Abstract :
[en] Nowadays, Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) play a significant role in our modern society as they support a wide range of applications worldwide associated with utterly demanding performance requirements. However, GNSS performances in terms of accuracy, continuity and reliability are limited by the Earth’s ionosphere. In particular, small-scale irregularities and inhomogeneities in the ionospheric free-electron density are responsible for diffraction and scattering effects on GNSS signals that propagate through such ionospheric disturbances. These effects result in rapid fluctuations of the amplitude and phase of GNSS signals, also known as ionospheric scintillations, which can severely disrupt the performances of GNSS navigation and positioning algorithms. The ultimate objective of this PhD thesis consists in prototyping mitigation strategies in order to improve the accuracy, continuity and reliability performances of GNSS algorithms in case of low-latitude ionospheric scintillations. In particular, this research targets two specific Single-Point Single-Epoch (SPSE) GNSS algorithms, namely the Standard Point Positioning (SPP) and the Precise Point Positioning (PPP) algorithms. The mitigation strategies prototyped in the framework of this research are based on ionospheric scintillation skymaps resulting from the application of specific spatial analysis techniques on ionospheric scintillation measurements. Specifically, these prototype mitigation strategies target the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the SPP and PPP algorithms. First, this PhD thesis presents a statistical analysis based on measurements performed by a network of Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers (ISMRs) located near the magnetic equator in Brazil and collected during the year 2014, i.e. during the (second) peak of the last solar maximum (solar cycle 24). This statistical analysis leads to the conclusion that high-end GNSS receivers operating in low-latitude regions can see their positioning performances affected by ionospheric scintillations during about 20%–30% of the time in case of active ionospheric conditions. The addition of detrimental effects due to signal fading, cycle slips and losses of signal lock results in poor positioning performances in terms of accuracy, continuity and reliability during moderate-to-intense ionospheric scintillation events. As the performances of the PPP algorithm rely on the precision of carrier phase measurements, the PPP algorithm is more sensitive to ionospheric scintillations than the SPP algorithm, which is based on code pseudorange measurements exclusively. In case of active ionospheric scintillation conditions, the Root-Mean-Square Error (RMSE) of the tridimensional PPP solution can be as high as 6.73 m and its success rate as low as 50% by comparison to 0.18 m and about 100%, respectively, during quiescent conditions. Then, this PhD thesis focusses on the spatiotemporal characteristics of ionospheric scintillations by exploiting spatial analysis techniques applied to scintillation measurements collected through the experimental ISMR network located in Brazil. Spatial analysis techniques consider densified ionospheric scintillation skyplots composed of Ionospheric Pierce Points (IPPs) as spatial samples whose geometric and attribute components evolve over time as satellites are orbiting the Earth and as ionospheric conditions change. This approach turns out to be successful in detecting, scaling and tracking significantly positive spatial autocorrelation in ionospheric scintillation skyplots during active ionospheric conditions. The spatial analysis techniques exploited in the framework of this research eventually led to the design of three types of real-time ionospheric scintillation skymaps that quantify the spatiotemporal characteristics of low-latitude ionospheric scintillations. Finally, this PhD thesis describes the design and benchmarks the performances of several categories of prototype mitigation strategies against ionospheric scintillations that target the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the SPP and PPP algorithms. The design of the strategies is based on several types of ionospheric scintillation skymaps and the benchmark of their performances relies on the definition of several specific performance parameters. Globally, all the prototype mitigation strategies designed in the framework of this PhD thesis contribute to increase the accuracy, continuity and reliability performances of the SPP and PPP algorithms during low-to-moderate ionospheric scintillations. Strategies associated with ionospheric scintillation skymaps based on local spatial autocorrelation statistics outperform strategies based on interpolated skymaps. Strategies related to the weighting scheme of the stochastic model provide better results for the SPP algorithm than the PPP algorithm whose performances are further enhanced by strategies implementing spatial masks. Prototype mitigation strategies tuning the integrity monitoring stage of the SPP and PPP algorithms increase significantly the continuity and reliability performances of the algorithms but at the expense of a heavier computational load. Best performances for the SPP and PPP algorithms in terms of reliability are obtained by hybrid strategies targeting both the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the algorithms.
[fr] Les systèmes globaux de positionnement et de navigation par satellites (Global Navigation Satellite Systems – GNSSs) occupent désormais une place prépondérante dans notre société moderne. En effet, ils supportent une multitude d’applications de par le monde qui nécessitent des performances sans cesse croissantes en termes d’exactitude, de continuité et de fiabilité. Cependant, les performances du positionnement par satellites sont limitées par l’ionosphère terrestre. En particulier, les irrégularités dans la densité en électrons libres de l’ionosphère sont responsables d’effets de diffraction et de dispersion sur les signaux GNSS qui se propagent au travers de telles perturbations ionosphériques. Ces effets se traduisent par des fluctuations rapides de l’amplitude et de la phase des signaux GNSS, aussi désignées sous le vocable scintillations ionosphériques, qui peuvent sévèrement dégrader les performances des algorithmes de positionnement et de navigation par satellites. L’objectif ultime poursuivi par cette Thèse de Doctorat consiste à développer des prototypes de stratégies d’atténuation des effets des scintillations ionosphériques afin d’améliorer les performances des systèmes de positionnement par satellites en cas de scintillations ionosphériques équatoriales. En particulier, cette recherche cible deux algorithmes de positionnement par satellites, à savoir le Standard Point Positioning (SPP) et le Precise Point Positioning (PPP). Les stratégies d’atténuation prototypées dans le cadre de cette recherche sont basées sur des cartes de scintillations ionosphériques qui résultent de l’application de techniques d’analyse spatiale sur des mesures de scintillations ionosphériques effectuées à l’aide de récepteurs GNSS spécialement conçus à cet effet (Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers – ISMRs). Plus spécifiquement, ces stratégies ciblent les étapes de la modélisation stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP. Tout d’abord, cette Thèse de Doctorat présente une analyse statistique basée sur des mesures effectuées par un réseau de récepteurs de type ISMR implanté à proximité de l’équateur magnétique, au Brésil. Les mesures ont été collectées durant l’année 2014, c’est-à-dire durant le (second) pic d’intensité du dernier maximum solaire (cycle solaire n°24). Cette analyse statistique mène à la conclusion que les récepteurs GNSS opérant dans des régions de basse latitude peuvent voir leurs performances de positionnement affectées par des scintillations ionosphériques durant 20%–30% du temps en cas de conditions de scintillations ionosphériques actives. La combinaison d’effets néfastes engendrés par des atténuations de signal, des pertes de verrouillage de signal et des sauts de cycles entraîne une forte baisse des performances des algorithmes SPP et PPP en termes d’exactitude, de continuité et de fiabilité. Etant donné que les hautes performances de l’algorithme PPP dépendent de la précision de mesures de phase, l’algorithme PPP est davantage sensible aux scintillations ionosphériques que l’algorithme SPP, basé exclusivement sur des mesures de code. En cas de scintillations ionosphériques sévères, la racine carrée de l’erreur quadratique moyenne (Root-Mean-Square Error – RMSE) de la solution PPP peut atteindre la valeur extrême de 6.73 m et s’associer à un taux de succès aussi faible que 50%, par comparaison à une valeur de 0.18 m et de 100%, respectivement, pendant des conditions nominales. Ensuite, cette Thèse de Doctorat se focalise sur les caractéristiques spatio-temporelles des scintillations ionosphériques au moyen de techniques d’analyse spatiale appliquées à des mesures de scintillations ionosphériques collectées au travers du réseau expérimental implanté au Brésil. Ces techniques d’analyse spatiale considèrent des cartes du ciel, dénommées skyplots, représentant des échantillons spatiaux densifiés composés de points de percée ionosphériques (Ionospheric Pierce Points – IPPs) associés à des mesures de scintillations ionosphériques. Ces échantillons sont caractérisés par des composantes géométrique et attributaire qui évoluent au cours du temps étant donné que les satellites GNSS se déplacent continuellement sur leurs orbites respectives et que l’état de l’ionosphère varie également au cours du temps. Cette approche s’est révélée particulièrement efficace pour détecter, mesurer et localiser la présence d’autocorrélation spatiale significativement positive dans des skyplots de scintillations ionosphériques en cas de conditions actives. Les techniques d’analyse spatiale exploitées dans le cadre de cette recherche permettent de construire trois types de cartes de scintillations ionosphériques qui ont la capacité de quantifier les caractéristiques spatio-temporelles des scintillations ionosphériques équatoriales en temps réel. Enfin, cette Thèse de Doctorat décrit la construction de plusieurs catégories de prototypes de stratégies visant à limiter l’impact des scintillations ionosphériques sur les performances des algorithmes SPP et PPP. Ces stratégies visent tout particulièrement les étapes de la modélisation stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP. Elles sont établies sur base des cartes de scintillations ionosphériques élaborées précédemment. Les différentes stratégies prototypées sont ensuite mises au banc d’essai afin d’évaluer et de comparer leurs performances en termes de positionnement selon plusieurs critères spécifiques. Globalement, toutes les stratégies d’atténuation prototypées dans le cadre de cette recherche contribuent à l’amélioration des performances en termes d’exactitude, de continuité et de fiabilité des algorithmes SPP et PPP en cas de scintillations ionosphériques équatoriales modérées. Les stratégies d’atténuation associées à des cartes de scintillations ionosphériques basées sur des indices d’autocorrélation spatiale locale surclassent les stratégies basées sur des cartes de scintillations ionosphériques interpolées. Les stratégies visant la pondération des observations au sein du modèle stochastique fournissent de meilleurs résultats pour l’algorithme SPP que pour l’algorithme PPP, dont les performances sont davantage améliorées par l’utilisation de masques spatiaux. Les prototypes de stratégies d’atténuation qui optimisent l’étape du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP augmentent considérablement les performances des algorithmes en termes de continuité et de fiabilité mais elles impliquent également une hausse significative de la charge de calcul associée. Les meilleurs performances en termes de fiabilité des algorithmes SPP et PPP en cas de fortes scintillations ionosphériques sont obtenues par l’implémentation de stratégies hybrides qui combinent une optimisation du modèle stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP.
