Contributions to multi-purpose GNSS positioning to support multi-frequency and multi-constellation with high accuracy and integrity
Authors:   , Ibáñez Segura Deimos 
Published: March 2024

(English) Global Navigation Satellite System (GNSS) have revolutionized location and timing technologies due to their low cost and wide availability. Initially, GNSS was limited to the american Global Positioning System (GPS) and the Russian GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS). However, in recent years, new GNSS systems such as European Global Navigation Satellite System (Galileo), the Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS), the Japanese Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), and Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) have been deployed. These systems offer multiple frequencies and signals, which have rendered the current processing of dual-frequency single-constellation GNSS data obsolete.

To address this issue, the Research group of Astronomy and Geomatics (gAGE) in Technical University of Catalonia (UPC) developed the GNSS-Lab Tool suite (gLAB) reference tool. Initially, gLAB was designed to support GPS only under a contract with the European Space Agency (ESA) and was later upgraded to become a reference tool for scientific studies. gLAB has demonstrated its research capabilities under ESA and European Union Agency for the Space Programme (EUSPA) contracts.

The gLAB tool has had a great impact on the GNSS community across the globe, with 222,526 downloads from 147 different countries, which demonstrates the demand for a tool with these capabilities. The positioning algorithms originally coded in gLAB, Standard Point Positioning (SPP) and Precise Point Positioning (PPP), are upgraded to work with all new signals. In addition, advanced algorithms have been implemented, including uncombined PPP, Fast Precise Point Positioning (Fast-PPP), and Satellite-Based Augmentation System (SBAS) Dual Frequency Multi Constellation (DFMC). These additional capabilities required optimizing the code and implementing multi-threading to reduce processing times.

The research carried out in this PhD has made several significant contributions. Firstly, an evaluation of European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), initially developed for civil aviation, was carried out for its application for maritime purposes, proving that EGNOS is valid for this use, with even improved continuity figures. In addition, a methodology for the daily evaluation of the EGNOS Signal In Space (SIS) has been developed and implemented in a Global Monitoring System (GMS) based on gLAB.

Secondly, the impact of ionospheric activity and its correct modelling on navigation, especially in SBAS systems, has been analysed. In this area, the importance of having a global index, the Along Arc TEC Rate (AATR), to measure ionospheric activity has been shown and its correlation with the degradation of the quality of service of EGNOS has been analysed.

Thirdly, the effect of positioning anomalies (both in the SIS and in the receiver) has been studied, proposing methodologies for their detection based on pseudorange residuals or by combining several signals. In any of these methods, a high degree of data pre-processing is required, for which gLAB is a very suitable tool.

Fourthly, a method for measurement management in gLAB has been developed. It comprises complex algorithmics that allows any combination of observables (single, dual, triple, or quadruple combinations) on a per-satellite basis, as well as to provide either manual or automatic measurement selection (and extend it for cycle-slip detectors).

In conclusion, the present PhD has paved the way to modern GNSS data processing beyond the state of the art.

(Català) El Sistema Global de Navegació per Satèl·lit (GNSS) ha revolucionat les tecnologies de localització gràcies al seu baix cost i àmplia disponibilitat. Inicialment, els GNSS es limitaven al Sistema de Posicionament Global (GPS) americà i al Sistema Global de Navegació per Satèl·lit (GLONASS) rus, però en els últims anys s'han desplegat nous GNSS com el Sistema Europeu de Navegació Global per Satèl·lit (Galileo), el Sistema de Navegació per Satèl·lit BeiDou (BDS) xinès, el Sistema de Satèl·lits Quasi Zenital (QZSS) japonès i el Sistema Regional Indi de Navegació per Satèl·lit (IRNSS). Aquests sistemes ofereixen múltiples freqüències i senyals que han deixat obsolet el processament actual de dades GNSS de doble freqüència i una constel·lació.

Per a abordar aquest problema, el grup de Recerca en Astronomia i Geomàtica (gAGE) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) va desenvolupar l'eina GNSS-Lab Tool suite (gLAB). gLAB es va dissenyar inicialment per a suportar només GPS en el marc d'un contracte amb l'Agència Espacial Europea (ESA) i posteriorment es va actualitzar per a convertir-se en una eina de referència per a estudis científics. gLAB ha demostrat les seves capacitats de recerca en el marc de contractes de l'ESA i de l'Agència de la Unió Europea per al Programa Espacial (EUSPA).

gLAB té un gran impacte en la comunitat GNSS de tot el món, amb 222.526 descàrregues en 147 països diferents, el qual demostra la demanda d'una eina amb aquestes capacitats. En quant als algorismes de posicionament codificats originalment en gLAB, Posicionament de Punt Estàndard (SPP) i Posicionament de Punt Precís (PPP), aquests han estat actualitzats per a treballar amb totes les noves senyals. A més a més, es van implementar algorismes avançats, com el PPP no combinat, el PPP Ràpid (Fast-PPP) i el Sistema de Augmentació Basat en Satèl·lits (SBAS) Multi Constel·lació de Freqüència Dual (DFMC). Aquestes capacitats addicionals han requerit l'optimització del codi i la implementació de multifil per a reduir el temps de processament.

La recerca realitzada en aquest doctorat ha aportat diverses contribucions significatives. En primer lloc, s'ha realitzat una avaluació del Sistema Europeu de Navegació per Complement Geoestacionari (EGNOS), inicialment desenvolupat per a aviació civil, per a la seva aplicació amb finalitats marítims, demostrant que EGNOS és vàlid per a aquest ús, on es milloren, fins i tot, les figures de continuïtat. Així mateix, s'ha desenvolupat una metodologia per a l'avaluació diària del Senyal a l'Espai (SIS) de EGNOS, la qual s'ha implementat en un Sistema de Monitoratge Global (GMS) basat en gLAB.

En segon lloc, s'ha analitzat l'impacte de l'activitat ionosfèrica i el seu correcte modelatge en la navegació, especialment en sistemes SBAS. En aquest àmbit s'ha mostrat la importància de tenir un índex global, la Variació del contingut electrònic total en un arc (AATR), per a mesurar l'activitat ionosfèrica i s'ha analitzat la seva correlació amb la degradació de la qualitat de servei del sistema EGNOS.

En tercer lloc, s'ha estudiat l'efecte de les anomalies en el posicionament (tant de la SIS com en el receptor), proposant metodologies per a la seva detecció basades en els residus dels pseudorangs o mitjançant combinacions de diversos senyals. Qualsevol d'aquests mètodes, requereix un alt grau de preprocessament de les dades, per al que gLAB és una eina molt adequada.

En quart lloc, s'ha desenvolupat un mètode per a la gestió de les mesures en gLAB. Es tracta d'una algorítmica complexa, que permet processar qualsevol combinació d'observables (simples, dobles, triples o quàdruples) per satèl·lit, així com proporcionar una selecció de mesures manual o automàtica (també per als detectors de salt de cicle).

En conclusió, la present tesi doctoral ha aplanat el camí cap al processament modern de dades GNSS més enllà de l'estat de l'art.

(Español) El Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) ha revolucionado las tecnologías de localización gracias a su bajo coste y amplia disponibilidad. Inicialmente, los GNSS se limitaban al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) estadounidense y al Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS) ruso, pero en los últimos años se han desplegado nuevos GNSS como el Sistema Europeo de Navegación Global por Satélite (Galileo), el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou (BDS) chino, el Sistema de Satélites Cuasi Cenitales (QZSS) japonés y el Sistema Regional Indio de Navegación por Satélite (IRNSS). Estos sistemas ofrecen múltiples frecuencias y señales que han dejado obsoleto el procesamiento actual de datos GNSS de doble frecuencia y una constelación.

Para abordar este problema, el grupo de Investigación en Astronomía y Geomática (gAGE) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) desarrolló la herramienta GNSS-Lab Tool suite (gLAB). gLAB se diseñó inicialmente para soportar sólo GPS en el marco de un contrato con la Agencia Espacial Europea (ESA) y posteriormente se actualizó para convertirse en una herramienta de referencia para estudios científicos. gLAB ha demostrado sus capacidades de investigación en el marco de contratos de la ESA y de la Agencia de la Unión Europea para el Programa Espacial (EUSPA).

gLAB tiene un gran impacto en la comunidad GNSS de todo el mundo, con 222.526 descargas en 147 países diferentes, lo que demuestra la demanda de una herramienta con estas capacidades. En cuanto a los algoritmos de posicionamiento codificados originalmente en gLAB, Posicionamiento de Punto Estándar (SPP) y Posicionamiento de Punto Preciso (PPP), éstos se han actualizado para trabajar con todas las nuevas señales. Además, se han implementado algoritmos avanzados, como el PPP no combinado, el PPP Rápido (Fast-PPP) y el Sistema de Aumentación Basado en Satélites (SBAS) Multi Constelación de Frecuencia Dual (DFMC). Estas capacidades adicionales han requerido la optimización del código y la implementación de multihilo para reducir el tiempo de procesado.

La investigación realizada en este doctorado ha aportado varias contribuciones significativas. En primer lugar, se ha realizado una evaluación del Sistema Europeo de Navegación por Complemento Geoestacionario (EGNOS), inicialmente desarrollado para aviación civil, para su aplicación con fines marítimos, demostrando que EGNOS es válido para este uso, donde se mejoran, incluso, las figuras de continuidad. Asimismo, se ha desarrollado una metodología para la evaluación diaria de la Señal En El Espacio (SIS) de EGNOS, la cual se ha implementado en un Sistema de Monitorización Global (GMS) basado en gLAB.

En segundo lugar, se ha analizado el impacto de la actividad ionosférica y su correcto modelado en la navegación, especialmente en sistemas SBAS. En este ámbito se ha mostrado la importancia de tener un índice global, la Variación del contenido electrónico total en un arco (AATR), para medir la actividad ionosférica y se ha analizado su correlación con la degradación de la calidad de servicio del sistema EGNOS.

En tercer lugar, se ha estudiado el efecto de las anomalías en el posicionamiento (tanto de la SIS como en el receptor), proponiendo metodologías para su detección basadas en los residuos de los pseudorangos o mediante combinación de varias señales. Cualquiera de estos métodos, requiere un alto grado de preprocesado de los datos, para lo que gLAB es una herramienta muy adecuada.

En cuarto lugar, se ha desarrollado un método para la gestión de medidas en gLAB, Se trata de una algorítmica compleja, que permite procesar cualquier combinación de observables (simples, dobles, triples o cuádruples) por satélite, así como proporcionar una selección de medidas manual o automática (también para los detectores de salto de ciclo).

En conclusión, la presente tesis doctoral ha allanado el camino hacia el procesamiento moderno de datos GNSS más allá del estado del arte.