Analysis of the feasibility of using GPS carrier phase ambiguity resolution techniques for precision approaches - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1997

Analysis of the feasibility of using GPS carrier phase ambiguity resolution techniques for precision approaches

Etude de l'applicabilité des techniques de lever d'ambiguïté de la mesure de phase gps aux approches de précision

Résumé

The US Global Positioning System (GPS) provides an accurate positioning service anywhere in the world at any time, but its features are far from being sufficient for it to constitute the Global Navigation Satellite System (GNSS) expected by the civil aviation community. The horizontal accuracy is below 100 m 95% of the time, which is adequate for oceanic, enroute and non precision approaches phases of flight, although additional autonomous integrity monitoring is required to improve safety. The position estimate is computed by measuring the distance to all the visible satellites of the constellation, from the observations of pseudo random noise code modulations. When corrected using a ground reference station, the GPS code pseudorange measurements should provide an accuracy of a few meters. This is sufficient for low accuracy precision approaches (Category I), but guidance during the high accuracy precision approaches (Category II and III) requires the use of a sub-meter positioning system with a high integrity. Since the beginning of the years 1980s, the GPS carrier phase measurements have been used in geodetic applications to pinpoint the location of the survey sites with a centimeter accuracy, after res- olution of the intrinsic ambiguities of these measurements. Such techniques are attractive to the civil aviation community as they appear to have the accuracy required for its most demanding applications. However, as the ambiguity resolution process appears to be fragile especially in real-time kinematic applications, several questions remain unanswered about the reliability of these specific techniques, called AROF (Ambiguity Resolution On-the-Fly) procedures. The aim of this study is to contribute to the analysis of the feasibility of using GPS carrier phase measurements ambiguity resolution procedures during precision aircraft landings. The starting point of this analysis is the presentation of the requirements for a GNSS based precision landing system, and the determination of a model for the carrier phase measurements. Then, the data pre-processing oper- ations are reviewed, and the resulting quality of the data is assessed. Then, a classification of AROF procedures is proposed, and theoretical principles of several techniques, including the new MAPAS procedure developed during this study, are described. Next, the characteristics of AROF procedures are identified, enabling the determination of the requirements of AROF procedures. Afterwards, the difficulty of the determination of theoretical performance is discussed, and mathematical expressions of the performance parameters of MAPAS are presented. Next, the performance of AROF procedures is evaluated on a practical basis using simulated measurements, using measurements collected from a Nortel GPS signal generator, and using field measurements. Finally the characteristics are checked against the constraints, and a conclusion is drawn from this study.
Le système américain GPS (Global Positioning System) fournit à tout utilisateur dans le monde entier un service de positionnement précis, mais ses caractéristiques sont trop éloignées de celles d’un GNSS (Global Navigation Satellite System) pour l’aviation civile. La précision atteinte est inférieure à 100 m 95 % du temps, et est suffisante pour les phases de vol océanique, en route, et pour les approches de non précision, mais une surveillance autonome complémentaire de l’intégrité est nécessaire pour améliorer la sécurité. L’estimation de position est effectuée en utilisant les mesures de distance entre l’utilisateur et les satellites visibles de la constellation GPS, obtenues grâce à l’observation des modulations de code pseudo-aléatoires du signal émis par les satellites. Après correction grâce aux données d’une station de référence, ces mesures de pseudo-distance de code devraient permettre un positionnement d’une précision de quelques mètres. Ceci est suffisant pour les approches de faible précision (Catégorie I), mais le guidage des avions pendant les approches de haute précision (Catégorie II et III) requiert l’utilisation d’un système de positionnement sub- métrique ayant une très grande intégrité. Depuis le début des années 80, les mesures de phase de la porteuse du signal GPS sont utilisées lors des applications géodésiques pour déterminer précisément la position des points de mesure, avec une précision centimétrique après la résolution des ambiguïtés intrinsèques aux mesures de phase. De telles techniques sont attirantes pour l’aviation civile, puisqu’elles semblent avoir la précision néces- saire pour ses applications les plus exigeantes. Cependant, le processus de résolution des ambiguïtés s’avère fragile, surtout dans les applications dynamiques en temps réel, et des questions subsistent concernant la fiabilité des ces techniques spécifiques, appelées méthodes AROF (Ambiguity Resolu- tion On-the-Fly). Le but de cette étude est d’apporter une contribution à l’analyse de l’applicabilité des méthodes de lever d’ambiguïté de la mesure de phase GPS au guidage des avions en phase d’atterrissage de précision. Le point de départ de cette analyse est constitué par les exigences opérationnelles des systèmes d’atterrissage de précision basés sur un système GNSS, et par un modèle mathématique des mesures de phase GPS. Puis, les opérations de pré-traitement des mesures sont présentées, et la qualité des données obtenues est évaluée. Ensuite, on propose une classification des méthodes AROF, et on décrit les principes théoriques de plusieurs techniques, y compris de la méthode MAPAS, développée au cours de cette thèse. Puis, les caractéristiques des procédures AROF sont identifiées, permet- tant l’établissement des exigences. Puis, la difficulté de l’établissement des performances théoriques de ces méthodes est analysée, et des expressions mathématiques des performances de MAPAS sont présentées. Enfin, les performances de MAPAS sont évaluées sur un plan pratique, en utilisant des mesures simulées, des mesures collectées sur un générateur de signaux GPS Nortel, et des mesures réelles en situation aéroportuaire. Finalement, les caractéristiques de ces procédures sont comparées aux contraintes, et une conclusion est tirée de cette analyse

Mots clés

GPS
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  • HAL Id : tel-02895882 , version 1

Citer

Christophe Macabiau. Analysis of the feasibility of using GPS carrier phase ambiguity resolution techniques for precision approaches. Signal and Image processing. INPT, 1997. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02895882⟩
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