Reference : Ionosphere Modelling for Galileo Single Frequency Users
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Engineering, computing & technology : Electrical & electronics engineering
Physical, chemical, mathematical & earth Sciences : Earth sciences & physical geography
http://hdl.handle.net/2268/131216
Ionosphere Modelling for Galileo Single Frequency Users
English
[fr] Modélisation de l'ionosphère pour les utilisateurs Galileo simple-fréquence
Bidaine, Benoit mailto [Université de Liège - University of Liège - ULg > Faculté des Sciences - Faculty of Sciences - FS > Unité de Géomatique - Geomatics Unit > Doctorat en sciences - PhD in sciences >]
25-Oct-2012
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Doctorat en sciences
ix, 51 + 61
Warnant, René mailto
Billen, Roland mailto
Arbesser-Rastburg, Bertram mailto
Cander, Ljiljana mailto
Cornet, Yves mailto
Gérard, Jean-Claude mailto
Jodogne, Jean-Claude mailto
[en] ionosphere ; satellite navigation ; GNSS ; Galileo ; single frequency ; absolute positioning ; point positioning ; ionospheric delay ; ionospheric correction ; mitigation ; positioning accuracy ; total electron content (TEC) ; ionosonde ; ionosphere modelling ; NeQuick model ; electron density model ; topside ; data ingestion ; effective ionisation level ; multiple ingestion ; variance-driven ingestion ; adaptative effective ionisation level ; parametrised ingestion ; TEC map ingestion
[fr] ionosphère ; navigation par satellites ; GNSS ; Galileo ; simple fréquence ; positionnement absolu ; positionnement ponctuel ; délai ionosphérique ; correction ionosphérique ; précision du positionnement ; contenu électronique total (TEC) ; ionosonde ; modélisation de l’ionosphère ; modèle NeQuick ; modèle de densité électronique ; topside ; ingestion de données ; niveau d’ionisation effectif ; ingestion multiple ; ingestion conduite par la variance ; niveau d’ionisation effectif adaptatif ; ingestion paramétrée ; ingestion de cartes de TEC ; Géodésie et GNSS
[en] Nowadays the ionosphere constitutes one of the most often modelled natural media. Indeed each GPS receiver among nearly two million units sold daily throughout the world runs a model to mitigate the ionospheric effect affecting the signal propagation from the satellites. This propagation is delayed by the free electrons in the atmosphere so that the navigation signals appear to travel distances larger than actual ones by 7 m on average. Hence this delayed propagation deteriorates the positioning accuracy deemed on a 10−m level for mass-market applications mainly involving single frequency users.
Tomorrow the European navigation system Galileo will offer a new mitigation strategy to single frequency users. This strategy will rely on the NeQuick ionospheric model and associated broadcast information. To be properly implemented, it must be extensively described to future Galileo users. These users will also wonder about its effectiveness in accounting for the ionospheric delay.
The PhD research covered by the present thesis has built on Belgian expertise in ionosphere monitoring to investigate the NeQuick model and its use for Galileo. It began with the collection and handling of ionosphere measurements including GPS data. It analysed various situations at different places in the world encompassing a whole year (2002).
This PhD thesis provides the ins and outs of the Galileo Single Frequency Ionospheric Correction Algorithm. It gathers an algorithm description, a performance evaluation and a variant investigation. In the shape of a paper collection, it discloses many figures as visual entry-points into the juxtaposed text and includes many references allowing to dig into the details.

The algorithm performances are usefully characterised both in terms of delay mitigation and positioning accuracy. On the one hand, the residual ionospheric delay reaches 31% for the chosen sites and year. On the other hand, the positioning accuracy amounts to 6 m horizontally and 9.3 m vertically.
The performance evaluation allowed to emphasise several aspects of the Galileo ionospheric correction. This correction depends largely on the modelling of the topside, the upper part of the ionosphere, which hosts more complex physical processes. It owes its good performances to data ingestion, the model adaptation technique to actual measurements underlying the Galileo algorithm. It does not necessarily provide highly correlated correction levels in terms of delay on the one hand and positioning on the other. It enables the definition of alternative regional procedures following a compatible design but coping with its weaknesses.
The present thesis paves the way for future work related to ionosphere modelling for Galileo single frequency users. It supplies comparative information for the algorithm assessment in the framework of successive phases of Galileo deployment. It establishes a conceptual basis for an Assisted Ionospheric Correction Algorithm (A-ICA) disseminating more flexible ionospheric information thanks to the integration of Global Navigation Satellite Systems and telecommunications.
[fr] De nos jours, l’ionosphère constitue l’un des milieux naturels les plus souvent modélisés. En effet chaque récepteur GPS parmi presque deux millions d’unités vendues quotidiennement dans le monde utilise un modèle afin de corriger l’effet ionosphérique qui affecte la propagation du signal depuis les satellites. Cette propagation est retardée par les électrons libres dans l’atmosphère de sorte que les signaux de navigation semblent parcourir des distances plus grandes de 7 m en moyenne que les distances réelles. Par conséquent cette propagation retardée détériore la précision de positionnement réputée de l’ordre de 10 m pour les applications grand public impliquant principalement des utilisateurs simple fréquence.
Demain, le système européen de navigation Galileo offrira une nouvelle stratégie de correction pour les utilisateurs simple fréquence. Cette stratégie s’appuiera sur le modèle ionosphérique NeQuick et des informations émises associées. Pour être correctement mise en oeuvre, elle doit être décrite en détails aux futurs utilisateurs Galileo. Ces utilisateurs s’interrogeront également sur son efficacité à prendre en compte le délai ionosphérique.
La recherche doctorale couverte par la présente thèse s’est appuyée sur l’expertise belge en observation de l’ionosphère pour investiguer le modèle NeQuick et son utilisation pour Galileo. Elle a commencé par la collecte et la prise en main de mesures ionosphériques y compris des données GPS. Elle a analysé différentes situations à différents endroits dans le monde englobant une année entière (2002).
Cette thèse de doctorat présente les tenants et les aboutissants de l’algorithme de correction ionosphérique simple fréquence de Galileo. Elle rassemble une description de l’algorithme, une évaluation des performances et une investigation de variantes. Sous forme d’un recueil d’articles, elle arbore de nombreuses figures comme autant de points d’entrée dans le texte juxtaposé et comprend de nombreuses références permettant d’approfondir les détails.

Les performances de l’algorithme sont utilement caractérisées à la fois en termes de correction du délai et de précision du positionnement. D’une part, le délai ionosphérique résiduel atteint 31% pour les sites et l’année choisis. D’autre part, la précision de positionnement s’élève à 6 m horizontalement et de 9,3 m verticalement.
L’évaluation des performances a permis de souligner plusieurs aspects de la correction ionosphérique Galileo. Cette correction dépend en grande partie de la modélisation du topside, la partie supérieure de l’ionosphère, qui abrite des processus physiques plus complexes. Elle doit ses bonnes performances à l’ingestion de données, la technique d’adaptation du modèle à des mesures réelles, qui sous-tend l’algorithme de Galileo. Elle ne fournit pas nécessairement des niveaux de correction fortement corrélés en termes de délai d’une part et de positionnement de l’autre. Elle permet de définir des procédures alternatives régionales suivant une conception compatible mais neutralisant ses faiblesses.
La présente thèse ouvre la voie pour de futurs travaux liés à la modélisation de l’ionosphère pour les utilisateurs Galileo simple fréquence. Elle fournit des informations comparatives pour l’évaluation de l’algorithme dans le cadre des phases successives de déploiement de Galileo. Elle établit une base conceptuelle pour un algorithme assisté de correction ionosphérique diffusant des informations ionosphériques plus flexibles grâce à l’intégration des systèmes globaux de navigation par satellites et des télécommunications.
Fonds de la Recherche Scientifique (Communauté française de Belgique) - F.R.S.-FNRS
Researchers ; Professionals ; Students ; General public
http://hdl.handle.net/2268/131216
http://www.geo.ulg.ac.be/cms/index.php?mact=GeomNews,cntnt01,detail,0&cntnt01articleid=103&cntnt01returnid=107

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