal integrity. Moreover, the detection of such disturbing effects must be done before some pre-established delay. This kind of detection lies within the field of transient change detection. In this work, a finite moving average stopping time is proposed in order to approach the signal integrity problem with a transient change detection framework. The statistical performance of this stopping time is investigated and compared, in the context of multipath detection, to other different methods available in the literature. Numerical results are presented in order to assess their performance.Comment: 12 pages, 2 figures, transaction paper, IEEE Transaction on Signal Processing, 201

Diseño, implementación y validación de un sistema de localización híbrido basado en una red de sensores inalámbricos (WSN)

Aquest projecte estudia la implementació d'un sistema de localització híbrid amb la combinació del posicionament GPS y el posicionament obtingut mitjançant mesures de potència rebuda (RSS) utilitzant una xarxa de sensors sense fils (WSN). Inicialment s'analitzen les característiques principals de les WSN y les tècniques de posicionament GPS y RSS. A continuació es proposen tècniques de localització híbrides que combinen el posicionament bàsic brindat per la WSN (GPS y RSS)per obtenir posicionament tant en escenaris interiors com exteriors a més d'obtenir una precisió major que les precisions bàsiques. Una vegada s'han analitzat els conceptes bàsics y s'han proposat les tècniques a utilitzar en el sistema de localització híbrida s'expliquen els aspectes d'implementació relacionats amb la programació de la WSN. Finalment, després d'analitzar els resultats de diverses mesures, queda present la necessitat de tècniques d'estimació d'error en el posicionament, per això es proposa una tècnica d'estimació d'error per ser utilitzada en les estimacions híbrides y obtenir així el funcionament desitjat de les tècniques híbrides.Este proyecto estudia la implementación de un sistema de localización híbrido con la combinación del posicionamiento GPS y el posicionamiento obtenido mediante medidas de potencia recibida (RSS) a partir de una red de sensores inalámbricos (WSN).En primer lugar se analizan las características principales de las WSN y las técnicas de posicionamiento GPS y RSS. A continuación se proponen técnicas de localización híbrida que permitan a partir del posicionamiento básico brindado por la WSN (GPS y RSS) obtener posicionamiento tanto en escenarios interiores como exteriores y obtener una precisión en la localización híbrida mayor que las precisiones básicas. Una vez analizados los conceptos básicos y propuestas las técnicas a utilizar en el sistema de localización híbrida se comentan los aspectos de implementación a tener en cuenta a la hora de la programación de la WSN. Finalmente, tras analizar los resultados de diversas medidas, queda presente la necesidad de técnicas de estimación de errores en el posicionamiento, por ello se propone una técnica de estimación de errores para ser utilizada en las estimaciones híbridas y permita obtener el funcionamiento deseado.This thesis studies the implementation of a positioning System combining GPS positioning and positioning obtained by the Receive Signal Strength (RSS) measurements from a Wireless Sensor Network (WSN). First of all, the features of the WSN and GPS and RSS positioning techniques are discussed. Then some hybrid localization techniques are proposed which enable indoor and outdoor localization and obtain a hybrid location accurate than the basic accuracies. Finally, after analyze the results of various measures, is needed to obtain estimation techniques for positioning errors, for this a technique is proposed to be used in the hybrid estimations and allow to obtain the desired hybrid techniques performance

Role of age and comorbidities in mortality of patients with infective endocarditis

[Purpose]: The aim of this study was to analyse the characteristics of patients with IE in three groups of age and to assess the ability of age and the Charlson Comorbidity Index (CCI) to predict mortality. [Methods]: Prospective cohort study of all patients with IE included in the GAMES Spanish database between 2008 and 2015.Patients were stratified into three age groups:<65 years,65 to 80 years,and ≥ 80 years.The area under the receiver-operating characteristic (AUROC) curve was calculated to quantify the diagnostic accuracy of the CCI to predict mortality risk. [Results]: A total of 3120 patients with IE (1327 < 65 years;1291 65-80 years;502 ≥ 80 years) were enrolled.Fever and heart failure were the most common presentations of IE, with no differences among age groups.Patients ≥80 years who underwent surgery were significantly lower compared with other age groups (14.3%,65 years; 20.5%,65-79 years; 31.3%,≥80 years). In-hospital mortality was lower in the <65-year group (20.3%,<65 years;30.1%,65-79 years;34.7%,≥80 years;p < 0.001) as well as 1-year mortality (3.2%, <65 years; 5.5%, 65-80 years;7.6%,≥80 years; p = 0.003).Independent predictors of mortality were age ≥ 80 years (hazard ratio [HR]:2.78;95% confidence interval [CI]:2.32–3.34), CCI ≥ 3 (HR:1.62; 95% CI:1.39–1.88),and non-performed surgery (HR:1.64;95% CI:11.16–1.58).When the three age groups were compared,the AUROC curve for CCI was significantly larger for patients aged <65 years(p < 0.001) for both in-hospital and 1-year mortality. [Conclusion]: There were no differences in the clinical presentation of IE between the groups. Age ≥ 80 years, high comorbidity (measured by CCI),and non-performance of surgery were independent predictors of mortality in patients with IE.CCI could help to identify those patients with IE and surgical indication who present a lower risk of in-hospital and 1-year mortality after surgery, especially in the <65-year group

Change detection techniques for GNSS signal-level integrity

El gran éxito y la facilidad de uso de los sistemas de navegación global por satélite (GNSSs) ha conducido a la definición de una gran cantidad de aplicaciones basadas en GNSS sin precedentes. De hecho, la tendencia muestra una nueva era de aplicaciones basadas en GNSS, las denominadas aplicaciones críticas, en las que la integridad física de los usuarios puede estar en riesgo en caso de un fallo del sistema. Un requisito importante en estas aplicaciones es la integridad, definida como una medida de la fiabilidad y confianza que se tiene en la información proporcionada por el sistema. Los primeros algoritmos de integridad fueron diseñados para trabajar en entornos aéreos, en concreto para aviación civil. Desafortunadamente, las aplicaciones críticas basadas en GNSS suelen estar asociadas con entornos terrestres y por lo tanto los algoritmos de integridad tradicionales suelen fallar. El principal motivo son los efectos locales como interferencias, multi-camino o el denominado spoofing que nos podemos encontrar en entornos terrestres. Estos efectos se asumen que están controlados en aviación civil, pero ese no es el caso en entornos terrestres. De este modo, se necesitan nuevas técnicas de integridad para aplicaciones críticas basadas en GNSS, la denominada integridad a nivel de señal (signal-level integrity). Esta tesis investiga nuevos algoritmos de detección con el objetivo de proporcionar una nueva generación de técnicas de integridad en GNSS. Para ello, se considera el campo de detección de cambios estadísticos (SCD). Este campo es de interés porque considera la dimensión temporal, requisito indispensable para aplicaciones críticas ya que una detección rápida es necesaria. Por lo tanto, la primera parte de esta tesis se ocupa del estudio del campo de SCD, incluyendo tanto la detección rápida de cambios (QCD) como la detección de cambios transitorios (TCD). Se aportan nuevas contribuciones en el campo de TCD, incluyendo la denominada solución FMA y su caracterización estadística. Además, resultados numéricos muestran la superioridad de nuestras contribuciones con respecto otras contribuciones en la literatura de TCD. Finalmente, para concluir nuestro estudio de SCD, lo comparamos con esquemas clásicos de detección bajo el mismo marco matemático. Esta comparación muestra la conveniencia de SCD cuando se trata de detecciones rápida. La principal contribución de esta tesis es la aplicación del campo de SCD a la detección de amenazas e integridad en GNSS. Para ello, primero investigamos varias propiedades de la señal GNSS que pueden ser de utilidad para la detección de amenazas locales. En segundo lugar, damos un paso adelante en el campo de detección de amenazas en GNSS proponiendo un nuevo marco basado en QCD. Sin embargo, para fines de integridad es deseable un retardo limitado y es aquí donde la teoría de TCD es interesante. Por esta razón, se considera un nuevo marco basado en TCD para la detección de multi-camino y algoritmos de integridad en GNSS, lo que conduce a la provisión de la integridad de nivel de señal. Se muestra una mejora notable por la soluciones propuestas de TCD con respecto a las soluciones actuales. En la última parte de la tesis, se validan los detectores de amenazas y el algoritmo de integridad a nivel de señal propuestos. Esto se hace utilizando seles GNSS reales capturadas en el contexto de un proyecto de investigación financiado por la Comisión Europea. Los resultados obtenidos en un escenario realista muestran la mejora de la precisión y la integridad mediante el uso de la solución propuesta con respecto a los algoritmos de integridad actuales. Además, se muestra que la solución propuesta trabaja en tiempo real, siendo por lo tanto muy atractiva para mejorar los algoritmos de integridad actuales y fácilmente implementables.The provision of accurate positioning is becoming essential to our modern society. One of the main reasons is the great success and ease of use of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), which has led to an unprecedented amount of GNSS-based applications. In particular, the current trend shows that a new era of GNSS-based applications and services is emerging. These applications are the so-called critical applications, in which the physical safety of users may be in danger due to a miss-performance of the system. These applications have stringent requirements in terms of integrity, which is a measure of reliability and trust that can be placed on the information provided by the system. Unfortunately, GNSS-based critical applications are usually associated with terrestrial environments and original integrity algorithms usually fail. The main impairments are due to local effects such as interference, multipath or spoofing, which are assumed to be controlled in civil aviation but they are not in terrestrial environments. Thus, a new methodology for integrity is necessary in order to detect local effects and provide the additional level of integrity needed for GNSS-based critical applications; the so-called signal-level integrity. This thesis investigates novel detection algorithms with the aim of providing a new generation of integrity techniques in GNSS. For this purpose, the framework of Statistical Change Detection (SCD) is considered. This framework is of particular interest because its optimal criterion target the temporal dimension. This is an indispensable requirement for critical applications, in which a prompt detection is necessary. Therefore, the first part of this dissertation deals with the study of the field of SCD, including both Quickest Change Detection (QCD) and Transient Change Detection (TCD). Novel contributions are provided in the field of TCD, including the finite moving average solution and its statistical characterization. Numerical results show the superiority of our contributions. Finally, to conclude our study of SCD we compare it with classical detection schemes under the same mathematical framework. This comparison shows the appropriateness of SCD when dealing with timely detections. The main contribution of this thesis is the application of the SCD framework to threat detection and integrity in GNSS. To this end, we first investigate several properties of the received GNSS signal that may be useful for local threat detection. This leads us to move a step forward in the field of threat detection by proposing a novel QCD-based framework. Nonetheless, for integrity purposes a bounded delay is desirable, and it is here where TCD is of interest. For this reason, a novel TCD-based framework is considered for both multipath detection and integrity algorithms in GNSS, thus leading to the provision of signal-level integrity. A notable improvement is shown by the proposed TCD-based solutions considered in this thesis with respect to current solutions. In the last part of the thesis, the goal is to validate the proposed threat detectors and signal-level integrity algorithm using real GNSS signals. Real signal gathered in the context of an EC-funded research project is processed to show and validate the results of the implemented detectors. The results obtained in a realistic scenario show the improvement of the accuracy and integrity by using the proposed solution for signal-level integrity, with respect to current integrity algorithms. Furthermore, the proposed solution is shown to have real-time processing capabilities, thus being very attractive to improve current integrity algorithms and easily implementable in mass-market receivers

Diseño, implementación y validación de un sistema de localización híbrido basado en una red de sensores inalámbricos (WSN)

Aquest projecte estudia la implementació d’un sistema de localització híbrid amb la combinació del posicionament GPS y el posicionament obtingut mitjançant mesures de potència rebuda (RSS) utilitzant una xarxa de sensors sense fils (WSN). Inicialment s’analitzen les característiques principals de les WSN y les tècniques de posicionament GPS y RSS. A continuació es proposen tècniques de localització híbrides que combinen el posicionament bàsic brindat per la WSN (GPS y RSS)per obtenir posicionament tant en escenaris interiors com exteriors a més d’obtenir una precisió major que les precisions bàsiques. Una vegada s’han analitzat els conceptes bàsics y s’han proposat les tècniques a utilitzar en el sistema de localització híbrida s’expliquen els aspectes d’implementació relacionats amb la programació de la WSN. Finalment, després d’analitzar els resultats de diverses mesures, queda present la necessitat de tècniques d’estimació d’error en el posicionament, per això es proposa una tècnica d’estimació d’error per ser utilitzada en les estimacions híbrides y obtenir així el funcionament desitjat de les tècniques híbrides.Este proyecto estudia la implementación de un sistema de localización híbrido con la combinación del posicionamiento GPS y el posicionamiento obtenido mediante medidas de potencia recibida (RSS) a partir de una red de sensores inalámbricos (WSN).En primer lugar se analizan las características principales de las WSN y las técnicas de posicionamiento GPS y RSS. A continuación se proponen técnicas de localización híbrida que permitan a partir del posicionamiento básico brindado por la WSN (GPS y RSS) obtener posicionamiento tanto en escenarios interiores como exteriores y obtener una precisión en la localización híbrida mayor que las precisiones básicas. Una vez analizados los conceptos básicos y propuestas las técnicas a utilizar en el sistema de localización híbrida se comentan los aspectos de implementación a tener en cuenta a la hora de la programación de la WSN. Finalmente, tras analizar los resultados de diversas medidas, queda presente la necesidad de técnicas de estimación de errores en el posicionamiento, por ello se propone una técnica de estimación de errores para ser utilizada en las estimaciones híbridas y permita obtener el funcionamiento deseado.This thesis studies the implementation of a positioning System combining GPS positioning and positioning obtained by the Receive Signal Strength (RSS) measurements from a Wireless Sensor Network (WSN). First of all, the features of the WSN and GPS and RSS positioning techniques are discussed. Then some hybrid localization techniques are proposed which enable indoor and outdoor localization and obtain a hybrid location accurate than the basic accuracies. Finally, after analyze the results of various measures, is needed to obtain estimation techniques for positioning errors, for this a technique is proposed to be used in the hybrid estimations and allow to obtain the desired hybrid techniques performance

Change detection techniques for GNSS signal-level integrity /

El gran éxito y la facilidad de uso de los sistemas de navegación global por satélite (GNSSs) ha conducido a la definición de una gran cantidad de aplicaciones basadas en GNSS sin precedentes. De hecho, la tendencia muestra una nueva era de aplicaciones basadas en GNSS, las denominadas aplicaciones críticas, en las que la integridad física de los usuarios puede estar en riesgo en caso de un fallo del sistema. Un requisito importante en estas aplicaciones es la integridad, definida como una medida de la fiabilidad y confianza que se tiene en la información proporcionada por el sistema. Los primeros algoritmos de integridad fueron diseñados para trabajar en entornos aéreos, en concreto para aviación civil. Desafortunadamente, las aplicaciones críticas basadas en GNSS suelen estar asociadas con entornos terrestres y por lo tanto los algoritmos de integridad tradicionales suelen fallar. El principal motivo son los efectos locales como interferencias, multi-camino o el denominado spoofing que nos podemos encontrar en entornos terrestres. Estos efectos se asumen que están controlados en aviación civil, pero ese no es el caso en entornos terrestres. De este modo, se necesitan nuevas técnicas de integridad para aplicaciones críticas basadas en GNSS, la denominada integridad a nivel de señal (signal-level integrity). Esta tesis investiga nuevos algoritmos de detección con el objetivo de proporcionar una nueva generación de técnicas de integridad en GNSS. Para ello, se considera el campo de detección de cambios estadísticos (SCD). Este campo es de interés porque considera la dimensión temporal, requisito indispensable para aplicaciones críticas ya que una detección rápida es necesaria. Por lo tanto, la primera parte de esta tesis se ocupa del estudio del campo de SCD, incluyendo tanto la detección rápida de cambios (QCD) como la detección de cambios transitorios (TCD). Se aportan nuevas contribuciones en el campo de TCD, incluyendo la denominada solución FMA y su caracterización estadística. Además, resultados numéricos muestran la superioridad de nuestras contribuciones con respecto otras contribuciones en la literatura de TCD. Finalmente, para concluir nuestro estudio de SCD, lo comparamos con esquemas clásicos de detección bajo el mismo marco matemático. Esta comparación muestra la conveniencia de SCD cuando se trata de detecciones rápida. La principal contribución de esta tesis es la aplicación del campo de SCD a la detección de amenazas e integridad en GNSS. Para ello, primero investigamos varias propiedades de la señal GNSS que pueden ser de utilidad para la detección de amenazas locales. En segundo lugar, damos un paso adelante en el campo de detección de amenazas en GNSS proponiendo un nuevo marco basado en QCD. Sin embargo, para fines de integridad es deseable un retardo limitado y es aquí donde la teoría de TCD es interesante. Por esta razón, se considera un nuevo marco basado en TCD para la detección de multi-camino y algoritmos de integridad en GNSS, lo que conduce a la provisión de la integridad de nivel de señal. Se muestra una mejora notable por la soluciones propuestas de TCD con respecto a las soluciones actuales. En la última parte de la tesis, se validan los detectores de amenazas y el algoritmo de integridad a nivel de señal propuestos. Esto se hace utilizando seles GNSS reales capturadas en el contexto de un proyecto de investigación financiado por la Comisión Europea. Los resultados obtenidos en un escenario realista muestran la mejora de la precisión y la integridad mediante el uso de la solución propuesta con respecto a los algoritmos de integridad actuales. Además, se muestra que la solución propuesta trabaja en tiempo real, siendo por lo tanto muy atractiva para mejorar los algoritmos de integridad actuales y fácilmente implementables.The provision of accurate positioning is becoming essential to our modern society. One of the main reasons is the great success and ease of use of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), which has led to an unprecedented amount of GNSS-based applications. In particular, the current trend shows that a new era of GNSS-based applications and services is emerging. These applications are the so-called critical applications, in which the physical safety of users may be in danger due to a miss-performance of the system. These applications have stringent requirements in terms of integrity, which is a measure of reliability and trust that can be placed on the information provided by the system. Unfortunately, GNSS-based critical applications are usually associated with terrestrial environments and original integrity algorithms usually fail. The main impairments are due to local effects such as interference, multipath or spoofing, which are assumed to be controlled in civil aviation but they are not in terrestrial environments. Thus, a new methodology for integrity is necessary in order to detect local effects and provide the additional level of integrity needed for GNSS-based critical applications; the so-called signal-level integrity. This thesis investigates novel detection algorithms with the aim of providing a new generation of integrity techniques in GNSS. For this purpose, the framework of Statistical Change Detection (SCD) is considered. This framework is of particular interest because its optimal criterion target the temporal dimension. This is an indispensable requirement for critical applications, in which a prompt detection is necessary. Therefore, the first part of this dissertation deals with the study of the field of SCD, including both Quickest Change Detection (QCD) and Transient Change Detection (TCD). Novel contributions are provided in the field of TCD, including the finite moving average solution and its statistical characterization. Numerical results show the superiority of our contributions. Finally, to conclude our study of SCD we compare it with classical detection schemes under the same mathematical framework. This comparison shows the appropriateness of SCD when dealing with timely detections. The main contribution of this thesis is the application of the SCD framework to threat detection and integrity in GNSS. To this end, we first investigate several properties of the received GNSS signal that may be useful for local threat detection. This leads us to move a step forward in the field of threat detection by proposing a novel QCD-based framework. Nonetheless, for integrity purposes a bounded delay is desirable, and it is here where TCD is of interest. For this reason, a novel TCD-based framework is considered for both multipath detection and integrity algorithms in GNSS, thus leading to the provision of signal-level integrity. A notable improvement is shown by the proposed TCD-based solutions considered in this thesis with respect to current solutions. In the last part of the thesis, the goal is to validate the proposed threat detectors and signal-level integrity algorithm using real GNSS signals. Real signal gathered in the context of an EC-funded research project is processed to show and validate the results of the implemented detectors. The results obtained in a realistic scenario show the improvement of the accuracy and integrity by using the proposed solution for signal-level integrity, with respect to current integrity algorithms. Furthermore, the proposed solution is shown to have real-time processing capabilities, thus being very attractive to improve current integrity algorithms and easily implementable in mass-market receivers

Performance Analysis of the Pilot and Data Component of a CSS Signal for LEO-PNT †

From the analysis of chirp spread spectrum (CSS) signals in radar and communication applications, we can distinguish the cases of estimating only data or time-delay propagation or Doppler frequency when all the other parameters are known or set to zero. The case of estimating all three parameters at the same time has not been treated in the literature of radar or communications. We consider in this paper the use of a CSS signal for a LEO-PNT signal, which perfectly fits with the case of estimating the three parameters mentioned above. Specifically, the main goal of this paper is to explain the design of a CSS signal for PNT. This will include the design of the ranging component and the data component. The performance evaluation of both components will also be analyzed and linked. It is important to note that the focus of this paper will be the data component, and we link it with the pilot component through sensitivity performance. The results given in this paper show the capabilities of CSS for PNT. Previous works have shown accuracies on the level of meters with achievable data rates shown in this paper in the order of tens of kbps