GNSS Positioning in Multi-Constellation Scenarios Aerospace Engineering

102 Pages·2014·3.8 MB·English

by  Andre C. Marta

GNSS Positioning in Multi-Constellation Scenarios
Rita Vallejo dos Santos
Thesis to obtain the Master of Science Degree in
Aerospace Engineering
Supervisors: Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino and
Prof. António José Castelo Branco Rodrigues
Examination Committee
Chairperson: Prof. João Manuel Lage de Miranda Lemos
Supervisor: Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino
Member of the Committee: Prof. Francisco António Bucho Cercas
November 2014
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Dedicatedtomygrandfather.
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Resumo
Um sistema global de navegac¸a˜o por sate´lite, GNSS, pode ser definido como um sistema capaz de
proporcionaroposicionamentoan´ıvelglobalusandoumaconstelac¸a˜odesate´lites. ONorte-Americano
GPS,oRussoGLONASSeoEuropeuGalileosa˜oalgunsexemplos.
Estessistemaspodemsercombinados,resultandoumaumentodonu´merodesate´litesvis´ıveis,mel-
horando a geometria por eles constitu´ıda e, por conseguinte, sa˜o obtidas estimativas de posic¸a˜o mais
precisas. Dadaadependeˆnciadomundopeloposicionamentousandosistemasglobaisdenavegac¸a˜o
por sate´lite, estas melhorias permitem superar as limitac¸o˜es de cada sistema, sendo de todo o inter-
esse.
Mesmotendobastantessimilaridades,cadasistemadefineoseupro´priosistemadecoordenadas,
escala de tempo e algoritmo para o ca´lculo da posic¸a˜o do sate´lite, na˜o sendo por isso completamente
compat´ıveisentresi. Oprimeiropassonacombinac¸a˜oe´ resolverosproblemasdeinteroperabilidade.
Uma vez que o Galileo na˜o esta´ totalmente operacional, a combinac¸a˜o e´ poss´ıvel simulando a
constelac¸a˜oeasposic¸o˜esdosate´liteconsiderandoosegmentoespacialprevisto.
Este trabalho enfatiza as diferenc¸as entre os principais sistemas globais de navegac¸a˜o por sate´lite
e explica como a combinac¸a˜o destes e´ poss´ıvel. As melhorias de desempenho em cena´rios de multi-
constelac¸a˜o sa˜o apresentadas em termos de disponibilidade, qualidade da geometria dos sate´lites
e, exactida˜o e precisa˜o. Mais especificamente, sa˜o apresentados os ganhos me´dios da combinac¸a˜o
inovadoraGPS+GLONASS+GalileorelativamenteaGPS+GLONASS,eamboscomcadasistema
sozinho.
Palavras-chave:
GPS,GLONASS,Galileo,Multi-constelac¸a˜o;
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Abstract
A Global Navigation Satellite System, GNSS, can be defined as a system capable of providing the
positioning with global coverage by means of a satellite constellation. The United States’ GPS, the
Russian’sGLONASSandtheEuropean’sGalileoaresomeexamples.
These systems can be combined, resulting in an increase on the number of visible satellites which
provides better satellite geometry and consequently more precise and accurate position estimates.
Given the dependence of the world in global navigation satellite systems, the improvements allow to
overcomethelimitationsofeachsystem,beingofsignificantinterest.
Evenwithmanysimilarities,eachsystemdefinesitsowntime-scale,coordinatesystemandhowthe
satellite position can be determined and therefore, they are not entirely compatible to each other. The
firststeponthecombinationprocessistosolvetheinteroperabilityproblems.
SinceGalileoisnotfullyoperational,itsconstellationandsatellitepositioncanbesimulatedconsid-
eringtheenvisionedspacesegmentallowingitscombinationwithothersystems.
This work emphasizes the differences of the main global navigation satellite systems and explains
how their combination is possible. The performance improvements in multi-constellation scenarios are
presentedintermsofavailability,qualityofsatellitegeometryand,accuracyandprecision. Specifically,
theaveragegainsoftheinnovativecombinedGPS+GLONASS+Galileopositioningsolutioninrelation
tothecombinedGPS+GLONASS areperformed,andbothinrelationtoeachsystemalone.
Keywords:
GPS,GLONASS,Galileo,Multi-constellation;
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Contents
Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
ListofTables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
ListofFigures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 State-of-the-art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 ObjectivesandStructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 GlobalNavigationSatelliteSystems 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 HistoryandDevelopments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 SatelliteConstellationStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 GNSSobservables: Pseudorange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 SatellitePositioningErrorSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.6 CombiningMultipleGNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 TimeSystems 10
3.1 GPStime-scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 GLONASStime-scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Galileotime-scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.4 GPSandGalileoTime-scalestoUTCConversionAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.5 Combiningtime-scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.6 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 CoordinateSystems 14
4.1 WGS-84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 PZ-90.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3 GTRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4 CombiningGPSandGLONASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
ix
5 SatelliteClockandOrbitDetermination 20
5.1 SatelliteClockOffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.1.1 GPSClockoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.1.2 GLONASSClockoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1.3 GalileoClockoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2 SatelliteOrbitDetermination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2.1 GPSOrbitdetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2.2 GLONASSOrbitdetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2.3 GalileoOrbitdetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6 PositionEstimation 31
6.1 EstimationAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6.2 PositionEstimationwithPseudoranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.3 IonosphericCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.3.1 SingleFrequencyIonosphericCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.3.2 DualFrequencyIonosphericCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.4 TroposphericCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.5 SagnacEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.6 DilutionofPrecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7 ReceiverandResearch 41
7.1 Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.2 ATOMMessages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.2.1 CyclicRedundancyCheck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.2.2 DataFieldConventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2.3 ATOMGroups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8 GalileoSimulation 49
8.1 OrbitalParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8.2 OrbitSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8.3 PseudorangeSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9 Results 60
9.1 SolutionAvailability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.2 PDOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.3 HDOP,VDOPandErrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10 Conclusions 75
10.1 AchievementsandFutureWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Bibliography 78
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