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Low-cost GPS/GLONASS Precise Positioning Algorithm in Constrained Environment

Carcanague, Sebastien (2013) Low-cost GPS/GLONASS Precise Positioning Algorithm in Constrained Environment. (Algorithme de positionnement précis en environnement contraint basé sur un récepteur bas-coût GPS/GLONASS.)

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Résumé

Le GNSS (Global Navigation Satellite System), et en particulier sa composante actuelle le système américain GPS et le système russe GLONASS, sont aujourd'hui utilisés pour des applications géodésiques afin d'obtenir un positionnement précis, de l'ordre du centimètre. Cela nécessite un certain nombre de traitements complexes, des équipements coûteux et éventuellement des compléments au sol des systèmes GPS et GLONASS. Ces applications sont aujourd'hui principalement réalisées en environnement « ouvert » et ne peuvent fonctionner en environnement plus contraint. L'augmentation croissante de l'utilisation du GNSS dans des domaines variés va voir émerger de nombreuses applications où le positionnement précis sera requis (par exemple des applications de transport/guidage automatique ou d'aide à la conduite nécessitant des performances importantes en terme de précision mais aussi en terme de confiance dans la position –l'intégrité- et de robustesse et disponibilité). D'autre part, l'arrivée sur le marché de récepteurs bas-coûts (inférieur à 100 euros) capables de poursuivre les signaux provenant de plusieurs constellations et d'en délivrer les mesures brutes laisse entrevoir des avancées importantes en termes de performance et de démocratisation de ces techniques de positionnement précis. Dans le cadre d'un utilisateur routier, l'un des enjeux du positionnement précis pour les années à venir est ainsi d'assurer sa disponibilité en tout terrain, c'est-à-dire dans le plus grand nombre d'environnements possibles, dont les environnements dégradés (végétation dense, environnement urbain, etc.) Dans ce contexte, l'objectif de la thèse a été d'élaborer et d'optimiser des algorithmes de positionnement précis (typiquement basés sur la poursuite de la phase de porteuse des signaux GNSS) afin de prendre en compte les contraintes liées à l'utilisation d'un récepteur bas coût et à l'environnement. En particulier, un logiciel de positionnement précis (RTK) capable de résoudre les ambiguïtés des mesures de phase GPS et GLONASS a été développé. La structure particulière des signaux GLONASS (FDMA) requiert notamment un traitement spécifiques des mesures de phase décrit dans la thèse afin de pouvoir isoler les ambiguïtés de phase en tant qu'entiers. Ce traitement est compliqué par l'utilisation de mesures provenant d'un récepteur bas coût dont les canaux GLONASS ne sont pas calibrés. L'utilisation d'une méthode de calibration des mesures de code et de phase décrite dans la thèse permet de réduire les biais affectant les différentes mesures GLONASS. Il est ainsi démontré que la résolution entière des ambiguïtés de phase GLONASS est possible avec un récepteur bas coût après calibration de celui-ci. La faible qualité des mesures, du fait de l'utilisation d'un récepteur bas coût en milieu dégradé est prise en compte dans le logiciel de positionnement précis en adoptant une pondération des mesures spécifique et des paramètres de validation de l'ambiguïté dépendant de l'environnement. Enfin, une méthode de résolution des sauts de cycle innovante est présentée dans la thèse, afin d'améliorer la continuité de l'estimation des ambiguïtés de phase. Les résultats de 2 campagnes de mesures effectuées sur le périphérique Toulousain et dans le centre-ville de Toulouse ont montré une précision de 1.5m 68% du temps et de 3.5m 95% du temps dans un environnement de type urbain. En milieu semi-urbain type périphérique, cette précision atteint 10cm 68% du temps et 75cm 95% du temps. Finalement, cette thèse démontre la faisabilité d'un système de positionnement précis bas-coût pour un utilisateur routier. ABSTRACT : GNSS and particularly GPS and GLONASS systems are currently used in some geodetic applications to obtain a centimeter-level precise position. Such a level of accuracy is obtained by performing complex processing on expensive high-end receivers and antennas, and by using precise corrections. Moreover, these applications are typically performed in clear-sky environments and cannot be applied in constrained environments. The constant improvement in GNSS availability and accuracy should allow the development of various applications in which precise positioning is required, such as automatic people transportation or advanced driver assistance systems. Moreover, the recent release on the market of low-cost receivers capable of delivering raw data from multiple constellations gives a glimpse of the potential improvement and the collapse in prices of precise positioning techniques. However, one of the challenge of road user precise positioning techniques is their availability in all types of environments potentially encountered, notably constrained environments (dense tree canopy, urban environments…). This difficulty is amplified by the use of low-cost receivers and antennas, which potentially deliver lower quality measurements. In this context the goal of this PhD study was to develop a precise positioning algorithm based on code, Doppler and carrier phase measurements from a low-cost receiver, potentially in a constrained environment. In particular, a precise positioning software based on RTK algorithm is described in this PhD study. It is demonstrated that GPS and GLONASS measurements from a low-cost receivers can be used to estimate carrier phase ambiguities as integers. The lower quality of measurements is handled by appropriately weighting and masking measurements, as well as performing an efficient outlier exclusion technique. Finally, an innovative cycle slip resolution technique is proposed. Two measurements campaigns were performed to assess the performance of the proposed algorithm. A horizontal position error 95th percentile of less than 70 centimeters is reached in a beltway environment in both campaigns, whereas a 95th percentile of less than 3.5 meters is reached in urban environment. Therefore, this study demonstrates the possibility of precisely estimating the position of a road user using low-cost hardware.

Département ou laboratoire:Laboratoire de Traitement du Signal et des Télécommunications - LTST (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Macabiau, Christophe et Julien, Olivier
Mots-clés:GPS - GLONASS - RTK - PPP - Filtre de Kalman. KEYWORDS : GPS - GLONASS - RTK – PPP - Kalman filter - Precise positioning
Sujets:Télécoms et réseaux > Traitement du signal
Déposé le:30 Mai 2013

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