Real-time kinematic software using robust Kalman filter and dual-frequency GPS signals for high precision positioning

Delaporte, Thomas (2009). Real-time kinematic software using robust Kalman filter and dual-frequency GPS signals for high precision positioning. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation	PDF Télécharger (4MB) | Prévisualisation
Prévisualisation	PDF Télécharger (855kB) | Prévisualisation

Résumé

The Global positioning System (GPS) started in the 1970’s with an ambitious project of U.S positioning service using satellites. It has now become one of the major technologies for positioning people and objects around the planet, with diverse application in mapping and localization. GPS has overcome all its expectation, providing signal continuously around the entire planet, providing positioning service more and more precise. Future constellation will now arise, like GALILEO for Europe or COMPASS for China, bringing more attractive, precise and powerful applications. The modernization programs of GPS and Russian GLONASS will brings even more capabilities for worldwide users.

One of the most interesting applications of GPS is the Real-Time Kinematic system. This technique emerged in the beginning of the 1990’s offers centimeter to millimeter precision to the GPS users, using carrier phase measurements and a reference GPS station. It uses differential corrections, and techniques of carrier phase ambiguity resolution ‘on the fly’. It has been successfully applied in geophysics and survey. Unfortunately, such RTK system is only precise in short range from the base station, that is to say less than about 20 km. When the distance from the base station increases, systematic errors are decorrelated. These errors reduce the ambiguity resolution success rate and decrease position precision and reliability. The purpose of this thesis is to overcome these limitations to bring full RTK precision and reliability for long baseline scenarios, up to 80 km.

To fulfill this purpose, a new concept of RTK system for real-time has been developed. This means the development of complete real-time GPS positioning software providing centimeter precision in a robust way for short and long baseline scenario. Different issues have been developed, such as real-time satellite management, robust Kalman filter implementation, and reliable ambiguity resolution technique. The long baseline problem has been developed and overcome using real-time atmospheric modeling and control of the geometric errors. This work presents the different new concepts used in the algorithm and the innovative technique for future system and developments using RTK positioning.

To demonstrate the reliability and the performance of the developed algorithm, data from Novatel and NRG-GNSS receiver have been intensively analyzed and processed. With static and dynamic short baseline real-time data, this new developed RTK software presents robust real-time centimeter to millimeter solution precision and fast and reliable ambiguity resolution. Results from the solution are analyzed and the parameters of the real-time solution are discussed. After validating these scenarios, long baseline dynamic data, coming from our industrial partner Gedex, have been processed in real-time mode. The solution uses the innovative concepts of ionospheric modeling in real-time, and the results present millimeter difference to the post-process Waypoint software. Impact of real-time management and ambiguity resolution technique are presented. The efficiency and precision of the solution opens the RTK solution to new purposes for research and development.

Titre traduit

Logiciel temps réel utilisant un filtre de Kalman robuste et des signaux GPS double fréquences pour un positionnement de haute précision

Résumé traduit

Le système GPS est une technologie qui a transformée la notion de positionnement pour l’homme par rapport à la terre. Depuis sa mise en route dans les années 1970s, il s’est imposé dans toutes les applications de localisation, avec des systèmes de plus en plus précis, pour le commercial et la recherche, de la cartographie au militaire, en passant par l’aide à la navigation. Le système a dépassé toutes les attentes pour les utilisateurs. L’arrivée de nouvelles constellations, à l’instar de GALILEO pour l’Europe ou de COMPASS pour la Chine, et même la modernisation du GPS et du système Russe GLONASS, créera de nouveaux besoins innovants, en augmentant la précision, la couverture et la disponibilité.

Une des applications les plus intéressantes du GPS est le Real Time Kinematic (RTK). Cette technique apparue dans les années 1990 permet un positionnement d’une précision centimétrique pour les utilisateurs civils. Cette incroyable précision vient tout d’abord de l’utilisation d’une station de base, qui transmet des corrections différentielles pour les signaux GPS. Ensuite, l’utilisation de la phase des signaux et les techniques de résolution d’ambiguïtés en temps réel ont permis d’atteindre une telle précision. Cette technique est aujourd’hui beaucoup utilisée pour la géodésie et par les arpenteurs pour déterminer de façon très précise les courbures de la terre et les nivellements. Mais cette technique possède des limitations, notamment lorsque la distance entre la base et l’utilisateur dépasse 20 km. Dans ces cas de long distance, les erreurs liées à la base et à l’utilisateur ne sont plus identiques. Ces erreurs dégradent les performances de résolutions d’ambiguïtés et la précision de la solution. Le but de ce mémoire est de présenter des solutions innovantes pour apporter toute la précision du RTK dans les cas de longues distances.

Pour parvenir à ce but, une nouvelle approche d’un système RTK fonctionnant en temps réel a été développée. C'est-à-dire un système de positionnement de niveau centimétrique complet utilisable en temps réel par des récepteurs GPS sur de longues distances. L’implémentation d’un tel système prend tout d’abord en compte la gestion temps réel des données et des satellites, une estimation robuste de la position à travers un filtre de Kalman et une technologie améliorée de résolution des ambigüités de phase. Ensuite, le problème de longues distances est abordé et de nouvelles solutions ont été apportées pour résoudre les problèmes liés à cette configuration. Une approche innovante en temps réel a été développée pour les corrections atmosphériques, notamment l’ionosphère, ainsi qu’un contrôle des erreurs géométriques. Cette thèse présente des concepts et des solutions innovantes qui pourront également servir à de nouvelles applications lors de l’apparition des nouvelles fréquences et constellations.

Pour valider le système et démontrer les capacités innovantes de l’algorithme développé, des données temps réel provenant de récepteurs Novatel, ainsi que du nouveau récepteur universel du LACIME-GRN ont été utilisées. Avec des scenarios en courte distance, statiques et dynamiques, le nouveau système RTK présente une solution robuste de précision centimétrique, avec une résolution d’ambigüités rapide et fiable. Des données longue distance provenant de notre partenaire industriel Gedex sont également analysées. La solution utilisant l’algorithme robuste RTK ainsi qu’une modélisation des erreurs ionosphériques en temps réel présente des résultats identiques au millimètre près comparé au logiciel de traitement Waypoint. Cette validation des performances emmène la technologie RTK présentée vers de nouvelles perspectives pour la recherche et l’industrie.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree in electrical engineering". Bibliogr : f. [151]-154.
Mots-clés libres:	Logiciels. Kalman, Filtre de. gps. ambiguite, distance, double, frequence, gnss, haut, long, phase, positionnement, précision, réel, récepteur, robustesse, rtk, signal, temps
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Landry, René Jr.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	17 août 2010 18:25
Dernière modification:	03 janv. 2017 21:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/35

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt