GNSS Propagation Channel Modeling in Constrained Environments: Contribution to the Improvement of the Geolocation Service Quality/
Modélisation du canal de propagation GNSS en milieu contraint: Contribution à l'amélioration de la qualité de service de géolocalisation
Résumé
From user guidance applications to trains or road vehicles fleet management, Global Navigation Satellite System (GNSS)-based positioning systems are more and more spread and used in urban environments. However, urban environments present great challenges for GNSS positioning since numbers of obstacles result in signal attenuations and blockages, which can cause large errors. Yet, for new GNSS land applications, knowing the certainty of one's localization is of great importance especially for the liability/safety critical applications such as automated driving, electronic road tolling or railway signaling. The concept of GNSS integrity, which is defined as a measure of trust to be placed in the correctness of the information supplied by the total system, can help to meet this requirement.
Although GNSS integrity has been firstly developed and formalized in the aviation field, the algorithms developed for the aerospace domain cannot be introduced directly to the GNSS land applications. This is because a high data redundancy exists in the aviation domain and a basic hypothesis that only one failure occurs at a time is made for aviation schemes, which are not the case for the urban users. It is a great challenge to extend the integrity monitoring algorithms to GNSS urban applications.
The main objective of this PhD research work is to improve the performance of GNSS positioning in urban environment, especially the performance of accuracy and integrity. Under this framework, two research directions were investigated:
1) The first direction of this PhD research mainly consists of GNSS measurement error characterization in order to improve the positioning accuracy in stringent environments. Several error models existed in the literature are investigated and evaluated, for instance the signal carrier-power-to-noise-density ratio (C/N0) dependent variance model, the satellite elevation dependent variance model as well as the Dirichlet Process Mixture (DPM) model. A new hybrid model is proposed while involving the contribution of the digital map to distinguish the signal reception state LOS/NLOS.
2) The second direction contributes to the Fault Detection and Exclusion (FDE) techniques so as to improve the GNSS integrity performance in urban environments. Different FDE methods, which can be potentially applied on the land GNSS-based applications, are investigated and compared with real GPS data collected in urban canyon. Two classes of FDE strategies are involved: the snapshot Least-Square-Residual (LSR)-based one and the sequential Extended-Kalman-Filter (EKF) innovation-based one. A new method of HPL computation by taking into consideration of the potential prior fault is proposed.
Then, these two research directions are combined together and the computation of Horizontal Protection Level (HPL) is added at the next step so that a complete integrity monitoring scheme is constructed. The results with real GPS data collected in urban canyon show that the accuracy and integrity performance of positioning can be improved with the proposed scheme compared to the traditional approaches. The proposed integrity monitoring scheme is promising to be implemented in the low-cost GNSS commercial receivers for urban transport applications.
Au cours des dernières décennies, de plus en plus d'applications de transport urbain basées sur les systèmes de positionnement par satellites (GNSS) ont vu le jour. Des applications exigent une fiabilité critique comme le télépéage basé sur l'utilisation du GNSS, pour lesquelles des erreurs de positionnement peuvent entraîner de graves conséquences. Pourtant, les environnements urbains présentent de grands défis pour le positionnement GNSS en raison de l'existence des trajets multiples et des signaux NLOS (None-Line-of-Sight). Le concept d'intégrité GNSS, qui est défini comme une mesure de confiance qui peut être placée dans l'exactitude des informations fournies par le système de navigation, peut aider à répondre à cette exigence.
Bien que l'intégrité GNSS ait d'abord été développée et formalisée dans le domaine de l'aviation, les algorithmes développés pour l'aérospatial ne peuvent pas être introduits directement dans les applications terrestres. Parce qu'il existe une forte redondance des données en ciel dégagé et que l'hypothèse d'une seule défaillance à la fois est faite pour les applications aéronautiques. C'est un grand défi d'étendre les algorithmes de surveillance de l'intégrité GNSS aux applications terrestres et notamment urbaines.
L'objectif principal de cette recherche est d'améliorer la performance du positionnement GNSS en milieu urbain, en particulier les performances de précision et d'intégrité. Dans ce cadre, deux directions de travail ont été prises:
1) La première direction consiste principalement en la caractérisation d'erreurs de mesure GNSS afin d'améliorer la précision de positionnement dans les environnements contraints. Plusieurs modèles d'erreur existant dans la littérature sont étudiés et évalués. Un nouveau modèle hybride est proposé qui implique la contribution de la carte numérique pour distinguer l'état de réception du signal LOS/NLOS ainsi que les corrections des erreurs de pseudorange.
2) La seconde direction contribue aux techniques de détection et d'exclusion des défauts (FDE) afin d'améliorer les performances de l'intégrité GNSS dans les environnements urbains. Différentes méthodes FDE, qui peuvent être potentiellement appliquées en navigation GNSS terrestre, sont étudiées et comparées avec des données GPS collectées dans des canyons urbains. Deux classes de stratégies FDE sont examinés: l'une fondée sur l'instantané LSR (Least-Squares-Residual) et l'autre basée sur l'innovation séquentielle Extended-Kalman-Filter (EKF). Et le calcul du niveau de protection horizontal (HPL) est ajouté à la prochaine étape. Une nouvelle méthode de calcul HPL prenant en compte un potentiel défaut immédiatement antérieur est proposée.
Ensuite, ces deux directions de travail sont combinées de sorte qu'un système complet de surveillance de l'intégrité est construit. Les résultats avec les données réelles montrent que la précision et l'intégrité du positionnement peuvent être améliorées avec le système proposé par rapport aux approches traditionnelles. Le système de surveillance de l'intégrité proposé est prometteur dans les récepteurs commerciaux GNSS à faible coût pour les applications de transport urbain.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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