Modeling and monitoring of new GNSS signal distortions in the context of civil aviation
Modélisation et surveillance des distorsions pour les nouveaux signaux GNSS dans le contexte de l’aviation civile
Résumé
Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is used nowadays in various fields for navigation and positioning including safety-of-life applications. Among these applications is civil aviation that requires a very high quality of service for the most demanding phases of flight. The quality of the GNSS service is typically based on four criteria (integrity, accuracy, availability and continuity), that have to meet International Civil Aviation Organization (ICAO) requirements. To meet these requirements any source of potential service degradations has to be accounted for.
One such example is GNSS signal distortions due to the satellite payload which can manifest in two ways:
Nominal signal distortions generated by healthy satellites due to payload imperfections. This type of perturbation can limit the accuracy of the GNSS measurements and result in the unavailability of the service for some very stringent phases of flight. To mitigate their impact, a precise characterization of these distortions and a knowledge of their effects on civil aviation GNSS receivers are necessary.
Non-nominal distortions that are triggered by a satellite payload failure. Non-nominal distortions, also called Evil WaveForms (EWFs) are rare events that may pose an integrity risk if the signal remains used by the airborne receiver. The strategy proposed by ICAO to deal with the EWF challenge is to characterize threatening distortions by the definition of a Threat Model (TM) and to build an appropriate monitor, referred to as Signal Quality Monitor (SQM) that will be able to detect any distortion from the TM that could lead to a position integrity failure. This task is performed by GNSS augmentation systems including Ground Based Augmentation Systems (GBAS) and Satellite Based Augmentation Systems (SBAS). The current monitors are based on the analysis of the correlation function.
Supported by the groundwork performed by civil aviation on signal distortions for the GPS L1 C/A signal, this dissertation aims at proposing new distortions models associated to the new Global Positioning System (GPS) and Galileo signals that will be used by civil aviation after 2020.
One important characteristic of GNSS signal distortions is that although they impact all users of the distorted signal, the consequence on the estimated pseudorange is dependent upon the GNSS receiver setting. This makes arduous the estimation of the impact of signal distortions on a GNSS user. The receiver parameters that have an influence on the pseudorange measurement estimated from distorted signals (nominal or non-nominal distortions) are listed. In addition illustrations to show the influence of these parameters on the GNSS receiver signal processing are proposed.
The thesis first looks at the nominal distortions through GPS L1 C/A and Galileo E1C signals. Different types of observations are used based on correlation or chip domain visualization, and using high-gain and omnidirectional antennas.
This investigation allows to:
compare results with the state-of-the-art to validate the receiver processing software developed for this study,
confirm published results and provide new results,
make a comparison between nominal distortions observed from measurements collected with a high-gain dish antenna and with an omnidirectional antenna.
The conclusions of the analysis are that the nominal distortions are relatively constant over years and that a precise characterization of nominal distortions is difficult notably because it is challenging to isolate signal distortions induced by the satellite from distortions induced by the receiver.
After the observation of nominal distortions, the dissertation investigates the non-nominal distortions due to the payload failure. In particular, new TMs for new signals (GPS L5, Galileo E5a and Galileo E1C) are proposed. To define these TMs, the same parameters as the ones used to define the ICAO TM for GPS L1 C/A are used. The main work then consists in defining the range of the TMs parameters for the new signals. The limitation of the range of these parameters is based on two criteria: the impact of a distortion on a reference station and the impact of a distortion on differential users. It is noticeable that the new proposed TMs are larger than the GPS L1 C/A ICAO TM, resulting in an increase by a factor 100 of the number of considered threats.
Then, the dissertation investigates the SQM that would be necessary to protect a civil aviation user against the TMs for new GNSS signals. The new SQM is based on current receiver technologies, in particular the ability to use many correlator outputs from the same signal. The main contribution is to propose an innovative representation to test and compare the SQMs performance whatever the received signal C⁄N_0 is. This representation is based on several assumptions but a strategy is exposed to still be able to use this representation if all assumptions are not fulfilled. From this representation, new SQMs (for each signal) are designed, their performances are assessed, and optimization processes are described to reduce their complexity.
The concluding chapter of the dissertation reviews the main contributions of this Ph.D.. In addition perspectives for future works that could be conducted from the study performed in this Ph.D. are exposed.
Le GNSS est actuellement présent dans de nombreux domaines et permet le positionnement et la navigation. De nombreuses applications tirent profit du service apporté par le GNSS à l’exemple des applications portant sur la sécurité des personnes. Parmi ces applications, l’aviation civile a besoin d’une qualité de service très élevée et fiable, notamment pendant les phases de vol les plus exigeantes. Cette qualité de service est généralement basée sur quatre critères (l’intégrité, la précision, la disponibilité et la continuité) qui se doivent de respecter les exigences fixées par l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI). Afin de satisfaire ces exigences, toutes les sources de dégradations potentielles du service doivent être prises en compte.
Les distorsions des signaux GNSS générées par la charge utile du satellite sont un exemple de problème qui doit être pris en compte par l’aviation civile. Elles peuvent se manifester de deux manières différentes:
Les distorsions nominales générées par les satellites en fonctionnement normal. Ces distorsions sont causées par des imperfections au niveau de la charge utile du satellite. Elles limitent la précision des mesures obtenues grâce au GNSS et cela peut entraîner une indisponibilité du service pendant les phases de vol les plus contraignantes. Pour atténuer leur impact, il est nécessaire de caractériser de manière précise ces distorsions et de connaître leurs effets sur les récepteurs GNSS de l’aviation civile.
Les distorsions non nominales générées lors d’une panne de la charge utile d’un satellite. Les distorsions non nominales, aussi appelées EWFs sont des événements rares qui peuvent poser des problèmes d’intégrité si des signaux affectés par de telles distorsions sont utilisés par un récepteur embarqué. Afin de répondre à la problématique liée aux EWFs, la stratégie proposée par l’OACI est tout d’abord de caractériser par le biais d’un modèle de menaces (aussi appelé TM) les distorsions qui pourraient menacer les utilisateurs. Ensuite le but est de mettre au point un système permettant de détecter les distorsions du TM pouvant entraîner des pertes d’intégrité. Ce système de détection est appelé SQM et est implémenté dans les systèmes d’augmentation du GNSS tels que le GBAS et le SBAS. Les détecteurs actuels sont basés sur une analyse de la fonction de corrélation.
En utilisant les travaux réalisés dans le passé par l’aviation civile dans le cadre du signal GPS L1 C/A, un but de cette thèse est de proposer de nouveaux modèles de distorsions associés aux nouveaux signaux GPS et Galileo qui vont être utilisés par l’aviation civile après 2020.
Une importante propriété des distorsions des signaux GNSS est que, bien qu’elles impactent tous les utilisateurs du signal déformé, la conséquence sur la pseudo-distance estimée dépend du récepteur GNSS. Cela rend compliqué l’estimation de l’impact d’une distorsion sur les récepteurs GNSS. Les paramètres ayant une influence sur la mesure de pseudo-distance estimée à partir d’un signal déformé (que ce soit par une distorsion nominale ou non nominale) sont listés. De plus, des illustrations sont proposées afin de montrer l’influence de ces paramètres sur le traitement du signal opéré par le récepteur GNSS.
Tout d’abord, cette thèse aborde le problème des déformations nominales affectant les signaux GPS L1 C/A et Galileo E1C. Différentes observations sont réalisées à partir de la visualisation de la fonction de corrélation ou du signal et par l’utilisation d’antennes à haut gain et d’une antenne omnidirectionnelle.
Cette étude permet de :
comparer les résultats avec ceux présents dans la littérature afin de valider le bon fonctionnement du traitement du signal implémenté dans le récepteur virtuel mis au point dans le cadre de cette thèse,
confirmer les résultats déjà publiés et fournir de nouveaux résultats,
faire une comparaison entre les distorsions nominales observées à partir de collectes réalisées grâce à une antenne parabolique à haut gain et à une antenne omnidirectionnelle.
Les conclusions de cette analyse sont que les distorsions nominales sont relativement constantes au fil des années et qu’une caractérisation précise des distorsions nominales est rendue compliquée étant donné la difficulté d’isoler la distorsion du signal induite par le satellite de celle induite par le récepteur.
Après l’observation des distorsions nominales, cette thèse aborde le sujet des distorsions non nominales du signal, causées par une panne de la charge utile. Dans ce cadre, de nouveaux TMs pour les nouveaux signaux (GPS L5, Galileo E5a et Galileo E1C) sont proposés. La définition de ces TMs est basée sur les mêmes paramètres que ceux utilisés pour définir le TM de l’OACI pour le signal GPS L1 C/A. Le travail consiste alors en la limitation des valeurs que peuvent prendre les paramètres en ce qui concerne les nouveaux signaux. Cette limitation est fondée sur deux critères : l’impact d’une distorsion sur la station de référence et l’impact de la distorsion sur un utilisateur différentiel. Il est à noter que les nouveaux TMs proposés lors de cette étude sont plus larges (environ d’un facteur 100) que le TM défini par l’OACI pour le signal GPS L1 C/A.
La dernière étape de cette thèse se focalise sur l’étude de SQMs capables de protéger un utilisateur de l’aviation civile contre les distorsions des TMs proposés pour les nouveaux signaux. Les SQMs envisagés utilisent les technologies actuellement disponibles au niveau récepteur. En particulier, de nombreuses sorties de corrélateurs estimées à partir d’un même signal sont utilisées. La principale contribution est de proposer une représentation innovante afin de tester et de comparer les performances de SQMs quel que soit la valeur du C⁄N_0 . Cette représentation est basée sur plusieurs hypothèses mais une stratégie qui permet d’utiliser cette représentation quand les hypothèses ne sont pas toutes vérifiées est exposée. A partir de cette représentation, de nouveaux SQMs sont définis pour chaque signal. Les performances de ces SQMs sont estimées et un processus d’optimisation permettant de réduire la complexité des SQMs est décrit.
En guise de conclusion, les principales contributions de cette thèse sont résumées dans le dernier chapitre. De plus, les perspectives qui pourraient être envisagées et les travaux futurs qui pourraient être entrepris en continuité de cette thèse sont exposés.
