Precision of satellite positioning: impact of satellite geometry

Precision of GNSS (Global Navigation Satellite System) is affected by a lot of different factors, such as satellite geometry. The quality of satellite geometry is evaluated by an indicator: DOP (Dilution Of Precision). Specific satellite geometry, such as conical satellite geometry, are able to strongly harm to the precision of positioning. These particular situations lead the normal matrix to a singular state and the DOP to high values.De nombreux facteurs sont susceptibles d’influencer la précision des systèmes globaux de positionnement et de navigation par satellites (GNSS, Global Navigation Satellite System), dont la géométrie de la constellation. La qualité de la géométrie de la constellation s’évalue au moyen d’un indicateur : le DOP (Dilution Of Precision). Certaines formes très particulières de la géométrie de la constellation nuisent de manière importante à la précision du positionnement par satellites. C’est le cas de la constellation de forme conique. Ces situations particulières se caractérisent par un état singulier de la matrice normale et de hautes valeurs du DOP

Precise Point Positioning: Performances under Ionospheric Scintillations

The Precise Point Positioning (PPP) has become a powerful satellite positioning technique which nearly equals performances provided by advanced relative positioning techniques. Exploiting the growing availability and quality of IGS products (satellite orbit and clock products), the PPP technique can now provide a centimetre level solution in static mode and a decimetre level in kinematic mode. However, the PPP technique still presents some weaknesses. In order to reach a high precision level, it requires a significant convergence period which can typically reach 30 minutes under normal conditions. Moreover, the PPP seems to be especially sensitive to ionospheric scintillations effects which involve signal amplitude and phase variations of GNSS signals. These weaknesses still limit the use of the PPP technique in the frame of some specific and demanding applications (agricultural industry, airborne mapping, etc.). The goal of our research project is to develop new data processing strategies attempting both to make the PPP technique more reliable under ionospheric scintillations and to optimize the PPP convergence time. The project is composed of several workpackages aiming to improve the mentioned current PPP weaknesses with specific strategies. One of the workpackages is devoted to the impact of satellite geometry on PPP performances. Ionospheric scintillations are susceptible to reduce the number of tracked satellites which degrades the quality of satellite geometry. Based on an analytical development, we first attempt to figure out what types of satellite geometry can be harmful. Then, we discuss about the improvement of the satellite geometry quality involved by the combined use of GPS and Galileo and its benefits in the frame of the PPP. Another workpackage is related to the weighting scheme. Based on an iterative least-square adjustment, the PPP algorithm requires the definition of a stochastic model composed of an observation covariance matrix. Usually, this matrix is chosen as diagonal with zero covariances assuming that correlations between observations can be neglected. In particular, our project aims to study the validity of this stochastic model for the PPP in order to determine whether tuning the weighting scheme of the stochastic model can improve the PPP performances. By exploiting spatial analysis techniques, we try to characterize the spatial auto-correlation between GNSS observations, considering the signal-to-noise ratio as the main observable. From the results of these experiments, we will discuss about the spatial correlation between GNSS observations both under normal conditions and ionospheric scintillations

Ingestion of Ionospheric Scintillation Skymaps into GNSS Algorithms

Nowadays, Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) play a significant role in our modern society as they support a wide range of applications worldwide associated with utterly demanding performance requirements. However, GNSS performances in terms of accuracy, continuity and reliability are limited by the Earth’s ionosphere. In particular, small-scale irregularities and inhomogeneities in the ionospheric free-electron density are responsible for diffraction and scattering effects on GNSS signals that propagate through such ionospheric disturbances. These effects result in rapid fluctuations of the amplitude and phase of GNSS signals, also known as ionospheric scintillations, which can severely disrupt the performances of GNSS navigation and positioning algorithms. The ultimate objective of this PhD thesis consists in prototyping mitigation strategies in order to improve the accuracy, continuity and reliability performances of GNSS algorithms in case of low-latitude ionospheric scintillations. In particular, this research targets two specific Single-Point Single-Epoch (SPSE) GNSS algorithms, namely the Standard Point Positioning (SPP) and the Precise Point Positioning (PPP) algorithms. The mitigation strategies prototyped in the framework of this research are based on ionospheric scintillation skymaps resulting from the application of specific spatial analysis techniques on ionospheric scintillation measurements. Specifically, these prototype mitigation strategies target the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the SPP and PPP algorithms. First, this PhD thesis presents a statistical analysis based on measurements performed by a network of Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers (ISMRs) located near the magnetic equator in Brazil and collected during the year 2014, i.e. during the (second) peak of the last solar maximum (solar cycle 24). This statistical analysis leads to the conclusion that high-end GNSS receivers operating in low-latitude regions can see their positioning performances affected by ionospheric scintillations during about 20%–30% of the time in case of active ionospheric conditions. The addition of detrimental effects due to signal fading, cycle slips and losses of signal lock results in poor positioning performances in terms of accuracy, continuity and reliability during moderate-to-intense ionospheric scintillation events. As the performances of the PPP algorithm rely on the precision of carrier phase measurements, the PPP algorithm is more sensitive to ionospheric scintillations than the SPP algorithm, which is based on code pseudorange measurements exclusively. In case of active ionospheric scintillation conditions, the Root-Mean-Square Error (RMSE) of the tridimensional PPP solution can be as high as 6.73 m and its success rate as low as 50% by comparison to 0.18 m and about 100%, respectively, during quiescent conditions. Then, this PhD thesis focusses on the spatiotemporal characteristics of ionospheric scintillations by exploiting spatial analysis techniques applied to scintillation measurements collected through the experimental ISMR network located in Brazil. Spatial analysis techniques consider densified ionospheric scintillation skyplots composed of Ionospheric Pierce Points (IPPs) as spatial samples whose geometric and attribute components evolve over time as satellites are orbiting the Earth and as ionospheric conditions change. This approach turns out to be successful in detecting, scaling and tracking significantly positive spatial autocorrelation in ionospheric scintillation skyplots during active ionospheric conditions. The spatial analysis techniques exploited in the framework of this research eventually led to the design of three types of real-time ionospheric scintillation skymaps that quantify the spatiotemporal characteristics of low-latitude ionospheric scintillations. Finally, this PhD thesis describes the design and benchmarks the performances of several categories of prototype mitigation strategies against ionospheric scintillations that target the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the SPP and PPP algorithms. The design of the strategies is based on several types of ionospheric scintillation skymaps and the benchmark of their performances relies on the definition of several specific performance parameters. Globally, all the prototype mitigation strategies designed in the framework of this PhD thesis contribute to increase the accuracy, continuity and reliability performances of the SPP and PPP algorithms during low-to-moderate ionospheric scintillations. Strategies associated with ionospheric scintillation skymaps based on local spatial autocorrelation statistics outperform strategies based on interpolated skymaps. Strategies related to the weighting scheme of the stochastic model provide better results for the SPP algorithm than the PPP algorithm whose performances are further enhanced by strategies implementing spatial masks. Prototype mitigation strategies tuning the integrity monitoring stage of the SPP and PPP algorithms increase significantly the continuity and reliability performances of the algorithms but at the expense of a heavier computational load. Best performances for the SPP and PPP algorithms in terms of reliability are obtained by hybrid strategies targeting both the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the algorithms.Les systèmes globaux de positionnement et de navigation par satellites (Global Navigation Satellite Systems – GNSSs) occupent désormais une place prépondérante dans notre société moderne. En effet, ils supportent une multitude d’applications de par le monde qui nécessitent des performances sans cesse croissantes en termes d’exactitude, de continuité et de fiabilité. Cependant, les performances du positionnement par satellites sont limitées par l’ionosphère terrestre. En particulier, les irrégularités dans la densité en électrons libres de l’ionosphère sont responsables d’effets de diffraction et de dispersion sur les signaux GNSS qui se propagent au travers de telles perturbations ionosphériques. Ces effets se traduisent par des fluctuations rapides de l’amplitude et de la phase des signaux GNSS, aussi désignées sous le vocable scintillations ionosphériques, qui peuvent sévèrement dégrader les performances des algorithmes de positionnement et de navigation par satellites. L’objectif ultime poursuivi par cette Thèse de Doctorat consiste à développer des prototypes de stratégies d’atténuation des effets des scintillations ionosphériques afin d’améliorer les performances des systèmes de positionnement par satellites en cas de scintillations ionosphériques équatoriales. En particulier, cette recherche cible deux algorithmes de positionnement par satellites, à savoir le Standard Point Positioning (SPP) et le Precise Point Positioning (PPP). Les stratégies d’atténuation prototypées dans le cadre de cette recherche sont basées sur des cartes de scintillations ionosphériques qui résultent de l’application de techniques d’analyse spatiale sur des mesures de scintillations ionosphériques effectuées à l’aide de récepteurs GNSS spécialement conçus à cet effet (Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers – ISMRs). Plus spécifiquement, ces stratégies ciblent les étapes de la modélisation stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP. Tout d’abord, cette Thèse de Doctorat présente une analyse statistique basée sur des mesures effectuées par un réseau de récepteurs de type ISMR implanté à proximité de l’équateur magnétique, au Brésil. Les mesures ont été collectées durant l’année 2014, c’est-à-dire durant le (second) pic d’intensité du dernier maximum solaire (cycle solaire n°24). Cette analyse statistique mène à la conclusion que les récepteurs GNSS opérant dans des régions de basse latitude peuvent voir leurs performances de positionnement affectées par des scintillations ionosphériques durant 20%–30% du temps en cas de conditions de scintillations ionosphériques actives. La combinaison d’effets néfastes engendrés par des atténuations de signal, des pertes de verrouillage de signal et des sauts de cycles entraîne une forte baisse des performances des algorithmes SPP et PPP en termes d’exactitude, de continuité et de fiabilité. Etant donné que les hautes performances de l’algorithme PPP dépendent de la précision de mesures de phase, l’algorithme PPP est davantage sensible aux scintillations ionosphériques que l’algorithme SPP, basé exclusivement sur des mesures de code. En cas de scintillations ionosphériques sévères, la racine carrée de l’erreur quadratique moyenne (Root-Mean-Square Error – RMSE) de la solution PPP peut atteindre la valeur extrême de 6.73 m et s’associer à un taux de succès aussi faible que 50%, par comparaison à une valeur de 0.18 m et de 100%, respectivement, pendant des conditions nominales. Ensuite, cette Thèse de Doctorat se focalise sur les caractéristiques spatio-temporelles des scintillations ionosphériques au moyen de techniques d’analyse spatiale appliquées à des mesures de scintillations ionosphériques collectées au travers du réseau expérimental implanté au Brésil. Ces techniques d’analyse spatiale considèrent des cartes du ciel, dénommées skyplots, représentant des échantillons spatiaux densifiés composés de points de percée ionosphériques (Ionospheric Pierce Points – IPPs) associés à des mesures de scintillations ionosphériques. Ces échantillons sont caractérisés par des composantes géométrique et attributaire qui évoluent au cours du temps étant donné que les satellites GNSS se déplacent continuellement sur leurs orbites respectives et que l’état de l’ionosphère varie également au cours du temps. Cette approche s’est révélée particulièrement efficace pour détecter, mesurer et localiser la présence d’autocorrélation spatiale significativement positive dans des skyplots de scintillations ionosphériques en cas de conditions actives. Les techniques d’analyse spatiale exploitées dans le cadre de cette recherche permettent de construire trois types de cartes de scintillations ionosphériques qui ont la capacité de quantifier les caractéristiques spatio-temporelles des scintillations ionosphériques équatoriales en temps réel. Enfin, cette Thèse de Doctorat décrit la construction de plusieurs catégories de prototypes de stratégies visant à limiter l’impact des scintillations ionosphériques sur les performances des algorithmes SPP et PPP. Ces stratégies visent tout particulièrement les étapes de la modélisation stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP. Elles sont établies sur base des cartes de scintillations ionosphériques élaborées précédemment. Les différentes stratégies prototypées sont ensuite mises au banc d’essai afin d’évaluer et de comparer leurs performances en termes de positionnement selon plusieurs critères spécifiques. Globalement, toutes les stratégies d’atténuation prototypées dans le cadre de cette recherche contribuent à l’amélioration des performances en termes d’exactitude, de continuité et de fiabilité des algorithmes SPP et PPP en cas de scintillations ionosphériques équatoriales modérées. Les stratégies d’atténuation associées à des cartes de scintillations ionosphériques basées sur des indices d’autocorrélation spatiale locale surclassent les stratégies basées sur des cartes de scintillations ionosphériques interpolées. Les stratégies visant la pondération des observations au sein du modèle stochastique fournissent de meilleurs résultats pour l’algorithme SPP que pour l’algorithme PPP, dont les performances sont davantage améliorées par l’utilisation de masques spatiaux. Les prototypes de stratégies d’atténuation qui optimisent l’étape du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP augmentent considérablement les performances des algorithmes en termes de continuité et de fiabilité mais elles impliquent également une hausse significative de la charge de calcul associée. Les meilleurs performances en termes de fiabilité des algorithmes SPP et PPP en cas de fortes scintillations ionosphériques sont obtenues par l’implémentation de stratégies hybrides qui combinent une optimisation du modèle stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP

Google Earth and Windows Live Search Maps: Functional analysis and comparison

« Google Earth » et « Windows Live Maps » sont deux services de cartographie interactive récemment développés par deux sociétés américaines concurrentes : « Google » et « Microsoft Corporation ». Ces deux services, dont le fonctionnement repose sur des technologies informatiques spécifiques, offrent une visualisation de l’ensemble de la surface du globe terrestre au moyen d’assemblages d’images satellitaires et de photographies aériennes. Cet article a pour but de tenter d’établir une analyse fonctionnelle et une comparaison des versions gratuites de ces deux services de cartographie interactive basées sur leurs caractéristiques techniques, les qualités des sources utilisées, les niveaux de services offerts et les éventuelles possibilités attendues pour les versions payantes.« Google Earth » and « Windows Live Maps » are two services of web mapping recently developed by two competitive American corporations: « Google » and « Microsoft Corporation ». These services, whose working requires specific computer technologies, provide a visualization of the Earth using an assemblage of satellite images and aerial photographs. This article is written to try to establish a functional analysis and a comparison of free versions of these two services of web mapping based on their technical characteristics, qualities of their sources, levels of provided functionalities and additional possibilities of paying versions

Précision du positionnement par satellites: influence de la géométrie de la constellation

De nombreux facteurs sont susceptibles d’influencer la précision des systèmes globaux de positionnement et de navigation par satellites (GNSS, Global Navigation Satellite System), dont la géométrie de la constellation. La qualité de la géométrie de la constellation s’évalue au moyen d’un indicateur : le DOP (Dilution Of Precision). Certaines formes très particulières de la géométrie de la constellation nuisent de manière importante à la précision du positionnement par satellites. C’est le cas de la constellation de forme conique. Ces situations particulières se caractérisent par un état singulier de la matrice normale et de hautes valeurs du DOP

An Efficient Dual and Triple Frequency Preprocessing Method for GALILEO and GPS Signals

Data preprocessing is a mandatory stage for most of GNSS applications. In the frame of space weather and precise point positioning applications, the Geomatics Unit of the University of Liège has purchased two Septentrio PolaRx3eG receivers which allow tracking GPS L1/L5 and Galileo E1/E5a signals. In order to fully exploit these new data, we developed a preprocessing method extending existing techniques. Our preprocessing method consists of three consecutive steps. The first step is devoted to the compensation of receiver clock slips affecting code pseudorange and carrier-phase measurements. The second step covers cycle slips detection and the third step assesses data quality in terms of noise essentially affecting code pseudorange measurements. This preprocessing method was initially developed for GPS L1/L5 and Galileo E1/E5a dual frequency data but finally enhanced to also preprocess triple frequency data from first operational Galileo satellites as soon as data are available. The developed method already showed promising results.Space Weather And Navigation Systems (SWANS

Improvement of precision of GNSS: the University of Liège well positioned

Les GNSS font partie des techniques de pointe au service de la Géomatique. Cependant, les professionnels oublient parfois que la précision des GNSS est affectée par de nombreuses erreurs. A l’Université de Liège, des chercheurs ont étudié l’origine de certaines de ces erreurs et se sont penchés tout particulièrement sur l’effet de la géométrie de la constellation. Certaines formes de la géométrie de la constellation peuvent anéantir totalement la précision du positionnement par satellites

Galileo Single Frequency Ionospheric Correction: Performances in Terms of Position

For GPS single frequency users, the ionospheric contribution to the error budget is estimated by the well-known Klobuchar algorithm. For Galileo, it will be mitigated by a global algorithm based on the NeQuick model. This algorithm relies on the adaptation of the model to slant Total Electron Content (sTEC) measurements. Although the performance specifications of these algorithms are expressed in terms of delay and TEC, the users might be more interested in their impact on positioning. Therefore, we assessed the ability of the algorithms to improve the positioning accuracy using globally distributed permanent stations for the year 2002 marked by a high level of solar activity. We present uncorrected and corrected performances, interpret these and identify potential causes for Galileo correction discrepancies. We show vertical errors dropping by 56–64 % due to the analyzed ionospheric corrections, but horizontal errors decreasing by 27 % at most. By means of a fictitious symmetric satellite distribution, we highlight the role of TEC gradients in residual errors. We describe mechanisms permitted by the Galileo correction, which combine sTEC adaptation and topside mismodeling, and limit the horizontal accuracy. Hence, we support further investigation of potential alternative ionospheric corrections. We also provide an interesting insight into the ionospheric effects possibly experienced during the next solar maximum coinciding with Galileo Initial Operation Capability