Integrity monitoring applied to the reception of GNSS signals in urban environments
Contrôle d’intégrité appliqué à la réception des signaux GNSS en environnement urbain
Résumé
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) integrity is defined as a measure of the trust that can be placed in the correctness of the information supplied by the navigation system. Although the concept of GNSS integrity has been originally developed in the civil aviation framework as part of the International Civil Aviation Organization (ICAO) requirements for using GNSS in the Communications, Navigation, and Surveillance / Air Traffic Management (CNS/ATM) system, a wide range of non-aviation applications need reliable GNSS navigation with integrity, many of them in urban environments. GNSS integrity monitoring is a key component in Safety of Life (SoL) applications such as aviation, and in the so-called liability critical applications like GNSS-based electronic toll collection, in which positioning errors may have negative legal or economic consequences. At present, GPS integrity monitoring relies on different augmentation systems (GBAS, SBAS, ABAS) that have been conceived to meet the ICAO requirements in civil aviation operations. For this reason, the use of integrity monitoring techniques and systems inherited from civil aviation in non-aviation applications needs to be analyzed, especially in urban environments, which are frequently more challenging than typical aviation environments. Each application has its own requirements and constraints, so the most suitable integrity monitoring technique varies from one application to another. This work focuses on Electronic Toll Collection (ETC) systems based on GNSS in urban environments. Satellite navigation is one of the technologies the directive 2004/52/EC recommends for the European Electronic Toll Service (EETS), and it is already being adopted: toll systems for freight transport that use GPS as primary technology are operational in Germany and Slovakia, and France envisages to establish a similar system from 2013. This dissertation begins presenting first the concept of integrity in civil aviation in order to understand the objectives and constraints of existing GNSS integrity monitoring systems. A thorough analysis of GNSS-based ETC systems and of GNSS navigation in urban environments is done afterwards with the aim of identifying the most suitable road toll schemes, GNSS receiver configurations and integrity monitoring mechanisms. Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) is chosen among other integrity monitoring systems due to its design flexibility and adaptability to urban environments. A nominal pseudorange measurement model suitable for integrity-driven applications in urban environments has been calculated dividing the total pseudorange error into five independent error sources which can be modelled independently: broadcasted satellite clock corrections and ephemeris errors, ionospheric delay, tropospheric delay, receiver thermal noise (plus interferences) and multipath. In this work the fault model that includes all non-nominal errors consists only of major service failures. Afterwards, the GNSS integrity requirements are derived from the relationship between positioning failures and toll charging errors. Two RAIM algorithms are studied. The first of them is the Weighted Least Squares Residual (WLSR) RAIM, widely used in civil aviation and usually set as the reference against which other RAIM techniques are compared. One of the main challenges of RAIM algorithms in urban environments is the high unavailability rate because of the bad user/satellite geometry. For this reason a new RAIM based on the WLSR is proposed, with the objective of providing a trade-off between the false alarm probability and the RAIM availability in order to maximize the probability that the RAIM declares valid a fault-free position. Finally, simulations have been carried out to study the performance of the different RAIM and ETC systems in rural and urban environments. In all cases, the availability obtained with the novel RAIM improve those of the standard WLSR RAIM.
L’intégrité des signaux GNSS est définie comme la mesure de la confiance qui peut être placée dans l’exactitude des informations fournies par le système de navigation. Bien que le concept d’intégrité GNSS a été initialement développé dans le cadre de l’aviation civile comme une des exigences standardisées par l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) pour l’utilisation du GNSS dans les systèmes de Communication, Navigation, et Surveillance / Contrôle du Trafic Aérien (CNS/ATM), un large éventail d’applications non aéronautiques ont également besoin de navigation par satellite fiable avec un niveau d’intégrité garanti. Beaucoup de ces applications se situent en environnement urbain. Le contrôle d’intégrité GNSS est un élément clé des applications de sécurité de la vie (SoL), telle que l’aviation, et des applications exigeant une fiabilité critique comme le télépéage basé sur l’utilisation du GNSS, pour lesquels des erreurs de positionnement peuvent avoir des conséquences juridiques ou économiques. Chacune de ces applications a ses propres exigences et contraintes, de sorte que la technique de contrôle d’intégrité la plus appropriée varie d’une application à l’autre. Cette thèse traite des systèmes de télépéage utilisant GNSS en environnement urbain. Les systèmes de navigation par satellite sont l’une des technologies que l’UE recommande pour le Service Européen de Télépéage Electronique (EETS). Ils sont déjà en cours d’adoption: des systèmes de télépéage pour le transport poids lourd utilisant GPS comme technologie principale sont opérationnels en Allemagne et en Slovaquie, et un système similaire est envisagé en France à partir de 2013. À l’heure actuelle, le contrôle d’intégrité GPS s’appuie sur des systèmes d´augmentation (GBAS, SBAS, ABAS) conçus pour répondre aux exigences de l’OACI pour les opérations aviation civile. C´est la raison pour laquelle cette thèse débute par une présentation du concept d’intégrité en aviation civile afin de comprendre les performances et contraintes des systèmes hérités. La thèse se poursuit par une analyse approfondie des systèmes de télépéage et de navigation GNSS en milieu urbain qui permets de dériver les techniques de contrôle d’intégrité GNSS les plus adaptées. Les algorithmes autonomes de type RAIM ont été choisis en raison de leur souplesse et leur capacité d´adaptabilité aux environnements urbains. Par la suite, le modèle de mesure de pseudodistances est élaboré. Ce modèle traduit les imprécisions des modèles de correction des erreurs d’horloge et d’ephemeride, des retards ionosphériques et troposphériques, ainsi que le bruit thermique récepteur et les erreurs dues aux multitrajets. Les exigences d’intégrité GNSS pour l’application télépéage sont ensuite dérivées à partir de la relation entre les erreurs de positionnement et leur effets dans la facturation finale. Deux algorithmes RAIM sont alors proposés pour l’application péage routier. Le premier est l’algorithme basé sur les résidus de la solution des moindres carrés pondérés (RAIM WLSR), largement utilisé dans l’aviation civile. Seulement, un des principaux défis de l’utilisation des algorithmes RAIM classiques en milieux urbains est un taux élevé d’indisponibilité causé par la mauvaise géométrie entre le récepteur et les satellites. C’est pour cela que un nouvel algorithme RAIM est proposé. Cet algorithme, basé sur le RAIM WLSR, est conçu de sorte à maximiser l’occurrence de fournir un positionnement intègre dans un contexte télépéage. Les performances des deux algorithmes RAIM proposés et des systèmes de télépéage associés sont analysés par simulation dans différents environnements ruraux et urbains. Dans tous les cas, la disponibilité du nouvel RAIM est supérieure à celle du RAIM WLSR.
Origine : Version validée par le jury (STAR)