Benefits from a multi-receiver architecture for GNSS precise positioning and attitude determination
Bénéficie d'une architecture multi-récepteurs pour un positionnement GNSS RTK et la détermination de l'attitude
Résumé
Precise positioning with a stand-alone GPS receiver or using differential corrections is known to be strongly degraded in an urban or sub-urban environment due to frequent signal masking, strong multipath effect, frequent cycle slips on carrier phase, etc. The objective of this Ph.D. thesis is to explore the possibility of achieving precise positioning with a low-cost architecture using multiple installed low-cost single-frequency receivers with known geometry whose one of them is RTK positioned w.r.t an external reference receiver. This setup is thought to enable vehicle attitude determination and RTK performance amelioration. In this thesis, we firstly proposed a method that includes an array of receivers with known geometry to enhance the performance of the RTK in different environments. Taking advantage of the attitude information and the known geometry of the installed array of receivers, the improvement of some internal steps of RTK w.r.t an external reference receiver can be achieved. The navigation module to be implemented in this work is an Extended Kalman Filter (EKF). The performance of a proposed two-receiver navigation architecture is then studied to quantify the improvements brought by the measurement redundancy. This concept is firstly tested on a simulator in order to validate the proposed algorithm and to give a reference result of our multi-receiver system’s performance. The pseudorange measurements and carrier phase measurements mathematical models are implemented in a realistic simulator. Different scenarios are conducted, including varying the distance between the 2 antennas of the receiver array, the satellite constellation geometry, and the amplitude of the noise measurement, in order to determine the influence of the use of an array of receivers. The simulation results show that our multi-receiver RTK system w.r.t an external reference receiver is more robust to noise and degraded satellite geometry, in terms of ambiguity fixing rate, and gets a better position accuracy under the same conditions when compared with the single receiver system. Additionally, our method achieves a relatively accurate estimation of the attitude of the vehicle which provides additional information beyond the positioning. In order to optimize our processing, the correlation of the measurement errors affecting observations taken by our array of receivers has been determined. Then, the performance of our real-time single frequency cycle-slip detection and repair algorithm has been assessed. These two investigations yielded important information so as to tune our Kalman Filter. The results obtained from the simulation made us eager to use actual data to verify and improve our multi-receiver RTK and attitude system. Tests based on real data collected around Toulouse, France, are used to test the performance of the whole methodology, where different scenarios are conducted, including varying the distance between the 2 antennas of the receiver array as well as the environmental conditions (open sky, suburban, and constrained urban environments). The thesis also tried to take advantage of a dual GNSS constellation, GPS and Galileo, to further strengthen the position solution and the reliable use of carrier phase measurements. The results show that our multi-receiver RTK system is more robust to degraded GNSS environments. Our experiments correlate favorably with our previous simulation results and further support the idea of using an array of receivers with known geometry to improve the RTK performance.
Le positionnement précis avec un récepteur GPS autonome ou utilisant des corrections différentielles est connu pour être fortement dégradé dans un environnement contraint (conditions urbaines ou suburbaines) en raison d'un masquage fréquent du signal, d'un fort effet de trajets multiples, de fréquents sauts de cycles sur la mesure de phase, etc. L'objectif de cette thèse est alors d'explorer la possibilité de réaliser un positionnement précis avec une architecture à faible coût : en utilisant plusieurs récepteurs monofréquence à faible coût avec une géométrie connue pour permettre la détermination de l'attitude du véhicule et l'amélioration des performances RTK. Dans cette thèse, nous avons premièrement proposé une méthode qui comprend un réseau de récepteurs à géométrie connue pour améliorer les performances du RTK dans différents environnements. En tirant parti des informations d'attitude et de la géométrie connue du réseau de récepteurs, l'amélioration de certaines étapes internes de positionnement précis RTK peut être réalisée. Le module de navigation à implémenter dans ce travail est un filtre de Kalman étendu (EKF). Les performances de notre proposition d'architecture de navigation à deux récepteurs sont ensuite étudiées pour quantifier les améliorations apportées par la redondance de mesures, dont le nombre est doublé. Ce concept est d'abord testé sur un simulateur pour valider l'algorithme proposé et donner une référence des performances de notre système multi-récepteurs. Les modèles mathématiques des mesures de pseudodistance et des mesures de phase sont implémentés dans un simulateur réaliste. Différents scénarios sont conduits dont la variation de la distance entre les 2 antennes du réseau de récepteurs, la géométrie de la constellation de satellites et l'amplitude de la mesure du bruit pour valider l'influence de l'utilisation d'un réseau de récepteurs. Les résultats de la simulation montrent que notre système RTK multi-récepteurs est plus robuste au bruit et à une dégradation de la géométrie de satellites, en termes de taux de fixation d'ambiguïté, et obtient une meilleure précision de positionnement dans les mêmes conditions par rapport au système à récepteur unique. De plus, notre méthode permet d'obtenir une estimation relativement précise de l'attitude du véhicule qui fournit des informations supplémentaires au-delà du positionnement. Afin d'optimiser notre traitement, la corrélation des erreurs de mesure affectant les observations effectuées par notre réseau de récepteurs a été déterminée. Ensuite, les performances de notre algorithme de détection et de réparation de sauts de cycle mono-fréquence en temps réel ont été évaluées. Ces deux études ont fourni des informations importantes afin d'ajuster notre filtre de Kalman. Les résultats obtenus à partir de la simulation nous incitent à utiliser des données réelles pour vérifier et améliorer notre modèle multirécepteur. Des tests basés sur des données réelles collectées autour de Toulouse, en France, sont utilisés pour tester les performances de l'ensemble de la méthodologie, où différents scénarios sont menés, notamment en faisant varier la distance entre les 2 antennes du réseau de récepteurs et les conditions environnementales (ciel ouvert, suburbain et urbain contraint). La thèse a également tenté de tirer parti d'une double constellation de GNSS, GPS et Galileo, pour renforcer davantage la solution de position et l'utilisation fiable des mesures de phase de porteuse. Les résultats montrent que notre système RTK multi-récepteurs est plus robuste aux environnements GNSS dégradés. Nos expériences sont en corrélation favorable avec nos résultats de simulation précédents et soutiennent en outre l'idée d'utiliser un réseau de récepteurs avec une géométrie connue pour améliorer les performances RTK
Origine : Version validée par le jury (STAR)