Design and performance of a GNSS single-frequency multi-constellation vector tracking architecture for urban environments

par Enik Shytermeja

Thèse de doctorat en Signal, Image, Acoustique et Optimisation

Sous la direction de Olivier Julien et de Axel Javier Garcia Peña.

Le président du jury était Jari Nurmi.

Le jury était composé de Olivier Julien, Axel Javier Garcia Peña, Jari Nurmi, Gonzalo Seco-Granados, Christophe Macabiau, Audrey Giremus.

Les rapporteurs étaient Jari Nurmi, Gonzalo Seco-Granados.

  • Titre traduit

    Conception et performance d'une architecture de poursuite vectorielle multi-constellation monofréquence GNSS pour les environnements urbains


  • Résumé

    Durant la dernière décennie, les systèmes de navigation par satellites ont obtenu une place majeure dans le développement d’application de navigation urbaine et les services associés. L’environnement urbain pose plusieurs défis à la réception des signaux GNSS, comprenant les multi-trajets et le phénomène de blocage des signaux directs, qui peuvent se traduire dans le domaine de la position, par une diminution de la précision de la solution de navigation voire par une indisponibilité de la position. Dans cette situation, la poursuite vectorielle constitue une approche intéressante capable de contrecarrer les effets propres à un environnement urbain tels que les multi-trajets, les réceptions de signaux non directs et les interruptions de signal. Cette thèse s’intéresse particulièrement à la proposition et au design d’une architecture double constellation GPS + Galileo, mono-fréquence L1/E1 VDFLL pour les véhicules routiers en milieu urbain. Concernant la navigation, le VDFLL représente une application concrète de la fusion d’information dû au fait que tous les canaux de poursuite sont contrôlés par le même filtre de navigation sous la forme d’un Filtre de Kalman Étendu (EKF). Le choix de l’architecture double constellation mono-fréquence a pour but d’augmenter le nombre de mesures et garantit une faisabilité bas coût du récepteur mobile. De plus, l’utilisation des signaux de mono-fréquence L1 implique la prise en compte des perturbations causées par la ionosphère. Malgré l’application des modèles de corrections ionosphérique, un résidu d’erreur ionosphérique reste toujours présent. L’originalité de ce travail repose sur l’implémentation d’une architecture VDFLL double constellation capable d’estimer le résidu d’erreurs ionosphériques présent sur les observations reçues. Ce doctorat analyse les avantages apportés par la solution proposée par rapport à la poursuite scalaire au regard de performances de positionnement et de robustesse de poursuite dans le cadre d’une trajectoire de véhicule en milieu urbain et en présence de multi-trajets et de résidus d’erreur ionosphérique.


  • Résumé

    In the last decade, Global Navigation Satellites Systems (GNSS) have gained a significant position in the development of urban navigation applications and associated services. The urban environment presents several challenges to GNSS signal reception, such as multipath and GNSS Line-of-Sight (LOS) blockage, which are translated in the positioning domain in a decreased navigation solution accuracy up to the lack of an available position. For this matter, Vector Tracking (VT) constitutes a promising approach able to cope with the urban environment-induced effects including multipath, NLOS reception and signal outages. This thesis is particularly focused on the proposal and design of a dual constellation GPS + Galileo single frequency L1/E1 Vector Delay Frequency Lock Loop (VDFLL) architecture for the automotive usage in urban environment. From the navigation point of view, VDFLL represents a concrete application of information fusion, since all the satellite tracking channels are jointly tracked and controlled by the common navigation Extended Kalman filter (EKF). The choice of the dual-constellation single frequency vector tracking architecture ensures an increased number of observations and at the same time allowing the conservation of the low-cost feasibility criteria of the mobile user’s receiver. Moreover, the use of single frequency L1 band signals implies the necessity of taking into account the ionospheric error effect. In fact, even after the application of the ionosphere error correction models, a resultant ionospheric residual error still remains in the received observations. The originality of this work relies on the implementation of a dual-constellation VDFLL architecture, capable of estimating the ionosphere residual error present in the received observations. This dissertation investigates the VDFLL superiority w.r.t the scalar tracking receiver in terms of positioning performance and tracking robustness for a real car trajectory in urban area in the presence of multipath and ionosphere residual error.


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