Aportación al estudio de la capacidad de los modelos conceptuales en posicionamiento absoluto preciso (Precise Point Positioning) para tiempo real a través del análisis del rendimiento de productos y prototipos en un escenario multi-constelación GNSS

Abstract

[EN] Precise Point Positioning (PPP) method involves an absolute positioning technique from a single receiver with GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Its theoretical basis consists of solving the position with observations using a single receiver, with clock and orbit state models, among other products. The main advance concerning the current differential technique is that differential or relative positioning uses the double-differences solution that requires, at least, two receivers to get a precise position or a receiver connected to a network of reference stations.

However, until recently, and from a practical point of view, a precise absolute positioning with centimeter accuracy with a single GNSS receiver was considered unfeasible. The reason was the difficulty in cancellation of errors and the ambiguity resolution. The main factor that limits Precise Point Positioning (PPP) accuracy is the dependence on external information, which models the error sources, that is to say: the performance of the orbit and clock products, the quality of the observations, and the effects of the un-modeled or un-calibrated error sources. Precise ionospheric corrections and troposphere state models are also essential in order to improve positioning at centimeter level. Furthermore, in real-time PPP precise streams of products and state models are needed, and they must meet certain requirements of latency and continuous availability. In the case study of real-time positioning, the PPP technique is very sensible to gaps and outliers in the reception of the products and fluctuations in the constellation, producing lost of convergence, delay in initialization and a lack of accuracy in the results.

Nowadays, this situation is changing, but it needs to evolve even more, because the real-time determination and the performance of the orbital parameters, clock states or other modeled errors of the GNSS satellites and signals, are still in a stage of improvement by the International GNSS Service, by the Analysis Centers and by researches all around the world.

Therefore, the objective of this investigation was the study of Precise Point Positioning technique applied to the real-time case study, considering the performance of the available products in several sceneries and environments. The study focused on its application and how to improve limitations in the performance. The main tasks developed are:

-A preliminary study of the multi - constellation context, the state of the art of Precise Point Positioning technique and modeling error sources, (chapters 1 and 2).

-The review of the emission of the state models into a standard format and the discussion of the limitations in the alternatives in the generation of the models, (chapters 3 and 4).

-The analysis of the optimization of this method with the development of new constellations, by means of the test of new products, and multiple simultaneous observations performed, (chapter 6).

-To explore the possibilities of real-time recovering of integer ambiguities for PPP and the impact in the performance, providing practical demonstrations with experimental and standardized approaches, (chapter 7).

-To study tactics to provide combined products in quasi-real time and real-time latency, (chapter 8), and in a regional or continental frame, with own applied solutions, (chapter 9).

-The design and development of processing and analysis tools, (chapter 5), monitoring and distribution of results with the real-time PPP method, (chapter 10), and the study of potential applications, (chapter 11).

[ES] El método Precise Point Positioning, (PPP), consiste en una técnica de posicionamiento absoluto con un solo receptor GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Su fundamento teórico se basa en resolver la posición con las observaciones de un único equipo, utilizando correcciones de osciladores y de órbitas de satélites, entre otros modelos. La potencia del método con respecto a la técnica diferencial reside en que el posicionamiento diferencial o relativo utiliza la solución de dobles diferencias que requiere, al menos, dos receptores para obtener una posición precisa o un receptor conectado a una red de estaciones de referencia.

Sin embargo hasta hace poco y a efectos prácticos, un posicionamiento absoluto con precisión de centímetros con un solo equipo se ha considerado irrealizable. El motivo reside en la dificultad de la cancelación de errores y de obtener la resolución de ambigüedades enteras. El principal factor que limita, por tanto, el posicionamiento absoluto preciso es la dependencia de productos externos que modelen las fuentes de error, es decir: el rendimiento de los modelos de órbitas y relojes, la calidad de las observaciones, y los errores no modelados o no calibrados. Las correcciones ionosféricas y modelos de estado de la troposfera también son esenciales para alcanzar precisiones a nivel del centímetro. Por otro lado, si se trabaja con la técnica PPP en tiempo real, se necesita productos y modelos de estado recibidos continuamente a través de paquetes de datos por Internet, que deben cumplir con ciertos requisitos de latencia y disponibilidad continua. En el caso de estudio de posicionamiento en tiempo real, la técnica PPP es además muy sensible a las anomalías y las pérdidas en la recepción de los productos, y a las fluctuaciones de la constelación, produciendo pérdidas de convergencia, retrasos en la inicialización, y falta de continuidad y exactitud en los resultados.

En este momento esta situación está experimentando grandes cambios, pero necesita evolucionar aún más, ya que la determinación en tiempo real y el rendimiento de los parámetros orbitales, estados de reloj u otros modelos de error de los satélites GNSS y sus señales, se encuentra todavía en fase de mejora por parte del International GNSS Service, por parte de los Centros de Análisis y por parte de investigadores de todo el mundo.

Por lo tanto, el objetivo de este trabajo ha sido el estudio de la técnica de posicionamiento Precise Point Positioning enfocada al caso de tiempo real, en base al rendimiento de los productos disponibles en varios escenarios y entornos. El estudio se centró en su aplicación y en la implementación de soluciones para mejorar sus limitaciones. Las principales tareas desarrolladas son:

-Un estudio preliminar del entorno multi-constelación, del estado del arte de la técnica Precise Point Positioning, así como de los errores a modelar, (capítulos 1 y 2).

-La supervisión de la emisión de modelos en un formato estándar, y la discusión de las limitaciones existentes en las alternativas para su generación, (capítulos 3 y 4).

-El análisis de la optimización de este método con el desarrollo de nuevas constelaciones, a través de la evaluación de nuevos productos y sesiones simultáneas de observación, (capítulo 6).

-La exploración de las posibilidades de recuperación de la naturaleza entera de las ambigüedades y su repercusión en términos de rendimiento, proporcionando demostraciones reales, con aproximaciones experimentales y estandarizadas, (capítulo 7).

-El estudio de las tácticas para proporcionar productos combinados robustos en tiempo quasi-real y real, (capítulo 8), y en un marco regional o continental, (capítulo 9), con soluciones propias aplicadas.

-El diseño y desarrollo de herramientas de cálculo y apoyo, (capítulo 5), de monitorización y distribución de resultados procedentes de PPP en tiempo real, (capítulo 10), y el e

[CA] El mètode Precise Point Positioning, (PPP), consisteix en una tècnica de posicionament absolut amb un sol receptor GNSS (Global Navigation Satellite Systems). El seu fonament teòric consisteix a resoldre la posició amb observacions d'un únic equip utilitzant correccions d'oscil¿ladors i d'òrbites de satèl¿lits, entre altres models. La potència del mètode respecte a la tècnica diferencial és que el posicionament diferencial o relatiu utilitza la solució de dobles diferències que requereix, almenys, dos receptors per a obtenir una posició precisa o un receptor connectat a una xarxa d'estacions de referència.

No obstant això, fins fa poc i a efectes pràctics, un posicionament absolut amb precisió de centímetres amb un sol equip GNSS s'ha estat considerant irrealitzable. El motiu es troba en la dificultat de la cancel¿lació d'errors i d'obtenir la resolució d'ambigüitats senceres. El principal factor que limita, per tant, el posicionament absolut precís és la dependència de productes externs que modelen les fonts d'error, es a dir: el rendiment dels models d'òrbites i oscil¿ladors, la qualitat de les observacions, i els errors no modelats o no calibrats. Les correccions ionosfèriques i models d'estat de la troposfera també són essencials per a aconseguir precisions a nivell del centímetre amb un equip. D'altra banda, si es treballa amb la tècnica PPP en temps real, es necessita productes i models d'estat rebuts contínuament a través de paquets de dades per Internet, que han de complir amb certs requisits de latència i disponibilitat contínua. En el cas d'estudi de posicionament en temps real, la tècnica PPP és a més molt sensible a les anomalies i les pèrdues en la recepció dels productes, i a les fluctuacions de la constel¿lació, produint pèrdues de convergència, retards en la inicialització i falta de continuïtat i exactitud en els resultats.

En aquest moment aquesta situació està experimentant grans canvis, però necessita evolucionar encara més, ja que la determinació en temps real i el rendiment dels paràmetres orbitals, els estats de rellotge o altres models d'error dels satèl¿lits GNSS i els seus senyals, es troben encara en fase de millora per part de l'International GNSS Service, per part dels Centres d'Anàlisi i per part d'investigadors de tot el món.

Per tant, l'objectiu d'aquest treball ha consistit en l'estudi de la tècnica Precise Point Positioning enfocat al cas de temps real, fonamentat amb el rendiment dels productes disponibles a diversos escenaris i entorns. L'estudi es va centrar en la seva aplicació i en la implementació de solucions per millorar les limitacions en la seua productivitat. Les principals tasques desenvolupades són:

-Un estudi preliminar de l'entorn multi-constel¿lació, l'estat de l'art de la tècnica Precise Point Positioning, així com dels errors a modelar, (capítols 1 i 2).

-La supervisió de l'emissió de models amb un format estàndard, i la discussió de les limitacions en les alternatives a la generació de models, (capítols 3 i 4).

-Anàlisi de l'optimització d'aquest mètode amb el desenvolupament de noves constel¿lacions, amb l'avaluació de nous productes i múltiples sessions simultànies d'observació, (capítol 6).

-L'exploració de les possibilitats de recuperació de la naturalesa sencera de les ambigüitats i la seva repercussió en termes de rendiment, proporcionant demostracions reals, utilitzant aproximacions experimentals i estandarditzades, (capítol 7).

-L'estudi de les tàctiques per a proporcionar productes combinats robustos en temps quasi-real i en temps real, (capítol 8), i en un marc regional o continental, amb solucions pròpies aplicades, (capítol 9).

-El disseny i desenvolupament d'eines de càlcul i suport (capítol 5), de monitorització i distribució de resultats aplicats al cas de PPP en temps real, (capítol 10), i l'estudi de potencials aplicacions de la tècnica, (capí