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Page de résumé pour ULgetd-01052012-112027

Auteur : Spits, Justine
URN : ULgetd-01052012-112027
Langue : Anglais/English
Titre : Total Electron Content reconstruction using triple frequency GNSS signals
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences
Département : FS - Département des sciences géographiques
Jury :
Nom : Titre :
Arnould, Robert Membre du jury/Committee Member
Jodogne, J.C. Membre du jury/Committee Member
Stankov, S. Membre du jury/Committee Member
van der Marel, H. Membre du jury/Committee Member
Billen, Roland Président du jury/Committee Chair
Warnant, René Promoteur/Director
Mots-clés :
  • GPS
  • Galileo
  • TEC
  • multi-frequency/multifréquence
  • ionosphere
Date de soutenance : 2012-01-25
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

Nowadays, Global Navigation Satellite System (GNSS) provide accurate three dimensional positioning and navigation anywhere and anytime on the Earth’s surface and are being

utilized in numerous civilian and military applications. The US Global Positioning System

(GPS) is currently being modernized to transmit radio signals on an additional third frequency, while the European Galileo is a newly developed system which will transmit on three

civil frequency bands.

One of the major error sources affecting GNSS is the delay caused when the signals pass

through the ionosphere on their way to the Earth’s surface. This delay is inversely proportional to the square of the carrier frequency, and directly proportional to the Total Electron

Content (TEC) of the ionosphere. In the last 20 years, several techniques using dual frequency

GNSS measurements have been developed to estimate the TEC. With these techniques, systematic errors are confined to at least - 2.5 and 2.5 TECU for a mid-latitude site, and to at least

- 5.5 and 5 TECU for a low-latitude location.

In the last decades, knowledge about the ionosphere has grown considerably thanks to the

use of GNSS measurements, and in turn the GNSS have highly benefited from this improved

knowledge. Nowadays the availability of triple frequency GNSS signals enables the development of new processing techniques. We have therefore dedicated this work to developing a

TEC reconstruction methodology based on triple frequency GNSS measurements and aimed

at improving the accuracy of the final TEC values with regards to existing techniques.

The structure of this study is as follows. Firstly, we provide information about GNSS, focusing on concepts, definitions and assumptions which will be used throughout this study.

Then, we introduce the concepts of ionospheric propagation of radio signals and give a review of the literature on existing techniques used to extract the TEC with dual frequency

GNSS measurements. We further present the complete design of the triple frequency TEC

reconstruction methodology. We start by giving the set of combinations which allows us to

resolve the original integer ambiguities, then we address the principles of TEC reconstruction,

and finally we give an accuracy assessment of the computed TEC values. We also present an

innovative technique to calibrate the satellite and receiver code hardware delays. We continue

with testing the features developed on a simulated GPS and Galileo observation dataset, as

well as on a real GIOVE observation dataset. Finally, we conclude this work by providing a

critical overview of our investigations and suggesting various improvements of the current limitations. /

De nos jours, les systèmes globaux de positionnement par satellites (GNSS) fournissent

une couverture globale de positionnement et de navigation tri-dimensionnelle à la surface

de la Terre, et sont utilisés dans de nombreuses applications civiles et militaires. Le système

américain GPS est actuellement en cours de modernisation, et ce notamment dans l’optique de

transmettre des signaux dans une bande de fréquence supplémentaire. Le système européen

Galileo est quant à lui en plein développement et transmettra ses signaux dans trois bandes

de fréquence civiles.

Une des principales sources d’erreur affectant les GNSS est le délai engendré lorsque les

signaux traversent l’ionosphère en direction de la Terre. Ce délai est inversement proportionnel au carré de la fréquence du signal, et directement proportionnel au Contenu Électronique

Total (TEC) de l’ionosphère. Jusqu’à présent, les techniques utilisées pour calculer le TEC étaient basées sur l’utilisation de mesures GNSS double fréquence. L’exactitude du TEC

obtenu est de ce fait limitée par la présence d’erreurs systématiques à

-2.5 et 2.5 TECU aux

latitudes moyennes, et à - 5.5 et 5 TECU aux basses latitudes.

Durant les dernières décennies, les GNSS ont largement contribué à améliorer les connaissances concernant la distribution des électrons libres dans l’ionosphère. De la même manière,

les GNSS ont fortement bénéficié de cet accroissement du savoir ionosphérique. La disponibilité de signaux GNSS triple fréquence permet le développement de diverses techniques nouvelles. Nous avons choisi de consacrer nos recherches au développement d’une nouvelle technique de reconstruction du TEC basée sur l’utilisation de mesures GNSS triple fréquence, et

ce dans le but d’améliorer l’exactitude du TEC obtenu par rapport aux techniques existantes.

Ce travail aborde la problématique comme suit. Tout d’abord, nous présentons des informations générales à propos des GNSS, en se concentrant sur les concepts, définitions et

hypothèses qui seront nécessaires tout au long du travail. Ensuite, nous expliquons les concepts concernant la propagation des signaux radios dans l’ionosphère, et nous réalisons un

état de l’art des techniques existantes de calcul du TEC. Par la suite, nous présentons en détail

la conception de la technique de calcul du TEC triple fréquence. Pour cela, nous présentons les

combinaisons qui permettent de résoudre les ambiguités entières, nous exposons les principes

de calcul du TEC et nous procédons à une étude détaillée des erreurs affectant les valeurs du

TEC. En aval de la méthode de calcul du TEC, nous présentons également une technique

innovatrice qui permet de calibrer les délais de codes dans l’électronique du satellite et du

récepteur. Nous procédons ensuite à la validation des méthodologies développées à l’aide de

données simulées GPS et Galileo, ainsi que de données réelles provenant des satellites GIOVE.

Pour conclure ce travail, nous portons un avis critique sur nos recherches et suggérons diverses améliorations possibles.

Autre version :
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Modem 56K ADSL
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