Network-based ionospheric gradient monitoring to support ground based augmentation systems

Abstract

The Ground Based Augmentation System (GBAS) is a local-area, airport-based augmentation of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) that provides precision approach guidance for aircraft. It enhances GNSS performance in terms of integrity, continuity, accuracy, and availability by providing differential corrections and integrity information to aircraft users. Differential corrections enable the aircraft to correct spatially correlated errors, improving its position estimation. Integrity parameters enable it to bound the residual position errors, ensuring safety of the operation. Additionally, a GBAS ground station continuously monitors and excludes the satellites affected by any system failure to guarantee the system integrity and safety.

Among the error sources of GNSS positioning, the ionosphere is the largest and most unpredictable. Under abnormal ionospheric conditions, large ionospheric gradients may produce a significant difference between the ionospheric delay observed by the GBAS reference station and the aircraft on approach. Such a spatially decorrelated ionosphere could lead to hazardous unbounded position errors if undetected. Conventional GBAS solutions to mitigate this threat assume that the “worstcase" ionospheric gradient ever observed in the relevant region is always present, which is a very conservative assumption. This approach, which relies on the conservative ionospheric threat models derived for GBAS, maximizes integrity, often at the expense of availability and continuity, especially in geographic areas with highly active ionosphere.

As opposed to assuming a permanent “worst-case” gradient, I propose the Network GBAS concept, in which several reference stations collaborate to monitor for actual ionospheric gradients. This concept consists of two main steps. First, the network detects the anomalous ionospheric gradients, estimates the gradient parameters, and transmits this information to the GBAS stations installed in its coverage area. Then, the GBAS stations replace the “worst-case” gradient used to mitigate the ionospheric threat in current algorithms with the gradient information provided by the network. This approach reduces conservatism and leads to an improvement of the system availability without compromising user integrity.

This thesis validated the performance of the detection and estimation algorithms with simulated and real ionospheric gradients from two different locations known for their high levels of ionospheric activity. One location was Alaska, where the analyzed real anomalous gradients were small in size but fast-moving; the other location was Brazil, dominated by large-but-slow anomalous gradients. This analysis led to the adaptation of the algorithms to work in challenging scenarios.

The evaluation of the Network-GBAS concept compared in simulations the availability of a Category I (CAT I) GBAS station at the Brazil location in two cases: assuming the conservative ionospheric threat model, and using the gradient information provided by the network. On a selected nominal day (i.e., with no significant ionospheric activity), availability improved from 79.5% to 94.6% during the nighttime. On a selected active day, availability improved from 68.7% to 89.5% during the nighttime. During daytime, availability achieved 100% on both days.

Results demonstrate that the Network-GBAS concept can significantly enhance CAT I GBAS availability in active ionospheric regions without compromising user integrity. Furthermore, by incorporating the information provided by the network into existing solutions, the Network-GBAS is compatible with existing algorithms and hardware, and thus should be certifiable if adapted to the characteristics of each region where GBAS is fielded.

El Sistema d'augmentació basat en terra (GBAS per les sigles en anglès) és un sistema d'àrea local que s'instal·la als aeroports. GBAS augmenta els senyals dels Sistemes de Navegació Globals per Satèl·lit (GNSSs) i proporciona a les aeronaus la informació necessària per fer aproximacions de precisió. El seu objectiu principal és millorar el rendiment de GNSS en termes d'integritat, continuïtat, exactitud i disponibilitat, mitjançant la transmissió de correccions diferencials i paràmetres d'integritat. Les correccions diferencials permeten a l'aeronau millorar la exactitud de la seva posició. Els paràmetres d'integritat permeten calcular límits per als errors residuals de la posició. Addicionalment, l'estació GBAS monitoritza i exclou els satèl·lits afectats per qualsevol tipus de fallida del sistema per tal de garantir la integritat i la seguretat dels usuaris. Entre les fonts d'error de GNSS, la ionosfera és la més important i més impredictible. En condicions ionosfèriques anormals, grans gradients ionosfèrics poden produir una diferència significativa entre l'error ionosfèric observat per l'estació GBAS i l'aeronau. Si aquesta diferència no es detecta i mitiga, pot provocar grans errors en la posició de l'aeronau. Les solucions GBAS convencionals per mitigar aquesta amenaça assumeixen que sempre és present el gradient ionosfèric més gran mai observat a la regió pertinent, la qual cosa constitueix una suposició molt conservadora. Aquest enfocament, basat en els models conservadors d'amenaça ionosfèrica derivats per a GBAS, maximitza la integritat, sovint a costa de la disponibilitat i la continuïtat del sistema, especialment en zones geogràfiques amb una ionosfera molt activa. Per solucionar aquest problema, aquesta tesi proposa el concepte de ¿Network-GBAS¿, en què diverses estacions de referència col·laboren per monitoritzar els gradients ionosfèrics. Aquest concepte consta de dos passos. Primer, la xarxa detecta els gradients ionosfèrics, estima els seus paràmetres i transmet aquesta informació a les estacions GBAS instal·lades a la seva zona de cobertura. Tot seguit, les estacions GBAS substitueixen el valor del gradient basat en el model d'amenaça per la informació del gradient proporcionada per la xarxa. Aquest enfocament redueix el conservadorisme i condueix a una millora de la disponibilitat del sistema sense comprometre la integritat de l’usuari. Aquesta tesi valida el rendiment dels algorismes de detecció i estimació amb gradients ionosfèrics simulats i reals de dos llocs diferents coneguts pels alts nivells d'activitat ionosfèrica. Un dels llocs és Alaska, on els gradients anòmals reals analitzats són de petit tamany, però es mouen a altes velocitats; l'altre lloc és Brasil, on els gradients característics són de grans dimensions, però lents. L'avaluació del concepte de ¿Network-GBAS¿ compara en simulacions la disponibilitat d'una estació GBAS de categoria I (CAT I) situada a la ubicació del Brasil en dos casos: assumint el model conservador d'amenaça ionosfèrica, i utilitzant la informació del gradient proporcionada per la xarxa. En un dia nominal, seleccionat per a aquest estudi, la disponibilitat del sistema va millorar del 79,5% al 94,6% durant la nit. En un dia actiu, la disponibilitat va millorar del 68,7% al 89,5% durant la nit. Durant el dia, la disponibilitat va assolir el 100% en tots dos dies. Els resultats demostren que el concepte de “Network-GBAS” millora significativament la disponibilitat d'una estació GBAS CAT I en regions ionosfèriques actives sense comprometre la integritat de l'usuari. A més, en incorporar la informació proporcionada per la xarxa en les solucions existents, el “Network-GBAS” és compatible amb els algorismes i el "hardware" existents, per la qual cosa seria certificable si s'adapta a les característiques de cada regió on s'instal·li GBAS

El Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS por sus siglas en inglés) en un sistema de área local que se instala en los aeropuertos. GBAS aumenta las señales de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSSs) y proporciona a las aeronaves la información necesaria para realizar aproximaciones de precisión. Su principal objetivo es mejorar el rendimiento de GNSS en términos de integridad, continuidad, exactitud y disponibilidad, mediante la transmisión de correcciones diferenciales y parámetros de integridad. Las correcciones diferenciales le permiten a la aeronave mejorar la exactitud de su posición. Los parámetros de integridad le permiten calcular límites para los errores residuales de posición. Adicionalmente, la estación GBAS monitoriza y excluye los satélites afectados por cualquier tipo de fallo en el sistema para garantizar la integridad y la seguridad de los usuarios. Entre las fuentes de error de GNSS, la ionosfera es la mayor y más impredecible. En condiciones ionosféricas anormales, los grandes gradientes ionosféricos pueden producir una diferencia significativa entre el error ionosférico observado por la estación GBAS y la aeronave. Si esta diferencia no se detecta y se mitiga, podría dar lugar a grandes errores en la posición de la aeronave. Las soluciones GBAS convencionales para mitigar esta amenaza asumen que el gradiente ionosférico más grande jamás observado en la región pertinente está siempre presente, lo cual es una suposición muy conservadora. Este enfoque, basado en los modelos conservadores de amenaza ionosférica derivados para GBAS, maximiza la integridad, a menudo a expensas de la disponibilidad y la continuidad del sistema, especialmente en zonas geográficas con una ionosfera muy activa. Para solucionar este problema, esta tesis propone el concepto de "Network-GBAS", en el que varias estaciones de referencia colaboran para monitorizar los gradientes ionosféricos. Este concepto consta de dos pasos. Primero, la red detecta los gradientes ionosféricos, estima sus parámetros y transmite esta información a las estaciones GBAS instaladas en su zona de cobertura. A continuación, las estaciones GBAS sustituyen el valor del gradiente basado en el modelo de amenaza por la información del gradiente proporcionada por la red. Este enfoque reduce el conservadurismo y conduce a una mejora de la disponibilidad del sistema sin comprometer la integridad del usuario. Esta tesis valida el rendimiento de los algoritmos de detección y estimación con gradientes ionosféricos simulados y reales de dos lugares diferentes conocidos por sus altos niveles de actividad ionosférica. Uno de los lugares es Alaska, en donde los gradientes anómalos reales analizados son de pequeño tamaño, pero se mueven a altas velocidades; el otro lugar es Brasil, en donde los gradientes característicos son de gran tamaño, pero lentos. La evaluación del concepto de “Network-GBAS" compara en simulaciones la disponibilidad de una estación GBAS de Categoría I (CAT I) situada en la ubicación de Brasil en dos casos: asumiendo el modelo conservador de amenaza ionosférica, y utilizando la información del gradiente proporcionada por la red. En un día nominal, seleccionado para este estudio, la disponibilidad del sistema mejoró del 79;5% al 94; 6% durante la noche. En un día activo, la disponibilidad mejoró del 68;7% al 89; 5% durante la noche. Durante el día, la disponibilidad alcanzó el 100% en ambos días. Los resultados demuestran que el concepto de “Network-GBAS" mejora significativamente la disponibilidad de una estación GBAS CAT I en regiones ionosféricas activas sin comprometer la integridad del usuario. Además, al incorporar la información proporcionada por la red en las soluciones existentes, el "Network-GBAS" es compatible con los algoritmos y el hardware existentes, por lo que sería certificable si se adapta a las características de cada región en la que se instale GBAS.