Galileo broadcast ephemeris and clock errors, and observed fault probabilities for ARAIM

Abstract

(English) The characterization of Clock and Ephemeris error of the Global Navigation Satellite Systems is a key element to validate the assumptions for the integrity analysis of GNSS Safety of Life (SoL) applications. Specifically, the performance metrics of SoL applications require the characterization of the nominal User Range Errors (UREs) as well as the knowledge of the probability of a satellite, Psat or a constellation fault, Pconst, i.e. when one or more satellites are not in the nominal mode. We will focus on Advanced Autonomous Integrity Monitoring (ARAIM).

The present dissertation carries-out an end-to-end characterization and analysis of Galileo and GPS satellites for ARAIM. It involves two main targets. First, the characterization of Galileo and GPS broadcast ephemeris and clock errors, to determine the fault probabilities Psat and Pconst, and the determination on an upper bound of the nominal satellite ranging accuracy (sURA). Second, using these experimental results, to assess the performance of the ARAIM at user level.

With regard to the first goal, the main contribution has been the extension of the algorithms already developed for GPS satellites to the Galileo constellation. This is not a straightforward task, as it requires to consider the particular features of Galileo data. This characterization involved the development and implementation of complex algorithms to consolidate broadcast navigation files from a huge set of individual receivers, and using these consolidated files, to develop automatic monitors to assess the nominal behaviour of the GNSS satellites and detect anomalous events. The methodology has been applied to more than 5 years of Galileo data (since Galileo Open Service was declared on 15 December 2016) and more than 10 years of GPS data. Thanks to this analysis the satellite orbit and clock faults have been identified, the probability of failure established and sURA determined.

The Not-to-Exceed (NTE) thresholds from Galileo commitments have been used to identify the satellite faults and to estimate the observed probabilities Psat and Pconst. Using the NTE = 39.78 m, when excluding the first six-month period of Galileo IS OS, the analysis over the last five-year window shows very promising results. Only two satellite faults have been found. These two faults over this five-year period result in a fault probability Psat=3.0 × 10-6/sat, which is far below the 1 × 10-5/sat commitment.

Regarding to te second goal, the main contribution of this thesis has been the assessment of the global performance of the H-ARAIM based in the experimental results of previous characterization of Psat, Pconst and sURA. The approach involves multi-constellation (Galileo and GPS) and single constellation (Galileo alone or GPS alone). The metric for H-ARAIM examinations the 99.5th percentile of availability for the Required Navigation Performance (RNP) with lateral accuracy of 0.1 (RNP-0.1). The results show almost 100% global coverage for all analysed configurations, except with single-frequency Galileo with E1 or E5, or Galileo plus GPS with E5 and L5. This is when the basic-constellation, with 24 satellites per constellation, or the optimistic constellation with 27 satellites, are used. With a degraded-constellation (23 satellites), RNP-0.1 is only achieved with multi-constellation and dual frequency [Galileo E1/E5 plus GPS L1/L5]. The dissertation also includes a sensitivity analysis of ARAIM algorithm as a function of the Integrity Support Message (ISM).

(Català) La caracterització dels errors de Rellotge i Efemèrides dels satèl·lits GNSS és un element clau per validar els supòsits per a l'anàlisi d'integritat dels sistemes d'augmentació GNSS "Safety-of-life" (SoL). Específicament, les mètriques de rendiment de les aplicacions SoL requereixen la caracterització dels errors nominals de rang d'usuari (URE), així com el coneixement de la probabilitat de fallada dels satèl·lits, Psat, o de les constel·lacions, Pconst, és a dir quan un o més satèl·lits no es troben en estat nominal. En particular, els resultats d'aquest treball s'apliquen a les tècniques avançades per al monitoratge autònom de la integritat de receptor (Advanced RAIM o ARAIM).

En aquesta Tesi s'ha realitzat una caracterització i anàlisi d'extrem a extrem dels satèl·lits Galileu i GPS per a ARAIM. Això ha comportat dos objectius principals. En primer lloc, la caracterització dels errors les efemèrides i els errors de rellotge dels satèl·lits Galileo i GPS, per determinar les probabilitats de fallada Psat i Pconst, i la determinació dun límit superior de la precisió nominal en rang dels senyals de els satèl·lits (sURA). En segon lloc, la utilització dels resultats experimentals obtinguts per avaluar el rendiment de l¿ARAIM a nivell d¿usuari.

Pel que fa al primer objectiu, la contribució principal d'aquesta tesi ha estat l'extensió dels algorismes ja desenvolupats per a GPS a la constel·lació Galileu. Tenint en compte les característiques particulars dels satèl·lits Galileo, s'han desenvolupat i implementat algorismes complexos per consolidar els missatges de navegació dels satèl·lits recollits per un gran conjunt de receptors individuals. Un cop consolidats, s'han desenvolupat monitors automàtics per avaluar el comportament nominal dels satèl·lits i detectar esdeveniments anòmals. La metodologia s'ha aplicat a més de 5 anys de dades de Galileo (des que es va declarar el servei obert el 15 de desembre de 2016 --Galileo IS OS--) i a més de 10 anys de dades GPS. Gràcies a aquesta anàlisi s'han identificat les anomalies en òrbites i rellotges dels satèl·lits i se n'ha estimat la probabilitat de fallada. A més, s'ha estimat un límit superior per a la User Range Accuracy (sURA).

Els llindars Not-to-Exceed (NTE) dels compromisos de Galileu s'han utilitzat per identificar les fallades de satèl·lits i estimar les probabilitats observades Psat i Pconst. Usant el NTE = 39.78 m, després d'excloure el primer període de sis mesos de Galileu IS OS, l'anàlisi durant l'última finestra de cinc anys, des de l'1 d'agost del 2017 fins al 31 de juliol del 2022, mostra resultats molt prometedors . Només s'han trobat dos errors de satèl·lit. Aquests dos únics errors durant aquest període de cinc anys han donat com a resultat una probabilitat de fallada Psat= 3 × 10-6/sat.

Pel que fa al segon objectiu, s'ha avaluat la cobertura global d'H-ARAIM per a diferents configuracions (amb Galileu sol o Galileu més GPS), en base als resultats experimentals obtinguts prèviament. La mètrica adoptada per a aquesta avaluació de H-ARAIM és el percentil 99.5 de disponibilitat per a la Performance de Navegació Requerida (RNP) amb precisió lateral de 0.1 Milles Nàutiques (RNP-0.1). Els resultats mostren una cobertura global de gairebé el 100% per a totes les configuracions analitzades, excepte per a la navegació en una sola freqüència amb Galileo usant E1 o E5, o amb Galileo més GPS amb E5 i L5. Això és quan es fa servir la constel·lació bàsica, amb 24 satèl·lits per constel·lació, o l'optimista, amb 27 satèl·lits per constel·lació. Amb una constel·lació degradada, de 23 satèl·lits, la RNP-0.1 únicament s'assoleix amb multiconstel·lació i doble freqüència [Galileo E1/E5 més GPS L1/L5]. La tesi inclou una anàlisi de la sensibilitat de l'algorisme ARAIM en funció del Missatge de Suport d'Integritat (ISM).

(Español) La caracterización de los errores de Reloj y Efemérides de los satélites GNSS es un elemento clave para validar los supuestos para el análisis de integridad de los sistemas de aumentación GNSS "Safety-of-life" (SoL). Específicamente, las métricas de rendimiento de las aplicaciones SoL requieren la caracterización de los errores nominales de rango de usuario (URE), así como el conocimiento de la probabilidad de fallo de los satélites, Psat o de las constelaciones, Pconst, es decir cuando uno o más satélites no se encuentran en estado nominal. En particular los resultados de este trabajo se aplican a las técnicas avanzadas para la monitorización autónoma de la integridad de receptor (Advanced RAIM o ARAIM).

En esta Tesis se ha realizado una caracterización y análisis de extremo a extremo de los satélites Galileo y GPS para ARAIM. Ello ha comportado dos objetivos principales. En primer lugar, la caracterización de los errores las efemérides y los errores de reloj de los satélites Galileo y GPS, para determinar las probabilidades de fallo Psat y Pconst, y la determinación de un límite superior de la precisión nominal en rango de las señales de los satélites (sURA). En segundo lugar, la utilización de los resultados experimentales obtenidos para evaluar el rendimiento del ARAIM a nivel de usuario.

Respecto al primer objetivo, la principal contribución de esta tesis ha sido la extensión de los algoritmos ya desarrollados para GPS a la constelación Galileo. Teniendo en cuenta las características particulares de los satélites Galileo, se han desarrollado e implementado algoritmos complejos para consolidar los mensajes de navegación de los satélites recogidos por un gran conjunto de receptores individuales. Una vez consolidados, se han desarrollado monitores automáticos para evaluar el comportamiento nominal de estos satélites y detectar eventos anómalos. La metodología se ha aplicado a más de 5 años de datos de Galileo (desde que se declaró el servicio abierto el 15 de Diciembre de 2016 --Galileo IS OS--) y a más de 10 años de datos GPS. Gracias a este análisis se han identificado las anomalías en órbitas y relojes de los satélites y se ha estimado su probabilidad de fallo. Además se ha estimado un límite superior para la User Range Accuracy (sURA).

Los umbrales Not-to-Exceed (NTE) de los compromisos de Galileo se han utilizado para identificar los fallos de satélites y estimar las probabilidades observadas Psat y Pconst. Usando el NTE = 39.78 m, después de excluir el primer período de seis meses de Galileo IS OS, el análisis durante la última ventana de cinco años, desde el 1 de agosto de 2017 hasta el 31 de julio de 2022, muestra resultados muy prometedores. Sólo se han encontrado dos fallos de satélite, Estos dos únicos fallos durante este período de cinco años han dado como resultado una probabilidad de fallo Psat= 3 × 10-6/sat, que está muy por debajo del compromiso de 1 × 10-5/sat.

En relación al segundo objetivo, se ha evaluado la cobertura global de H-ARAIM para diferentes configuraciones (con Galileo solo o Galileo más GPS), en base a los resultados experimentales obtenidos previamente. La métrica adoptada para dicha evaluación de H-ARAIM es el percentil 99.5 de disponibilidad para la Performance de Navegación Requerida (RNP) con precisión lateral de 0.1 Millas Náuticas (RNP-0.1). Los resultados muestran una cobertura global de casi el 100% para todas las configuraciones analizadas, excepto para la navegación en una sola frecuencia con Galileo usando E1 o E5, o con Galileo más GPS con E5 y L5. Esto es cuando se utiliza la constelación básica, con 24 satélites por constelación, o la optimista, con 27 satélites por constelación. Con una constelación degradada, de 23 satélites, la RNP-0.1 únicamente se alcanza con multi-constelación y doble frecuencia [Galileo E1/E5 más GPS L1/L5]. La tesis incluye un análisis de la sensibilidad del algoritmo ARAIM en función del Mensaje de Soporte de Integridad (ISM).