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000793914 245__ $$aIntegrity aspects for dual-frequency dual-constellation ground based augmentation system (GBAS)$$cvorgelegt von Mihaela-Simona Cîrciu, M.Sc.$$honline
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000793914 300__ $$a1 Online-Ressource (xxviii, 252 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
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000793914 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000793914 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2020$$gFak06$$o2020-03-27
000793914 5203_ $$aFür die Navigation in der Luftfahrt müssen hohe Leistungsanforderungen in Bezug auf Integrität, Genauigkeit, Kontinuität, Verfügbarkeit und Robustheit gegenüber Störungen erfüllt werden. Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) allein sind nicht ausreichend genau und können keine Führung auf Präzisionsanflügen mit der erforderlichen Genauigkeit und Integrität bieten. Das bodengestützte Ergänzungssystem (Ground Based Augmentation System, GBAS), eine auf einem lokalen differentiellen GNSS basierte Technologie, ermöglicht genau diesen Dienst für die Luftfahrt, in dem es all diese Anforderungen erfüllt. GBAS stellt differentielle Korrekturen und Integritätsparameter zur Verfügung, die über eine VHF-Funkdatenverbindung (Very High Frequency Data Broadcast, VDB) übertragen werden. Das System befindet sich derzeit bereits an einzelnen Flughäfen im kommerziellen Betrieb, wobei alle diese Systeme ausschließlich Korrekturen für die Signale der L1-Frequenz des Global Positioning System (GPS) zur Verfügung stellen. Mehrere Studien haben gezeigt, dass ionosphärische Anomalien, die große räumliche Gradienten verursachen, eine erhebliche Bedrohung für dieses System darstellen [1, 2, 3]. Mit der zunehmenden Anzahl von Satelliten, die Signale auf einer zweiten verfügbaren Frequenz des Aeronautical Radio Navigation Service (ARNS) (L5/E5a) ausstrahlen, werden Zweifrequenzverfahren zu einer vielversprechenden Option für die nächste Generation von GNSS-basierter Navigation in der Luftfahrt. Die Verwendung der Signale in einem zweiten Frequenzband kann die frequenzabhängige Verzögerung der Navigationssignale durch die Ionosphäre weitestgehend eliminieren. Diese ist derzeit in den Einfrequenzsystemen noch die typischerweise dominierende Fehlerquelle. Durch die Nutzung mehrerer Frequenzen und GNSS Konstellationen ergeben sich aber auch viele verschiedene Optionen für die Verarbeitung. Bis heute gibt es kein klares Konzept, wie die neuen Signale in einem zukünftigen Dual-Frequenz Dual-Konstellation (DFDC) GBAS verwendet werden können, um eine bessere Leistung im Vergleich zum bestehenden System zu erzielen. Durch die Kombination mehrerer Signale wird auch das Rauschen und die Mehrwegefehler der einzelnen Signale kombiniert, in der Regel so, dass ein größerer nominaler Fehler der Preis für die Robustheit gegenüber ionosphärischer Aktivität ist. Diese Arbeit liefert wesentliche Beiträge zur Entwicklung, Standardisierung und Implementierung eines zukünftigen DFDC GBAS. Der neue Dienst muss eine ausreichende Verfügbarkeit, Integrität und Kontinuität bieten, um global nutzbar zu sein. Relevante Fehlerquellen werden in der Arbeit überprüft, charakterisiert und in geeigneter Weise modelliert. Die Dissertation ist wie folgt strukturiert: Zunächst wird ein detaillierter Überblick über das bestehende Integritätskonzept für das Einfrequenz-GPS-basierte GBAS dargestellt. Das Ziel dieses Überblicks ist es, den Rahmen zu setzen und die Aspekte zu identifizieren, die für die Entwicklung des DFDC-GBAS erforderlich sind. Als nächstes diskutiert die Arbeit die Modifikationen, die für eine Entwicklung zu einem DFDC-System erforderlich sind. Die Verwendung der Signale aus einem zweiten Frequenzband, sowie einer zweiten Konstellation, ermöglichen viele verschiedene Verarbeitungsmodi. In dieser Arbeit wird davon ausgegangen, dass künftige Verarbeitungsmodi für ein DFDC-GBAS auf der Weiterentwicklung der bestehenden GBAS-Architektur basieren, wobei deren Hauptmerkmale beibehalten werden (z.B. Beibehaltung der bestehenden VDB-Verbindung zur Datenübertragung). Dieses Konzept impliziert mehrere Einschränkungen, wie z.B. die Rückwärtskompatibilität zum bestehenden Einfrequenz-System und die begrenzte verbleibende VDB-Kapazität für die Übertragung zusätzliche Korrekturen und Integritätsparameter für die Signale einer zweiten Frequenz und Konstellation. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen werden die vielversprechendsten Verarbeitungsmodi vorgestellt und diskutiert. Ausgehend von den ausgewählten Modi diskutiert die Arbeit die Modifikationen des Integritätskonzepts und identifiziert die verschiedenen Aspekte, die für jeden der Verarbeitungsmodi berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören die Notwendigkeit der neuen Mehrwege-Fehlermodelle für die Bodenstation, neue Mehrwege-Modelle für die Bordseite und die Berücksichtigung der Satellitencode-Verzerrungen der verschiedenen Signale im Integritätskonzept. Die erste betrachtete Fehlerquelle sind die Mehrweg- und Rauschfehler in den Bodenreferenzempfängern. Bisher wurde die Leistungsanalyse der Boden-Multipath-Fehler unter Verwendung des GPS L1 Coarse/Aquisition (C/A)-Signals untersucht. In dieser Arbeit wird die Leistungsanalyse der neuen Signale der Galileo-Satelliten in den Frequenzbändern E1 und E5a und der GPS L5-Signale, gemessen mit der experimentellen GBAS-Station des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Rauschen und die Mehrwegefehler der Galileo-Signale und der GPS L5-Signale kleiner sind als die von GPS L1. Die neuen Signale sind ebenfalls weniger empfindlich bei der Wahl einer Trägerglättungszeitkonstante. Da sich die Galileo-Konstellation nicht wie GPS täglich, sondern nur alle 10 Tage wiederholt, wird in der Arbeit die Anwendbarkeit der bestehenden Methoden zur Ableitung der Boden-Mehrwege-Modelle untersucht. Der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Mehrwegmodelle, wie die Glättungszeitkonstante und die Empfängerparameter, wird untersucht. Darüber hinaus werden zwei-frequenz Boden-Mehrwege-Fehlermodelle abgeleitet, die sich von der Kombination von Einfrequenzmodellen unterscheiden. Eine weitere wichtige Fehlerquelle, die in einem zukünftigen DFDC-GBAS berücksichtigt werden sollte, sind Mehrwegeeffekte im Bordsystem. Mit der Beseitigung des ionosphärischen Fehlers werden Fehler durch Mehrwegeausbreitung typischerweise zur dominanten Fehlerquelle. Die derzeitigen Modelle sind nur für GPS L1-Signale mit einer 100 Sekunden Glättungszeitkonstante definiert. Für die neuen Signale, die von GPS-Satelliten im L5-Band und von den Galileo-Satelliten in den E1- und E5-Frequenzbändern ausgestrahlt werden, existieren noch keine solchen Modelle. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung der Entwicklung dieser Mehrwegeausbreitungsmodelle für die neuen Signale bei. Die Arbeit schlägt eine verbesserte Methodik für die Ableitung der Mehrwegmodelle für die Luftfahrt anhand von Messungen aus Flugversuchen vor. Die Verbesserungen umfassen einen Vorschlag für eine neue Methode zur Schätzung der Trägerphasenmehrdeutigkeiten, die Trennung der Empfängerantennenfehler von den Mehrwegfehlern und eine Abschätzung für die nicht-normalverteilten Messdaten. Die Beseitigung der Antennenfehler stellt eine der wichtigsten Änderungen gegenüber den bestehenden Modellen dar. Bisher wurden die Empfänger-Antennenfehler zusammen mit den Mehrwegfehlern modelliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen jedoch, dass diese Fehler ein anderes Verhalten aufweisen als die Mehrwegfehler, weshalb eine Aufspaltung dieser beiden Fehler vorgeschlagen wird. In dieser Dissertation werden verschiedene Einflussfaktoren auf den Mehrwegeffekt am Flugzeug untersucht und diskutiert, darunter die Struktur der Flugzeugzelle und die Antennenleistung, die Empfängerbandbreite und der Korrelatorabstand sowie die Glättungszeitkonstante. Ein dritter, für das DFDC GBAS relevanter Aspekt, der in der Dissertation diskutiert wird, sind die Verzerrungen des Satellitencodes. Diese Verzerrungen unterscheiden sich von Satellit zu Satellit und hängen neben der Satelliten-Hardware auch von der GNSS-Empfänger-Hardware ab (z.B. Bandbreite und Korrelatorabstand). Wenn die bodenseitigen Referenzstationen und der Empfänger in der Luft unterschiedliche Konfigurationen verwenden, bleibt im Nutzerempfänger ein differentieller Restfehler bestehen. Diese Verzerrungen können auf der Grundlage von Messungen mit einer Hochgewinnantenne berechnet werden. In dieser Arbeit werden erste Schätzungen der Satellitencode-Verzerrungen verwendet, um die Auswirkungen der differentiellen Satellitencode-Verzerrung auf einen GBAS-Benutzer zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Restfehler nicht vernachlässigbar sind und von wenigen Zentimetern bis zu Dezimetern reichen. Die Fehler sind besonders wichtig für die Dual-Frequenz-Modi, die die Fehler verschiedener Frequenzen kombinieren. Die Dissertation schlägt verschiedene Konzepte vor, um sie in das Integritätsbudget eines DFDC GBAS zu integrieren. Schließlich stellt die Arbeit eine Bewertung der erwarteten nominalen Leistung verschiedener Verarbeitungsmodi für zukünftige DFDC GBAS vor. Die Bewertungen basieren auf Messungen aus Flugversuchen, die mit dem Airbus A320 des DLR durchgeführt wurden. Die in der Arbeit entwickelten Fehlermodelle werden als Basis für die Studie verwendet. Diese Arbeit trägt zu den Trade-off Studien bei, die für die Auswahl eines optimalen Verarbeitungsmodus für DFDC GBAS erforderlich sind.$$lger
000793914 520__ $$aFor navigation in aviation, high performance requirements in terms of integrity, accuracy, continuity, availability, and robustness against interference need to be achieved. The Global Navigation Satellite System (GNSS) alone is not sufficiently accurate and cannot provide precision approach with the required integrity. The Ground Based Augmentation System (GBAS), a development of local-area differential GNSS aims at providing precision approach guidance meeting all of these requirements under low-visibility conditions. GBAS provides differential corrections and integrity monitoring of GNSS, which are broadcast via a Very High Frequency (VHF) radio data link, termed as Very High Frequency Data Broadcast (VDB). The system is currently under development with single-frequency single-constellation Global Positioning System (GPS) L1 stations being already in use. Several studies have shown that ionospheric anomalies that cause large spatial gradients pose a significant threat to this system [1, 2, 3]. With the increasing number of satellites broadcasting signals on a second Aeronautical Radio Navigation Service (ARNS) frequency (L5/E5a) available, the dual-frequency processing becomes a promising option for the next generation aviation users. The use of the signals in a second frequency band can remove the effect of the ionosphere which is one of the dominant sources of errors for the single frequencies user. However, it also yields many different options for processing. Until today there is no clear concept defined on how to use the new signals in a future Dual-Frequency Dual-Constellation (DFDC) GBAS to provide better performance compared to the existing system. This thesis provides essential contributions to the development, standardization and implementation of a future DFDC GBAS. The new service type shall be able to provide sufficient availability, integrity and continuity to be usable globally. Relevant contributors to the error budget are reviewed, characterized and modeled in an appropriate way. The thesis is structured as follows. First, it provides a detailed overview of the existing integrity concept for the single frequency GBAS. The goal of this review is to set the framework and identify the aspects needed in the development of the DFDC GBAS. Next, the thesis discusses the modifications needed when evolving to a DFDC system. The use of the signals from a second frequency band and second constellation enable many different processing modes. In this thesis, the proposal and the selection of the processing modes for a DFDC GBAS is based on upgrading the existing GBAS, but maintaining the main characteristics (e.g. maintaining the existing VDB link). This concept adds several constraints, such as backwards compatibility to the existing single frequency system and the limited remaining VDB capacity. Taking into account all the constraints, the mostpromising processing modes are presented and discussed. Based on the selected modes, the thesis discusses the modifications to the integrity concept and identifies the different aspects that need to be taken into account for each of the processing modes, which is the main contribution on this part. This includes the need for the new ground multipath error models, new airborne multipath models and consideration of the satellite code biases in the integrity concept. Each of these aspects are discussed in the thesis and summarized next including the main contributions. The first error source considered is the multipath and noise errors in the ground reference receivers. Until now, performance analysis of the ground multipath errors using the GPS L1 Coarse/Aquisition (C/A) signal has been studied. In this thesis, the performance analysis of the new signals from the Galileo satellites in the E1 and E5a frequency bands and GPS L5 signals as measured by the experimental GBAS test bed available at Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) is presented. The results show that the raw noise and multipath level of Galileo signals and of the GPS L5 signals are smaller than that of GPS L1. The new signals are also less sensitive to the choice of carrier-smoothing time constant. As the Galileo constellation has different ground track repeatability from GPS, the applicability of the existing methods for the derivation of the ground multipath models is investigated in the thesis. The impact of different effects factor influencing the multipath models such as the smoothing time constant and the receiver parameters are studied. Furthermore, dual-frequency ground multipath error models are derived that differ from the combination of single frequency models. Another important source of error to be considered in a future DFDC GBAS is the airborne multipath. With the removal of the ionospheric error, the airborne multipath error becomes a dominant source of error. The current models are defined only for GPS L1 100 seconds smoothing time constant and no models are available for the new signals broadcast by GPS satellites on L5 band and Galileo satellites. This thesis contributes to the development of the airborne multipath models for the new signals. The work proposes an improved methodology for the derivation of the multipath models for aviation using measurements from flight tests. The improvements include a proposal of a new method for the estimation of the carrier phase ambiguities, the separation of the receiver antenna errors from the multipath errors and an overbounding for the non-Gaussian distribution of the data. The removal of the antenna errors constitutes one of the main changes from the existing models. Until now, the receiver antenna errors were modeled together with the multipath errors. However, the results from this thesis show that these errors have different behavior than the multipath errors and thus a decomposition of these two errors is suggested. Different factor of influence on the airborne multipath, including airframe structure and antenna performance, the receiver bandwidth and correlator spacing and the smoothing time constant are investigated and discussed in this thesis. A third aspect relevant for DFDC GBAS that is discussed in the thesis is the satellite code biases. These biases differ between satellites and depend mainly on the GNSS receiver hardware (e.g. bandwidth and correlator spacing). If the ground reference stations and airborne receiver use different configurations, a residual error remains affecting the GBAS user. These biases can be calculated based on measurements from a high gain antenna. Initial estimates of the satellites code biases are used in this thesis to investigate the impact of the differential satellite code bias on a GBAS user. The results show that the residual errors are not negligible and vary from few centimeters to decimeters. The errors are especially important for the dual-frequency processing modes that combine the errors from different frequencies. Thus, they will affect the GBAS user and need to be taken into account in the integrity budget. The thesis proposes different concepts to include them in the integrity budget of the DFDC GBAS. Finally, the thesis presents an assessment of the expected nominal performance of different processing modes for future DFDC GBAS. The evaluations are based on measurements from flight trials conducted on DLR’s Airbus A320 aircraft. The error models developed in the thesis are used as input for the study. This work contributes to the tradeoff studies needed for a selection of an optimal processing mode for DFDC GBAS.$$leng
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