Contributions to high accuracy snapshot GNSS positioning
Authors:   , Liu Xiao 
Published: October 2023

(English) Snapshot positioning is the technique to determine the position of a Global Navigation Satellite System (GNSS) receiver using only a very brief interval of the received satellite signal. In recent years, this technique has received a great amount of attention thanks to its unique advantages in power efficiency, Time To First Fix (TTFF) and economic costs for deployment. However, the state of the art algorithms regarding snapshot positioning were based on code measurements only, which unavoidably limited the positioning accuracy to meter level. The present PhD research aims at achieving high-accuracy (centimetre level) snapshot positioning by properly utilizing carrier phase measurements. Two technical challenges should be tackled before such level of accuracy can be achieved, namely, satellite transmission time inaccuracy and the so-called Data Bit Ambiguity (DBA) issue.
The first challenge is essentially originated from the lack of absolute timing accuracy in the receiver, as only the coarse time information is available from an external assistance module and its error can be up to a few seconds. Applying a conventional Coarse Time Filter (CTF) can increase this timing accuracy to millisecond level. However, this is still not enough for carrier-phase based positioning since the satellite position errors introduced by such timing errors range up to one meter, which certainly impedes the carrier phase Integer Ambiguity Resolution (IAR). A method is proposed to set a global time tag and correspondingly construct the pseudoranges with full period corrections.
The second challenge is caused by the fact that snapshot measurements are generated based on the results of the correlation between the received signal and the local replicas. Multiple replicas are typically produced in snapshot positioning following the Multi Hypothesis (MH) acquisition architecture. It may happen that more than one local replica (i.e. hypothesis) result in the maximum correlation energy. Hence, we need to identify the actual secondary codes or data bit symbols encoded in the received signal, i.e. to resolve the DBA. Particularly, when the local replica is generated with exactly opposite symbols to the actual ones, the resulting carrier phase measurement contains a Half Cycle Error (HCE) and impedes also the IAR step. A method has been proposed in this PhD to resolve the DBA issue for pilot signals with encoded secondary codes. This method attempts to form a consensus among all satellites regarding their secondary codes under the assistance of their flight time differences. A different approach has been developed for data signals. It amends the carrier phase HCEs one after another by an iterative satellite inclusion procedure. This approach uses the Real Time Kinematics (RTK) LAMBDA Ratio Factor (LRF) as an indicator to evaluate the potential existence of the HCEs.
The present PhD focuses on implementing the so-called Snapshot RTK (SRTK) technique. As in the classic RTK technique, SRTK cancels most of the measurement errors through the Double-Differenced (DD) process. The workflow details of SRTK are explained incorporating the aforementioned new algorithms. Several experiments were performed based on real world signal recordings and the results confirm the feasibility of obtaining SRTK fix solutions. The performance of SRTK is numerically demonstrated under different parameters of signal bandwidth, integration time and baseline distance. The SRTK fix rates can reach more than 90% in most of the scenarios, with centimetre-level positioning errors observed in the fixed solutions.
It can be concluded that upon the implementation of the global time tag method, high accuracy snapshot positioning becomes feasible with the SRTK technique and its performance varies depending on the SRTK configuration. The algorithms developed for the DBA issue and carrier phase HCEs also prove to effectively improve the performance of SRTK.
(Español) El posicionamiento instantáneo es la técnica para determinar la posición de un receptor del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) utilizando solo un intervalo muy breve de la señal recibida. En los últimos años, esta técnica ha recibido una gran atención gracias a sus ventajas únicas en eficiencia energética, tiempo hasta la primera posición (TTFF) y reducidos costes económicos para la implementación. Sin embargo, el estado del arte de los algoritmos relacionados con el posicionamiento de señales instantáneas utilizaron solo medidas de código, lo que inevitablemente limitó la precisión del posicionamiento a al nivel del metro. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo lograr un posicionamiento instantáneo de alta precisión (nivel centimétrico) mediante las medidas de fase de la portadora. Para ello, deben abordarse dos desafíos técnicos antes de que se pueda alcanzar ese nivel de precisión: resolver la inexactitud del tiempo de transmisión del satélite y el llamado problema de ambigüedad de bit de datos (DBA). El primer desafío se origina esencialmente por la falta de precisión de tiempo absoluto en el receptor, ya que solo está disponible la información del tiempo aproximado desde un módulo de asistencia externo y su error puede ser de hasta unos segundos. Así, se propone un método para establecer una etiqueta de tiempo global y construir correspondientemente los pseudorangos con correcciones de período completo. El segundo desafío se debe al hecho de que las mediciones instantáneas se generan en función de los resultados de la correlación entre la señal recibida y las réplicas locales. Las múltiples réplicas generalmente se producen en el posicionamiento de instantáneas siguiendo la arquitectura de de adquisición de el Múltiples Hipótesis (MH). Por lo tanto, se necesita identificar los códigos secundarios reales o los símbolos de bits de datos codificados en la señal recibida, para resolver el DBA. En particular, cuando la réplica local se genera con símbolos exactamente opuestos a los reales, el resultado de la medición de la fase de la portadora contiene un error de medio ciclo (HCE) e impide también la resolución de ambigüedad entera (IAR). Se ha propuesto un método en esta Tesis Doctoral para resolver el problema de DBA para señales piloto con códigos secundarios. Este método intenta formar un consenso entre todos los satélites con respecto a sus códigos secundarios bajo la asistencia de sus diferencias de tiempo de vuelo. Un enfoque diferente ha sido desarrollado para señales que contienen datos del mensaje de navegación. Se modifica los HCE de la fase de portadora uno tras otro mediante un procedimiento iterativo de inclusión de satélites. Este método utiliza el factor de relación LAMBDA (LRF) utilizado en posicionamiento relativo en tiempo real (RTK) como indicador para evaluar la existencia potencial de los HCE. La presente tesis doctoral se centra en implementar la técnica denominada Snapshot RTK (SRTK). Se realizaron varios experimentos basados ?en ?señales del mundo real. Las grabaciones y los resultados confirman la viabilidad de obtener soluciones SRTK con IAR. El rendimiento de SRTK es numéricamente demostrado bajo diferentes parámetros tales como el ancho de banda de señal, tiempo de integración y distancia de línea de base. Las tasas de fijación IAR de SRTK pueden alcanzar más del 90% en la mayoría de los escenarios, observándose errores de posicionamiento centimétricos en las soluciones fijas. Se puede concluir que tras la implementación del método de etiqueta de tiempo global, que el posicionamiento de instantáneas de alta precisión se vuelve factible con la técnica SRTK y las prestaciones varían dependiendo de la configuración. Los algoritmos desarrollados para la resolución de DBA y los HCE de fase portadora también demuestran que mejoran efectivamente el rendimiento