Exploitation of the GNSS signals for integrity measurement. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Exploitation of the GNSS signals for integrity measurement.

Mesure d’intégrité par l’exploitation des signaux de navigation par satellites.

Résumé

In Global Navigation Satellite Systems (GNSS) applications, integrity is managed at the reception side by detection, identification and exclusion of faulty pseudorange measurements. Usually based on the a posteriori Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) concept, integrity processes provide high performances for civil aviation, with a navigation context defined by a clear-sky environment. WLSR RAIM is generally used as a reference technique. Nevertheless, RAIM techniques are not compatible with a terrestrial navigation in harsh environments. For instance, urban areas are characterized by a poor visibility and the reception of many multipaths derived from the receiver closed-environment. RAIM does not consider all the available data in the reception chain and its performances dramatically deteriorate. Hence, it is necessary to develop integrity processes compatible with such a navigation context. This PhD work studies the contribution of GNSS information, disused by conventional RAIM techniques. Two main parameters have been exploited: the received raw GNSS signal and the Directions Of Arrival (DOA) estimations. This first step was devoted to the development of an a priori method evaluation the coherence of the estimated Position Velocity Time (PVT) vector of the receiver with respect to the raw 3 GNSS signal. This method has been called Direct-RAIM (D-RAIM) and has shown high detection sensitivity, allowing the user to anticipate navigation risks and to define precisely the quality of the receiver closed-environment. However, the a priori aspect of this approach may lead to navigation error non detections if the signal model is getting flawed. In order to circumvent this limitation, a WLSR RAIM – D-RAIM coupling has been developed called Hybrid-RAIM (HRAIM). Such an approach merges the robustness and the sensitivity brought by both techniques. The second research step has brought to light the contribution of the DOA information in an autonomous integrity monitoring. Using an antenna array, the user can get the DOA estimations for all satellites in view. Theoretically, the DOA joint evolution is directly correlated with the array rotation angles. Hence, any mismatch on the DOA estimations with respect to the global constellation can be detected. RANdom Sample Consensus (RANSAC) algorithm has been used in order to detect any faulty DOA evolution, derived from inconsistencies in reception linked to potential navigation risks. Therefore, RANSAC measures the trust that the user can place in each channel. Hence, a WLSR RAIM RANSAC algorithm has been developed. The integration of the DOA component adds a degree of freedom in receiver autonomous integrity monitoring, refining the error detection and exclusion. Last but not least, a software receiver has been implemented processing Galileo data, from the signal generation to positioning and integrity monitoring. This software has been evaluated by simulated data characterizing urban environments.
Dans le cadre des systèmes de positionnement par satellite GNSS (« Global Navigation Satellite Systems »), l’intégrité de la navigation d’un utilisateur est gérée en réception par la détection, l’identification voire l’exclusion de mesures de pseudo-distance jugées erronées. Généralement basés sur le concept a posteriori RAIM (« Receiver Autonomous Integrity Monitoring »), les algorithmes de contrôle autonome d’intégrité fournissent de hautes performances pour l’aviation civile, dont le contexte de navigation est caractérisé par une forte visibilité des satellites et peu de signaux parasites captés par l’antenne réceptrice. L’algorithme WLSR RAIM est régulièrement utilisé en tant que technique de référence. Néanmoins, les techniques RAIM ne sont pas compatibles avec une navigation terrestre en milieu contraint. En effet, le contexte urbain est notamment caractérisé par un masquage récurrent des signaux satellitaires directs ainsi que la réception de multi-trajets générés par l’environnement proche du récepteur. RAIM ne prend pas en compte l’ensemble des données disponibles en réception, dégradant ainsi fortement ses performances. Il est donc nécessaire de développer des méthodes de contrôle d’intégrité compatibles avec un tel contexte de navigation. Pour cela, la thèse propose d’étudier l’apport d’informations GNSS non utilisées par les techniques RAIM. Deux paramètres principaux ont été exploités : le signal GNSS brut reçu et les estimations de directions d’arrivée des signaux satellitaires DOA (« Direction Of Arrival »). La première étape a consisté à implémenter une méthode a priori qui évalue la cohérence du positionnement estimé par rapport au signal brut directement reçu. Cette méthode a été nommée Direct-RAIM (D-RAIM) et a démontré une forte sensibilité de détection, permettant d’anticiper d’éventuels risques sur la navigation et de caractériser plus finement la qualité de l’environnement proche du récepteur. Toutefois, le caractère a priori de l’approche engendre de potentielles non détection d’erreurs de navigation en cas de modèle de signal défectueux. Afin de contourner cette limitation, un couplage WLSR RAIM – D-RAIM a été développé, nommé Hybrid-RAIM (H-RAIM). Une telle approche permet de combiner robustesse et sensibilité apportées par ces techniques respectives. Le second axe de recherche a mis en évidence la contribution de l’information des DOA dans un contrôle autonome d’intégrité. L’intégration d’un réseau d’antennes en réception permet d’obtenir l’estimation des DOA pour l’ensemble de la constellation visible. Théoriquement, l’évolution jointe des DOA est directement liée à l’attitude du réseau. Cet aspect permet donc de détecter toute incohérence sur une ou plusieurs voies en cas d’estimation(s) de DOA biaisée(s), par rapport à l’ensemble de la constellation. L’algorithme robuste RANSAC (« RANdom SAmple Consensus») a été utilisé afin de détecter tout comportement aberrant dans l’estimation des DOA, et ainsi mesurer la confiance que l’utilisateur peut placer dans chaque voie. L’algorithme WLSR RAIM RANSAC a ainsi été implémenté. L’intégration de la composante DOA permet d’ajouter un degré de liberté dans le contrôle autonome d’intégrité côté récepteur et ainsi d’affiner la détection voire l’exclusion d’erreurs. Au cours de cette thèse, un récepteur logiciel a été implémenté, permettant de traiter des signaux Galileo, de la génération du signal jusqu’au positionnement puis au contrôle d’intégrité. Ce récepteur a pu être évalué à partir de données simulées en environnement urbain.
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tel-01701087 , version 1 (05-02-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01701087 , version 1

Citer

Christophe Charbonnieras. Exploitation of the GNSS signals for integrity measurement.. Electromagnetism. UNIVERSITE TOULOUSE 3 PAUL SABATIER (UT3 PAUL SABATIER), 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01701087⟩

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