Evaluation de l'intégrité des systèmes de GNSS augmenté pour la navigation fiable

Integrity Assessment of Augmented GNSS for Reliable Navigation

• Auteur / Autrice : Boubeker Belabbas
• Direction : Geneviève Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 25/01/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Duflos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Baudoin, Christophe Macabiau, Nel Samama, Bernard Lapeyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Macabiau, Nel Samama

Mots clés

Mots clés contrôlés

Localisation par satellites, Systèmes de

Traitement du signal

Télédétection

Satellites artificiels en navigation

Mots clés libres

Navigation

Intégrité

Gnss

Navigation fiable

Navigation

Integrity

Gnss

Reliable navigation

Résumé

Cette thèse aborde l'un des principaux défis pour la navigation par satellite pour être utilisé dans des applications critiques: le niveau de confiance placé dans la solution de navigation par satellite utilisé de façon autonome ou augmenté, y compris par des capteurs inertiels. Le niveau de confiance est bien caractérisé dans les applications critiques et est généralement défini en termes de probabilité d'occurrence d'une erreur de position supérieure à une limite d'alarme. Cette mesure est ensuite comparée à un risque d'intégrité spécifié pour l'application considérée. Une première partie de ce défi est de caractériser l'erreur de position. Pour cela, nous décomposons l'erreur globale en erreurs individuelles afin que chacune puisse être interprétée d'une manière physique. Dans ce chapitre une analyse statistique a été effectuée pour caractériser non seulement la magnitude des erreurs individuelles, mais aussi leur niveau de corrélation. Les corrélations considérées sont celles entre erreurs individuelles et la corrélation spatiale des erreurs (corrélation entre les stations). Ensuite, l'impact des erreurs individuelles au niveau de la position est étudié et deux résultats importants ont été obtenus: Les erreurs d'orbite de satellite et d'horloge sont corrélées et dans le cas de la navigation simple fréquence, le délai ionosphère après correction est l'effet dominant dans la direction verticale. La performance du système de positionnement global (GPS) combiné avec Galileo a aussi été étudiée dans ce chapitre. Dans une deuxième partie, nous utilisons un modèle de covariance d'erreurs régionale dans les algorithmes de moniteur d'intégrité autonome (RAIM). Le résultat est une meilleure performance d'intégrité (meilleure confidence dans la précision de la position) qu'avec l'approche de RAIM traditionnelle et ceci sans violer le risque d'intégrité requis. Puis, dans une troisième partie, nous avons étudié la performance d'intégrité du GNSS augmenté soit avec un réseau large de stations (SBAS) ou bien avec une station différentielle (GBAS). La double constellation double fréquence GBAS a été particulièrement étudiée et les performances tenant compte des différentes techniques de lissage ont été évaluées. L'une des principales sources de menace est due aux gradients ionosphériques extrêmes qui ont déjà été observés dans le passé. Par conséquent, son impact sur le système GBAS a été un des approfondissements de cette thèse. GBAS simple fréquence est vulnérable au gradient et donc nous avons étudié un moniteur de gradients ionosphérique spécial. Une analyse exhaustive montre la performance qui peut être réalisé en utilisant un tel moniteur et une architecture optimale qui peut augmenter les performances de détectabilité à une valeur très élevée sans induire des coûts supplémentaires a été suggérée. Dans une quatrième partie, nous définissons et analysons un concept d'intégrité pour le GNSS avec l'hybridation inertielle ainsi qu'une première analyse d'un concept d'intégrité pour le positionnement utilisant le filtrage non linéaire. La plupart des approches séquentielles étudiées dans cette thèse font usage des processus stochastiques. L'hypothèse la plus importante est d'avoir des processus gaussiens. Lorsque l'on considère la distribution des processus plus général, nous avons considéré encore que ce processus est majoré par une distribution Gaussienne. Cette approche intègre très bien le comportement nominal des erreurs car ils peuvent généralement être modélisés à l'aide de processus décentralisés Gaussien. Par conséquent, les concepts d'intégrité sont adaptés au comportement nominal des erreurs et l'approche utilisant les processus de diffusion en donne un support théorique riche

This thesis tackles one of the main challenges for satellite based navigation to be used in safety critical applications: the level of trust one can put in the navigation solution provided by Global Navigation Satellite System (GNSS) as stand alone or with augmentations including inertial sensors. The level of trust is well characterized as standard requirements in every safety of life applications and is usually defined in terms of probability to have a position error larger than an alarm limit without an alert. This metric is then compared to an acceptable integrity risk. A first part in this challenge is to characterize a position error. For that we break down the global error into individual errors so that each can be explained in a physical way. This is what has been developed in Chapter 2. In this chapter, a statistical analysis was conducted to characterize not only the magnitude of the individual errors but also the level of correlations. The correlations considered are those between individual errors and the correlations of individual errors with respect to the user location (correlation between stations). Then the impact of individual errors at the position level is investigated and some important results are that the satellite orbit and clock errors are correlated and that in the case of standalone single frequency positioning, the ionosphere delay after correction is the dominant effect in the vertical direction. As we investigated the impact in the position domain, we also considered the combination of the Global Positioning System (GPS) with Galileo.In a second part we use a location dependent covariance model of satellite pseudo range errors which and we apply this regional matrix to a residual based Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) algorithm. The result is a better integrity performance (better trust in the position accuracy) than with the legacy RAIM approach without increasing the risk of errors larger than the protection levels. Then in a third part we investigated the integrity performance of GNSS when augmented with either a Space Based Augmentation System (SBAS) or a Ground Based Augmentation System (GBAS). The dual constellation dual frequency GBAS was particularly investigated and the performances using different smoothing techniques were assessed. One of the major source of threat is the strong ionosphere gradients that were already observed in the past. Therefore its impact in GBAS was one of the focuses of this thesis. GBAS single frequency and single constellation is vulnerable to large gradient and therefore we investigated special ionosphere gradient monitor. An exhaustive analysis shows the performance that can be achieved using such a monitor and an optimal architecture that can increase the detectability performance to a very high value without inducing additional costs.In a fourth part we define and analyze an integrity concept for GNSS with inertial hybridization tackling also the complex problem of integrity for positioning while using nonlinear filtering. Different sensitivity analyses are conducted and the approach considered in this part can easily be generalized for any filtering techniques.Most of the sequential approaches investigated in this thesis make use of stochastic processes. The most important assumption is to have Gaussian processes. When considering more general process distribution, we still considered that this process is overbounded by a Gaussian distributed one. This approach fits very well the nominal behavior of errors as they usually can be modeled using Gaussian distributed process. Therefore the integrity concepts is adapted to nominal behavior of errors and therefore the approach using diffusion processes is sufficient to develop a formalism for an integrity concept