Optimal GPS/GALILEO GBAS methodologies with an application to troposphere

Alizé Guilbert 1
1 SIGNAV - ENAC Equipe TELECOM-SIGNAV
TELECOM - ENAC - Laboratoire de Télécommunications
Résumé : Dans le domaine de l’Aviation Civile, les motivations de recherches sont souvent guidées par la volonté d’améliorer la capacité et l’efficacité de l’espace aérien grâce à la modernisation des moyens de navigation aérienne existants et à l’ajout de nouvelles infrastructures. Ces buts peuvent être atteints en développant les services qui permettent des opérations d’approche et d’atterrissage plus robustes et plus fiables quels que soient le lieu et les conditions météorologiques. La navigation par satellite, grâce au Global Navigation Satellite System (GNSS), a été reconnue comme un moyen performant de fournir des services de navigation aérienne [1] [2]. Depuis quelques années, les systèmes de navigation par satellites sont devenus des moyens de navigation de référence grâce à leur couverture mondiale et à leur précision. En particulier, ce système de navigation est utilisé en aviation civile à bord des avions dont la majorité est équipé de récepteurs GNSS. Le concept du GNSS requiert l’utilisation de moyen d’augmentations pour fournir une fonction de contrôle d’intégrité. Cet appui est nécessaire au vu des exigences [1] concernant la précision, l’intégrité, la disponibilité et la continuité des systèmes GNSS surtout dans les applications critiques de type aviation civile. Trois moyens d’augmentation ont alors été développés: le GBAS (Ground Based Augmentation System), le SBAS (Satellite Based Augmentation System) et le ABAS (Aircraft Based Augmentation System). Le GBAS est actuellement standardisé par l’OACI pour fournir un service de navigation incluant les approches de précision allant jusqu’à la catégorie I incluse, en utilisant les constellations GPS ou GLONASS [3]. Des travaux de recherches et de développement sont en cours pour permettre d’étendre ce service jusqu’à catégorie II/III avec un seul signal protégé (GPS L1 C/A). Cependant des contraintes limitant la disponibilité de cette solution sont apparues lors de la surveillance de la ionosphère. Grâce à la modernisation du GPS et GLONASS et à la future implémentation des constellations Galileo et Beidou, les futurs GNSS utilisant de multiples constellations et de multiples fréquences (MC/MF) sont étudiés. En Europe, les activités de recherches dans le cadre du projet SESAR se sont appuyées sur la constellation GPS et sur la disponibilité future de la constellation Galileo. L’utilisation de deux bandes de fréquences protégées permet la réduction des retards ionosphériques tout en augmentant l’impact du bruit et des multi-trajets. Cependant l’amélioration de la géométrie des satellites, grâce aux deux constellations, peut compenser cette augmentation et permettre de réaliser des approches de précision de catégorie II/III. C’est pour cela que le MC/MF GBAS devrait permettre de nombreuses améliorations telles que l’augmentation de la disponibilité du système, la meilleure robustesse face aux interférences, un meilleur modèle des retards atmosphériques et une meilleure précision due aux nouveaux signaux de meilleure qualité. Cependant, de nombreux challenges et problèmes doivent être résolus avant d’atteindre les bénéfices potentiels. Dans ce travail de thèse, deux principaux sujets en rapport avec le GBAS ont été traités, la transmission des données de corrections dans le contexte du MC/MF GBAS et l’impact des biais de mesures troposphériques dans le cadre du SC/SF GBAS et du MC/MF GBAS. Dû aux strictes contraintes portant sur le format des messages transmis à l’utilisateur via l’unité de VHF (Very High Frequency) Data Broadcast (VDB) [4], une nouvelle approche est nécessaire pour permettre l’élaboration du MC/MF GBAS. Une des solutions proposée dans cette thèse est de transmettre les corrections et les données d’intégrité à l’utilisateur dans des messages séparés à des fréquences différentes. De plus ce travail de thèse remet en question la modélisation de l’atmosphère. En effet, au vue de la difficulté de surveiller les retards ionosphériques, ceux relatifs à la troposphère furent en partie négligés et doivent être réévalués aussi bien dans des conditions nominales que non-nominales. Cette thèse se concentre d’abord sur les moyens de calculer le pire gradient troposphérique pour caractériser la menace troposphérique avant de développer les précédents travaux pour borner cette menace dans le but de protéger l’utilisateur. Les précédentes études faites par l’Université d’Ohio pour traiter les retards troposphérique différentiels [5] [6] [7] sont basées sur la collecte de données GPS qui est intrinsèquement liée à du sous-échantillonnage. De plus, dans le cadre du SF GPS GBAS, la méthode pour borner l’erreur fut contrainte par le format du message transmis. En vue du futur MC/MF GBAS, une nouvelle approche s’est avérée nécessaire. C’est pour cela que dans ce projet de thèse, des modèles météorologiques numériques (NWMs) sont utilisés pour estimer intégralement la composante horizontale du pire retard différentiel troposphérique (retard différentiel dû à la décorrelation horizontale entre l’avion et la station sol). Une méthode innovante pour rechercher les pires retards différentiels troposphériques horizontaux est utilisée pour déterminer les biais de mesures qu’ils induisent impactant les avions visant une approche de Cat II/III avec le GBAS. Un modèle de ces pires biais de mesure troposphériques différentiels horizontaux dépendant de l’élévation des satellites pour 2 régions européennes (une région côtière à bas-relief et une région montagneuse à haut relief) est alors développé. La composante verticale du pire retard différentiel troposphérique (retard différentiel dû à la différence d’altitudes entre l’avion et la station sol) est aussi modélisée grâce à une étude statistique qui compare les données réelles au modèle standard établi pour le GBAS. Un modèle du biais de mesure différentiel total non corrigé est développé et doit être introduit dans le calcul des niveaux de protections sous des conditions nominales. Pour borner l’impact de la troposphère sur l’erreur de position tout en se focalisant sur le souhait d’avoir un nombre de données transmises à l’utilisateur faible, différentes solutions ont été développées. Elles restent conservatives en supposant que les biais de mesures se combinent pour engendrer la pire erreur de position verticale. Avec ces méthodes, au minimum 3 paramètres, définis selon leur région géographique d’utilisation, doivent être transmis à l’utilisateur pour le protéger contre ces biais de mesures troposphériques. Les principales contributions de cette thèse sont le développement d’un modèle optimal de traitements pour répondre aux exigences liées à la Cat II/III d’approche avec le MC/MF GBAS. Ceci a été effectué tout d’abord grâce à l’analyse théorique de la possibilité d’avoir des messages transmis à une fréquence plus faible que celle standardisée actuellement à 2 Hz puis par la validation de cette possibilité grâce à l’analyse de données réelles. Ensuite, les autres apports de cette thèse portent sur les solutions permettant de déterminer et de borner les biais de mesures troposphériques différentiels dans les directions horizontales et verticales. Enfin, d’autres contributions incluent la validation du calcul des biais troposphériques et la comparaison entre les gradients troposphériques apparaissant dans les données américaines et européennes pour une région côtière à bas-relief et une région montagneuse à haut relief.
Mots-clés : GBAS
Type de document :
Thèse
Signal and Image processing. INP Toulouse, 2016. English
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Contributeur : Laurence Porte <>
Soumis le : jeudi 21 juillet 2016 - 17:06:57
Dernière modification le : mercredi 27 juillet 2016 - 01:03:36

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Alizé Guilbert. Optimal GPS/GALILEO GBAS methodologies with an application to troposphere. Signal and Image processing. INP Toulouse, 2016. English. <tel-01347791>

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