Change detection techniques for GNSS signal-level integrity

Abstract

El gran éxito y la facilidad de uso de los sistemas de navegación global por satélite (GNSSs) ha conducido a la definición de una gran cantidad de aplicaciones basadas en GNSS sin precedentes. De hecho, la tendencia muestra una nueva era de aplicaciones basadas en GNSS, las denominadas aplicaciones críticas, en las que la integridad física de los usuarios puede estar en riesgo en caso de un fallo del sistema. Un requisito importante en estas aplicaciones es la integridad, definida como una medida de la fiabilidad y confianza que se tiene en la información proporcionada por el sistema. Los primeros algoritmos de integridad fueron diseñados para trabajar en entornos aéreos, en concreto para aviación civil. Desafortunadamente, las aplicaciones críticas basadas en GNSS suelen estar asociadas con entornos terrestres y por lo tanto los algoritmos de integridad tradicionales suelen fallar. El principal motivo son los efectos locales como interferencias, multi-camino o el denominado spoofing que nos podemos encontrar en entornos terrestres. Estos efectos se asumen que están controlados en aviación civil, pero ese no es el caso en entornos terrestres. De este modo, se necesitan nuevas técnicas de integridad para aplicaciones críticas basadas en GNSS, la denominada integridad a nivel de señal (signal-level integrity).

Esta tesis investiga nuevos algoritmos de detección con el objetivo de proporcionar una nueva generación de técnicas de integridad en GNSS. Para ello, se considera el campo de detección de cambios estadísticos (SCD). Este campo es de interés porque considera la dimensión temporal, requisito indispensable para aplicaciones críticas ya que una detección rápida es necesaria. Por lo tanto, la primera parte de esta tesis se ocupa del estudio del campo de SCD, incluyendo tanto la detección rápida de cambios (QCD) como la detección de cambios transitorios (TCD). Se aportan nuevas contribuciones en el campo de TCD, incluyendo la denominada solución FMA y su caracterización estadística. Además, resultados numéricos muestran la superioridad de nuestras contribuciones con respecto otras contribuciones en la literatura de TCD. Finalmente, para concluir nuestro estudio de SCD, lo comparamos con esquemas clásicos de detección bajo el mismo marco matemático. Esta comparación muestra la conveniencia de SCD cuando se trata de detecciones rápida.

La principal contribución de esta tesis es la aplicación del campo de SCD a la detección de amenazas e integridad en GNSS. Para ello, primero investigamos varias propiedades de la señal GNSS que pueden ser de utilidad para la detección de amenazas locales. En segundo lugar, damos un paso adelante en el campo de detección de amenazas en GNSS proponiendo un nuevo marco basado en QCD. Sin embargo, para fines de integridad es deseable un retardo limitado y es aquí donde la teoría de TCD es interesante. Por esta razón, se considera un nuevo marco basado en TCD para la detección de multi-camino y algoritmos de integridad en GNSS, lo que conduce a la provisión de la integridad de nivel de señal. Se muestra una mejora notable por la soluciones propuestas de TCD con respecto a las soluciones actuales. En la última parte de la tesis, se validan los detectores de amenazas y el algoritmo de integridad a nivel de señal propuestos. Esto se hace utilizando seles GNSS reales capturadas en el contexto de un proyecto de investigación financiado por la Comisión Europea. Los resultados obtenidos en un escenario realista muestran la mejora de la precisión y la integridad mediante el uso de la solución propuesta con respecto a los algoritmos de integridad actuales. Además, se muestra que la solución propuesta trabaja en tiempo real, siendo por lo tanto muy atractiva para mejorar los algoritmos de integridad actuales y fácilmente implementables.

The provision of accurate positioning is becoming essential to our modern society. One of the main reasons is the great success and ease of use of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs), which has led to an unprecedented amount of GNSS-based applications. In particular, the current trend shows that a new era of GNSS-based applications and services is emerging. These applications are the so-called critical applications, in which the physical safety of users may be in danger due to a miss-performance of the system. These applications have stringent requirements in terms of integrity, which is a measure of reliability and trust that can be placed on the information provided by the system. Unfortunately, GNSS-based critical applications are usually associated with terrestrial environments and original integrity algorithms usually fail. The main impairments are due to local effects such as interference, multipath or spoofing, which are assumed to be controlled in civil aviation but they are not in terrestrial environments. Thus, a new methodology for integrity is necessary in order to detect local effects and provide the additional level of integrity needed for GNSS-based critical applications; the so-called signal-level integrity.

This thesis investigates novel detection algorithms with the aim of providing a new generation of integrity techniques in GNSS. For this purpose, the framework of Statistical Change Detection (SCD) is considered. This framework is of particular interest because its optimal criterion target the temporal dimension. This is an indispensable requirement for critical applications, in which a prompt detection is necessary. Therefore, the first part of this dissertation deals with the study of the field of SCD, including both Quickest Change Detection (QCD) and Transient Change Detection (TCD). Novel contributions are provided in the field of TCD, including the finite moving average solution and its statistical characterization. Numerical results show the superiority of our contributions. Finally, to conclude our study of SCD we compare it with classical detection schemes under the same mathematical framework. This comparison shows the appropriateness of SCD when dealing with timely detections.

The main contribution of this thesis is the application of the SCD framework to threat detection and integrity in GNSS. To this end, we first investigate several properties of the received GNSS signal that may be useful for local threat detection. This leads us to move a step forward in the field of threat detection by proposing a novel QCD-based framework. Nonetheless, for integrity purposes a bounded delay is desirable, and it is here where TCD is of interest. For this reason, a novel TCD-based framework is considered for both multipath detection and integrity algorithms in GNSS, thus leading to the provision of signal-level integrity. A notable improvement is shown by the proposed TCD-based solutions considered in this thesis with respect to current solutions.

In the last part of the thesis, the goal is to validate the proposed threat detectors and signal-level integrity algorithm using real GNSS signals. Real signal gathered in the context of an EC-funded research project is processed to show and validate the results of the implemented detectors. The results obtained in a realistic scenario show the improvement of the accuracy and integrity by using the proposed solution for signal-level integrity, with respect to current integrity algorithms. Furthermore, the proposed solution is shown to have real-time processing capabilities, thus being very attractive to improve current integrity algorithms and easily implementable in mass-market receivers.