Consolidation and assessment of a technique to provide fast and precise point positioning (Fast-PPP)
Authors:   , Rovira Garcia Adrià 
Published: October 2023

The research of this paper-based dissertation is focused on the Fast Precise Point Positioning (Fast-PPP) technique. The novelty relies on using an accurate ionosphere model, in combination with the standard precise satellite clock and orbit products, to reduce the convergence time of state-of-the-art high-accuracy navigation techniques from approximately one hour to few minutes.
My first contribution to the Fast-PPP technique as a Ph.D. student has been the design and implementation of a novel user navigation filter, based on the raw treatment of undifferenced multi-frequency code and carrier-phase Global Navigation Satellite System (GNSS) measurements. The innovative strategy of the filter avoids applying the usual ionospheric-free combination to the GNSS observables, exploiting the full capacity of new multi-frequency signals and increasing the robustness of Fast-PPP in challenging environments where the sky visibility is reduced. It has been optimised to take advantage of the corrections required to compensate the delays (i.e., errors) affecting the GNSS signals. The Fast-PPP corrections, and most important, their corrections uncertainties (i.e., the confidence bounds) are added as additional equations in the navigation filter to obtain Precise Point Positioning (PPP) in few minutes.
A second contribution performed with the new user filter, has been the consolidation of the precise ionospheric modelling of Fast-PPP and its extension from a regional to a global scale. The correct use of the confidence bounds has been found of great importance when navigating in the low-latitude areas of the equator, where the ionosphere is difficult to be accurately modelled. Even in such scenario, a great consistency has been achieved between the actual positioning errors with respect to the formal errors, as demonstrated using similar figures of merit used in civil aviation, as the Stanford plot.
A third contribution within this dissertation has been the characterisation of the accuracy of different ionospheric models currently used in GNSS. The assessment uses actual, unambiguous and undifferenced carrier-phase measurements, thanks to the centimetre-level modelling capability within the Fast-PPP technique. Not only the errors of the ionosphere models have been quantified in absolute and relative terms, but also, their effect on navigation.

La investigació d'aquesta Tesi Doctoral per compendi d'articles es centra en la tècnica de ràpid Posicionament de Punt Precís (Fast-PPP). La novetat radica en l'ús d'un model ionosfèric precís que, combinat amb productes estàndard de rellotge i de l'òrbita de satèl·lit, redueix el temps de convergència de les actuals tècniques de navegació precisa d'aproximadament una hora a pocs minuts. La meva primera contribució a la tècnica Fast-PPP com a estudiant de Doctorat ha estat el disseny i la implementació d'un filtre de navegació d'usuari innovador, basat en el tractament de múltiples freqüències de mesures de codi i fase sense diferenciar (absolutes). La estratègia del filltre de navegació evita l'aplicació de l'habitual combinació lineal lliure de ionosfera per a aquests observables. Així, s'explota la capacitat completa dels senyals multi-freqüència en el nous Sistemes Globals de Navegació per Satèl·lit (GNSS) i s'augmenta la robustesa del Fast-PPP en entorns difícils, on es redueix la visibilitat del cel. S'ha optimitzat per tal de prendre avantatge de les correccions necessàries per a compensar els retards (és a dir, els errors) que afecten els senyals GNSS. Les correccions de Fast-PPP i més important, les seves incerteses (és a dir, els intervals de confiança) s'afegeixen com a equacions addicionals al filltre per aconseguir Posicionat de Punt Precís (PPP) en pocs minuts. La segona contribució ha estat la consolidació del modelat ionosfèric precís de Fast-PPP i la seva extensió d'un abast regional a una escala global. La correcta determinació i ús dels intervals de confiança de les correccions Fast-PPP ha esdevingut de gran importància a l'hora de navegar en zones de baixa latitud a l'equador, on la ionosfera és més difícil de modelar amb precisió. Fins i tot en aquest escenari, s'ha aconseguit una gran consistència entre els errors de posicionament reals i els nivells de protecció dels usuaris de Fast-PPP, tal com s'ha demostrat amb figures de mèrit similars a les utilitzades en l'aviació civil (els diagrames de Stanford). La tercera contribució d'aquesta Tesi Doctoral ha estat la caracterització de l'exactitud dels models ionosfèrics utilitzats actualment en GNSS. L'avaluació utilitza mesures de fase, sense ambigüitats i sense diferenciar, gràcies a la capacitat de modelatge centimètric emprat a la tècnica de Fast-PPP. No només els errors dels models de la ionosfera han estat quantificats en termes absoluts i relatius, sinó també, el seu efecte sobre la navegació

La investigación de esta Tesis Doctoral, por compendio de artículos, se centra en la técnica de rápido Posicionamiento de Punto Preciso (Fast-PPP). La novedad, radica en el uso de un modelo ionosférico preciso que, combinado con productos estándard de reloj y órbita de satélite, reduce el tiempo de convergencia de las actuales técnicas de navegación precisa de una hora a pocos minutos.Mi primera contribución a la técnica Fast-PPP como estudiante de Doctorado ha sido el diseño y la implementación de un filtro de navegación de usuario innovador, basado en el tratamiento de múltiples frecuencias de medidas de código y fase sin diferenciar (absolutas). La estrategia del filtro de navegación evita la aplicación de la habitual combinación lineal libre de ionosfera para dichos observables. Así, se explota la capacidad de la señal multi-frecuencia en los nuevos Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) y se aumenta la robustez del Fast-PPP en entornos difíciles, donde se reduce la visibilidad del cielo. Se ha optimizado para tomar ventaja de las correcciones necesarias para compensar los retardos (es decir, los errores) que afectan las señales GNSS. Las correcciones de Fast-PPP y más importante, sus incertidumbres (es decir, los intervalos de confianza) se añaden como ecuaciones adicionales al filtro para conseguir Posicionamiento de Punto Preciso (PPP) en pocos minutos. La segunda contribución ha estado la consolidación del modelado ionosférico preciso de Fast-PPP y la extensión de su cobertura regional a una escala global. La correcta determinación y uso de los intervalos de confianza de las correcciones Fast-PPP ha sido de gran importancia a la hora de navegar en zonas de latitudes ecuatoriales, donde la ionosfera es más difícil de modelar con precisión. Incluso en dicho escenario, se ha conseguido una gran consistencia entre los errores de posicionamiento reales y los niveles de protección de los usuarios de Fast-PPP, tal como se ha demostrado con figuras de mérito similares a las utilizadas en la aviación civil (los diagramas de Stanford).La tercera contribución de esta Tesis Doctoral ha sido la caracterización de la exactitud de los modelos ionosféricos utilizados actualmente en GNSS. El método usa medidas de fase, sin ambigüedad y sin diferenciar, gracias a la capacidad de modelado centimétrico empleado en la técnica de Fast-PPP. No solo los errores de los modelos de la ionosfera han sido cuantificados en términos absolutos y relativos, sino también, su efecto sobre la navegación.