AATR an ionospheric activity indicator specifically based on GNSS measurements

This work reviews an ionospheric activity indicator useful for identifying disturbed periods affecting the performance of Global Navigation Satellite System (GNSS). This index is based in the Along Arc TEC Rate (AATR) and can be easily computed from dual-frequency GNSS measurements. The AATR indicator has been assessed over more than one Solar Cycle (2002–2017) involving about 140 receivers distributed world-wide. Results show that it is well correlated with the ionospheric activity and, unlike other global indicators linked to the geomagnetic activity (i.e. DST or Ap), it is sensitive to the regional behaviour of the ionosphere and identifies specific effects on GNSS users. Moreover, from a devoted analysis of different Satellite Based Augmentation System (SBAS) performances in different ionospheric conditions, it follows that the AATR indicator is a very suitable mean to reveal whether SBAS service availability anomalies are linked to the ionosphere. On this account, the AATR indicator has been selected as the metric to characterise the ionosphere operational conditions in the frame of the European Space Agency activities on the European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS). The AATR index has been adopted as a standard tool by the International Civil Aviation Organization (ICAO) for joint ionospheric studies in SBAS. In this work we explain how the AATR is computed, paying special attention to the cycle-slip detection, which is one of the key issues in the AATR computation, not fully addressed in other indicators such as the Rate Of change of the TEC Index (ROTI). After this explanation we present some of the main conclusions about the ionospheric activity that can extracted from the AATR values during the above mentioned long-term study. These conclusions are: (a) the different spatial correlation related with the MOdified DIP (MODIP) which allows to clearly separate high, mid and low latitude regions, (b) the large spatial correlation in mid latitude regions which allows to define a planetary index, similar to the geomagnetic ones, (c) the seasonal dependency which is related with the longitude and (d) the variation of the AATR value at different time scales (hourly, daily, seasonal, among others) which confirms most of the well-known time dependences of the ionospheric events, and finally, (e) the relationship with the space weather events.Postprint (published version

Experiments on the Ionospheric Models in GNSS

In GNSS, one of the main error sources of the Standard Positioning Service (SPS) is introduced by the ionosphere. Although this error can be cancelled by combining two signals at different frequencies, most of the single - frequency mass - market receivers do not benefit from this cancel l ation. For that reason, a set of parameter s is included in the navigation message in order to compute the ionospheric delay of any observation by the Klobuchar model. The Klobuchar model is a very simple model that is able to remove more than the 50% of the ionospheric delay. Recently, more accurate ionospheric models have been introduced such as Global Ionospheric Map (GIM) or the F ast P recise P oint P ositioning ( F PPP ) ionospheric model. In previous works, with data gathered in Europe, it was shown the advantage of the F PPP’s ionospheric model. In this work, we conduct experiments to compare the performance of different ionospheric modelling methods including: Klobuchar, GIM s and F PPP. Our preliminary results show how F PPP and GIM s lead to better positioning precisions compared to the Klobuchar model. However, since data is not wide enough to cover different ionospheric cond itions, more experiments will be carried out in our future work to validate the current result s .Peer ReviewedPostprint (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

gLAB hands-on education on satellite navigation

The Global Navigation Satellite System (GNSS) allows computing the Position, Velocity and Time (PVT) of users equipped with appropriate hardware (i.e. an antenna and a receiver) and software. The latter estimates the PVT from the ranging measurements and ephemeris transmitted by the GNSS satellites in frequencies of the L band. The research group of Astronomy and Geomatics (gAGE) at the Universitat Politecnica de Catalunya (UPC) has been developing the GNSS LABoratory (gLAB) tool suite since 2009, in the context of the European Space Agency (ESA) educational program on satellite navigation (EDUNAV). gLAB is a multi-purpose software capable of determining the PVT in several modes: stand-alone (e.g. as a smartphone or car navigator), differential (e.g. surveying equipment or precise farming), and augmented with integrity (e.g. civil aviation or safety of life applications). gLAB has been designed for two main sets of users and functions. The first one is to educate University students and professionals in the art and science of GNSS data processing. This includes newcomers to the GNSS field that highly appreciate the Graphical User Interface (GUI), the default templates with the necessary configuration or the messages with warnings and errors. The second group of users are those with previous experience on GNSS. Those are interested into a high computation speed, high-accuracy positioning, batch processing and access to the intermediate computation steps. In the present contribution, we present some examples in which gLAB serves as an education platform. The data sets are actual GNSS measurements collected by the publicly available International GNSS Service (IGS), together with other IGS products such as the satellite orbits and clocks broadcast in the navigation message. The proposed methodology and procedures are tailored to understand the effects of different error components in both the Signal in Space (SIS) and the position domain, by activating or deactivating different modeling terms in gLAB. The results illustrate some examples of how the PVT can be enhanced or deteriorated when using different processing strategies or propagation effects present in the GNSS signals traversing the atmosphere, among others. We conclude that gLAB is a useful tool to learn GNSS data processing or to expand any prior knowledg

EGNOS 1046 maritime service assessment

The present contribution evaluates how the European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS) meets the International Maritime Organization (IMO) requirements established in its Resolution A.1046 for navigation in harbor entrances, harbor approaches, and coastal waters: 99.8% of signal availability, 99.8% of service availability, 99.97% of service continuity and 10 m of horizontal accuracy. The data campaign comprises two years of data, from 1 May 2016 to 30 April 2018 (i.e., 730 days), involving 108 permanent stations located within 20 km of the coast or in islands across the EGNOS coverage area, EGNOS corrections, and cleansed GPS broadcast navigation data files. We used the GNSS Laboratory Tool Suite (gLAB) to compute the reference coordinates of the stations, the EGNOS solution, as well as the EGNOS service maps. Our results show a signal availability of 99.999%, a horizontal accuracy of 0.91 m at the 95th percentile, and the regions where the IMO requirements on service availability and service continuity are met. In light of the results presented in the paper, the authors suggest the revision of the assumptions made in the EGNOS Maritime Service against those made in EGNOS for civil aviation; in particular, the use of the EGNOS Message Type 10.This research was funded by the European GNSS Agency within the framework Integration of the Fundamental Elements, Contract GSA/OP/12/16/Lot1/SC1, and the APC was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities Project RTI2018-094295-B-I00.Peer ReviewedPostprint (published version

Implementació de models ionosfèrics de GNSS en gLAB

gLAB is an open source tool developed in gAGE group under the terms of an ESA contract. It currently processes full GPS data, being capable of doing precise point positioning.[ANGLÈS] gLAB is an open source tool developed in gAGE group under the terms of an ESA contract. It currently processes full GPS data, being capable of doing precise point positioning. With the appearance of new satellite systems and enhanced algorithms, new ionosphere models for satellite systems have appeared. It is then necessary to make an update of gLAB in order to include this new models.[CASTELLÀ] gLAB es una herramienta de código abierto desarrollado por el grupo gAGE bajo un contrato de la ESA. Actualmente procesa todos los datos de GPS, siendo capaz de hacer posicionamiento de punto preciso. Con la aparición de nuevos sistemas de satélites y mejores algoritmos, han aparecido nuevos modelos de la ionosfera para los diferentes sistemas de satélites. Por lo tanto, es necesario realizar una actualización de gLAB con el fin de incluir estos nuevos modelos.[CATALÀ] gLAB és una eina de codi obert desenvolupat pel grup gAGE sota un contracte de la ESA. Actualment processa totes les dades de GPS, sent capaç de fer posicionament de punt precís. Amb l'aparició de nous sistemes de satèl·lits i millors algorismes, han aparegut nous models de la ionosfera pels diferents sistemes de satèl·lits. Per tant, és necessari realitzar una actualització de gLAB amb la finalitat d'incloure aquests nous models

Actualització de gLAB per a processament de dades de EGNOS

gLAB is a free open-source software to process GNSS data. The first release of this software package allows full processing capability of GPS data, and partial han- dling of Galileo and GLONASS data.gLAB is a free open-source software to process GNSS data. The first release of this software package allows full processing capability of GPS data, and partial handling of Galileo and GLONASS data. EGNOS is the european satellite augmentation system which provides integrity and accuracy to GNSS positioning. This upgrade will make gLAB one of the few free and open source applications able to process EGNOS data.gLAB es un software gratuito de código abierto para procesar datos GNSS. La primera versión de este paquete de software permite la capacidad de procesamiento completo de datos GPS y la manipulación parcial de datos de Galileo y GLONASS. EGNOS es el sistema europea de aumentación por satélite que proporciona integridad y exactitud en posicionamiento GNSS. Esta actualización hará que gLAB una de las pocas aplicaciones de código libre y abierto capaces de procesar datos de EGNOS.gLAB és un programari gratuït de codi obert per processar dades GNSS. La primera versió d'aquest programa permet la capacitat de processament complet de dades GPS i la manipulació parcial de dades de Galileo i GLONASS. EGNOS és el sistema europeu d'augmentació per satèl·lit que proporciona integritat i exactitut en posicionament GNSS. Aquesta actualització farà que gLAB sigui una de les poques aplicacions de codi lliure i obert capaços de processar dades de EGNOS

Contributions to multi-purpose GNSS positioning to support multi-frequency and multi-constellation with high accuracy and integrity

(English) Global Navigation Satellite System (GNSS) have revolutionized location and timing technologies due to their low cost and wide availability. Initially, GNSS was limited to the american Global Positioning System (GPS) and the Russian GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS). However, in recent years, new GNSS systems such as European Global Navigation Satellite System (Galileo), the Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS), the Japanese Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), and Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) have been deployed. These systems offer multiple frequencies and signals, which have rendered the current processing of dual-frequency single-constellation GNSS data obsolete. To address this issue, the Research group of Astronomy and Geomatics (gAGE) in Technical University of Catalonia (UPC) developed the GNSS-Lab Tool suite (gLAB) reference tool. Initially, gLAB was designed to support GPS only under a contract with the European Space Agency (ESA) and was later upgraded to become a reference tool for scientific studies. gLAB has demonstrated its research capabilities under ESA and European Union Agency for the Space Programme (EUSPA) contracts. The gLAB tool has had a great impact on the GNSS community across the globe, with 222,526 downloads from 147 different countries, which demonstrates the demand for a tool with these capabilities. The positioning algorithms originally coded in gLAB, Standard Point Positioning (SPP) and Precise Point Positioning (PPP), are upgraded to work with all new signals. In addition, advanced algorithms have been implemented, including uncombined PPP, Fast Precise Point Positioning (Fast-PPP), and Satellite-Based Augmentation System (SBAS) Dual Frequency Multi Constellation (DFMC). These additional capabilities required optimizing the code and implementing multi-threading to reduce processing times. The research carried out in this PhD has made several significant contributions. Firstly, an evaluation of European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), initially developed for civil aviation, was carried out for its application for maritime purposes, proving that EGNOS is valid for this use, with even improved continuity figures. In addition, a methodology for the daily evaluation of the EGNOS Signal In Space (SIS) has been developed and implemented in a Global Monitoring System (GMS) based on gLAB. Secondly, the impact of ionospheric activity and its correct modelling on navigation, especially in SBAS systems, has been analysed. In this area, the importance of having a global index, the Along Arc TEC Rate (AATR), to measure ionospheric activity has been shown and its correlation with the degradation of the quality of service of EGNOS has been analysed. Thirdly, the effect of positioning anomalies (both in the SIS and in the receiver) has been studied, proposing methodologies for their detection based on pseudorange residuals or by combining several signals. In any of these methods, a high degree of data pre-processing is required, for which gLAB is a very suitable tool. Fourthly, a method for measurement management in gLAB has been developed. It comprises complex algorithmics that allows any combination of observables (single, dual, triple, or quadruple combinations) on a per-satellite basis, as well as to provide either manual or automatic measurement selection (and extend it for cycle-slip detectors). In conclusion, the present PhD has paved the way to modern GNSS data processing beyond the state of the art.(Català) El Sistema Global de Navegació per Satèl·lit (GNSS) ha revolucionat les tecnologies de localització gràcies al seu baix cost i àmplia disponibilitat. Inicialment, els GNSS es limitaven al Sistema de Posicionament Global (GPS) americà i al Sistema Global de Navegació per Satèl·lit (GLONASS) rus, però en els últims anys s'han desplegat nous GNSS com el Sistema Europeu de Navegació Global per Satèl·lit (Galileo), el Sistema de Navegació per Satèl·lit BeiDou (BDS) xinès, el Sistema de Satèl·lits Quasi Zenital (QZSS) japonès i el Sistema Regional Indi de Navegació per Satèl·lit (IRNSS). Aquests sistemes ofereixen múltiples freqüències i senyals que han deixat obsolet el processament actual de dades GNSS de doble freqüència i una constel·lació. Per a abordar aquest problema, el grup de Recerca en Astronomia i Geomàtica (gAGE) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) va desenvolupar l'eina GNSS-Lab Tool suite (gLAB). gLAB es va dissenyar inicialment per a suportar només GPS en el marc d'un contracte amb l'Agència Espacial Europea (ESA) i posteriorment es va actualitzar per a convertir-se en una eina de referència per a estudis científics. gLAB ha demostrat les seves capacitats de recerca en el marc de contractes de l'ESA i de l'Agència de la Unió Europea per al Programa Espacial (EUSPA). gLAB té un gran impacte en la comunitat GNSS de tot el món, amb 222.526 descàrregues en 147 països diferents, el qual demostra la demanda d'una eina amb aquestes capacitats. En quant als algorismes de posicionament codificats originalment en gLAB, Posicionament de Punt Estàndard (SPP) i Posicionament de Punt Precís (PPP), aquests han estat actualitzats per a treballar amb totes les noves senyals. A més a més, es van implementar algorismes avançats, com el PPP no combinat, el PPP Ràpid (Fast-PPP) i el Sistema de Augmentació Basat en Satèl·lits (SBAS) Multi Constel·lació de Freqüència Dual (DFMC). Aquestes capacitats addicionals han requerit l'optimització del codi i la implementació de multifil per a reduir el temps de processament. La recerca realitzada en aquest doctorat ha aportat diverses contribucions significatives. En primer lloc, s'ha realitzat una avaluació del Sistema Europeu de Navegació per Complement Geoestacionari (EGNOS), inicialment desenvolupat per a aviació civil, per a la seva aplicació amb finalitats marítims, demostrant que EGNOS és vàlid per a aquest ús, on es milloren, fins i tot, les figures de continuïtat. Així mateix, s'ha desenvolupat una metodologia per a l'avaluació diària del Senyal a l'Espai (SIS) de EGNOS, la qual s'ha implementat en un Sistema de Monitoratge Global (GMS) basat en gLAB. En segon lloc, s'ha analitzat l'impacte de l'activitat ionosfèrica i el seu correcte modelatge en la navegació, especialment en sistemes SBAS. En aquest àmbit s'ha mostrat la importància de tenir un índex global, la Variació del contingut electrònic total en un arc (AATR), per a mesurar l'activitat ionosfèrica i s'ha analitzat la seva correlació amb la degradació de la qualitat de servei del sistema EGNOS. En tercer lloc, s'ha estudiat l'efecte de les anomalies en el posicionament (tant de la SIS com en el receptor), proposant metodologies per a la seva detecció basades en els residus dels pseudorangs o mitjançant combinacions de diversos senyals. Qualsevol d'aquests mètodes, requereix un alt grau de preprocessament de les dades, per al que gLAB és una eina molt adequada. En quart lloc, s'ha desenvolupat un mètode per a la gestió de les mesures en gLAB. Es tracta d'una algorítmica complexa, que permet processar qualsevol combinació d'observables (simples, dobles, triples o quàdruples) per satèl·lit, així com proporcionar una selecció de mesures manual o automàtica (també per als detectors de salt de cicle). En conclusió, la present tesi doctoral ha aplanat el camí cap al processament modern de dades GNSS més enllà de l'estat de l'art.(Español) El Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) ha revolucionado las tecnologías de localización gracias a su bajo coste y amplia disponibilidad. Inicialmente, los GNSS se limitaban al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) estadounidense y al Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) ruso, pero en los últimos años se han desplegado nuevos GNSS como el Sistema Europeo de Navegación Global por Satélite (Galileo), el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou (BDS) chino, el Sistema de Satélites Cuasi Cenitales (QZSS) japonés y el Sistema Regional Indio de Navegación por Satélite (IRNSS). Estos sistemas ofrecen múltiples frecuencias y señales que han dejado obsoleto el procesamiento actual de datos GNSS de doble frecuencia y una constelación. Para abordar este problema, el grupo de Investigación en Astronomía y Geomática (gAGE) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) desarrolló la herramienta GNSS-Lab Tool suite (gLAB). gLAB se diseñó inicialmente para soportar sólo GPS en el marco de un contrato con la Agencia Espacial Europea (ESA) y posteriormente se actualizó para convertirse en una herramienta de referencia para estudios científicos. gLAB ha demostrado sus capacidades de investigación en el marco de contratos de la ESA y de la Agencia de la Unión Europea para el Programa Espacial (EUSPA). gLAB tiene un gran impacto en la comunidad GNSS de todo el mundo, con 222.526 descargas en 147 países diferentes, lo que demuestra la demanda de una herramienta con estas capacidades. En cuanto a los algoritmos de posicionamiento codificados originalmente en gLAB, Posicionamiento de Punto Estándar (SPP) y Posicionamiento de Punto Preciso (PPP), éstos se han actualizado para trabajar con todas las nuevas señales. Además, se han implementado algoritmos avanzados, como el PPP no combinado, el PPP Rápido (Fast-PPP) y el Sistema de Aumentación Basado en Satélites (SBAS) Multi Constelación de Frecuencia Dual (DFMC). Estas capacidades adicionales han requerido la optimización del código y la implementación de multihilo para reducir el tiempo de procesado. La investigación realizada en este doctorado ha aportado varias contribuciones significativas. En primer lugar, se ha realizado una evaluación del Sistema Europeo de Navegación por Complemento Geoestacionario (EGNOS), inicialmente desarrollado para aviación civil, para su aplicación con fines marítimos, demostrando que EGNOS es válido para este uso, donde se mejoran, incluso, las figuras de continuidad. Asimismo, se ha desarrollado una metodología para la evaluación diaria de la Señal En El Espacio (SIS) de EGNOS, la cual se ha implementado en un Sistema de Monitorización Global (GMS) basado en gLAB. En segundo lugar, se ha analizado el impacto de la actividad ionosférica y su correcto modelado en la navegación, especialmente en sistemas SBAS. En este ámbito se ha mostrado la importancia de tener un índice global, la Variación del contenido electrónico total en un arco (AATR), para medir la actividad ionosférica y se ha analizado su correlación con la degradación de la calidad de servicio del sistema EGNOS. En tercer lugar, se ha estudiado el efecto de las anomalías en el posicionamiento (tanto de la SIS como en el receptor), proponiendo metodologías para su detección basadas en los residuos de los pseudorangos o mediante combinación de varias señales. Cualquiera de estos métodos, requiere un alto grado de preprocesado de los datos, para lo que gLAB es una herramienta muy adecuada. En cuarto lugar, se ha desarrollado un método para la gestión de medidas en gLAB, Se trata de una algorítmica compleja, que permite procesar cualquier combinación de observables (simples, dobles, triples o cuádruples) por satélite, así como proporcionar una selección de medidas manual o automática (también para los detectores de salto de ciclo). En conclusión, la presente tesis doctoral ha allanado el camino hacia el procesamiento moderno de datos GNSS más allá del estado del arte.DOCTORAT EN CIÈNCIA I TECNOLOGIA AEROESPACIALS (Pla 2013

Actualització de gLAB per a processament de dades de EGNOS

gLAB is a free open-source software to process GNSS data. The first release of this software package allows full processing capability of GPS data, and partial han- dling of Galileo and GLONASS data.gLAB is a free open-source software to process GNSS data. The first release of this software package allows full processing capability of GPS data, and partial handling of Galileo and GLONASS data. EGNOS is the european satellite augmentation system which provides integrity and accuracy to GNSS positioning. This upgrade will make gLAB one of the few free and open source applications able to process EGNOS data.gLAB es un software gratuito de código abierto para procesar datos GNSS. La primera versión de este paquete de software permite la capacidad de procesamiento completo de datos GPS y la manipulación parcial de datos de Galileo y GLONASS. EGNOS es el sistema europea de aumentación por satélite que proporciona integridad y exactitud en posicionamiento GNSS. Esta actualización hará que gLAB una de las pocas aplicaciones de código libre y abierto capaces de procesar datos de EGNOS.gLAB és un programari gratuït de codi obert per processar dades GNSS. La primera versió d'aquest programa permet la capacitat de processament complet de dades GPS i la manipulació parcial de dades de Galileo i GLONASS. EGNOS és el sistema europeu d'augmentació per satèl·lit que proporciona integritat i exactitut en posicionament GNSS. Aquesta actualització farà que gLAB sigui una de les poques aplicacions de codi lliure i obert capaços de processar dades de EGNOS

Implementació de models ionosfèrics de GNSS en gLAB

gLAB is an open source tool developed in gAGE group under the terms of an ESA contract. It currently processes full GPS data, being capable of doing precise point positioning.[ANGLÈS] gLAB is an open source tool developed in gAGE group under the terms of an ESA contract. It currently processes full GPS data, being capable of doing precise point positioning. With the appearance of new satellite systems and enhanced algorithms, new ionosphere models for satellite systems have appeared. It is then necessary to make an update of gLAB in order to include this new models.[CASTELLÀ] gLAB es una herramienta de código abierto desarrollado por el grupo gAGE bajo un contrato de la ESA. Actualmente procesa todos los datos de GPS, siendo capaz de hacer posicionamiento de punto preciso. Con la aparición de nuevos sistemas de satélites y mejores algoritmos, han aparecido nuevos modelos de la ionosfera para los diferentes sistemas de satélites. Por lo tanto, es necesario realizar una actualización de gLAB con el fin de incluir estos nuevos modelos.[CATALÀ] gLAB és una eina de codi obert desenvolupat pel grup gAGE sota un contracte de la ESA. Actualment processa totes les dades de GPS, sent capaç de fer posicionament de punt precís. Amb l'aparició de nous sistemes de satèl·lits i millors algorismes, han aparegut nous models de la ionosfera pels diferents sistemes de satèl·lits. Per tant, és necessari realitzar una actualització de gLAB amb la finalitat d'incloure aquests nous models