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.
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