Resumen de Robust gnss carrier phase-based position and attitude estimation. Theory and applications
Daniela Arias
- español
La información de navegación es un elemental fundamental para el funcionamiento de sistemas de transporte inteligentes y plataformas robóticas. Entre las tecnologías existentes, los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) se han consolidado como la piedra angular para la navegación en exteriores, dando acceso a localización y sincronización temporal a una escala global, irrespectivamente de la condición meteorológica. GNSS es el término genérico que define una constelación de satélites que transmiten señales de radio, usadas primordinalmente para proporcionar información de distancia. Por lo tanto, la operatibilidad y funcionamiento de los futuros sistemas autónomos pende de nuestra capacidad para explotar GNSS y estimar soluciones de navegación robustas y precisas. Las señales GNSS permiten dos tipos de observaciones de alcance: –pseudorangos de código, que miden el tiempo transcurrido entre la emisión de las señales en los satélites y su acquisición en la tierra por parte de un receptor; –pseudorangos de fase de portadora, que miden la fase de la onda sinusoide que portan dichas señales y el número acumulado de ciclos completos. Los pseudorangos de código proporcionan una medida inequívoca de la distancia entre los satélites y el receptor, con una precisión de decímetros cuando no se tienen en cuenta los retrasos atmosféricos y los desfases del reloj. En contraposición, las observaciones de la portadora son super precisas, alcanzando el milímetro de exactidud, a expensas de ser ambiguas por un número entero y desconocido de ciclos. Por ende, el alcanzar la máxima precisión con GNSS queda condicionado al uso de las medidas de fase de la portadora, lo cual implica unos problemas de estimación de elevada complejidad. Esta tesis versa sobre la teoría de estimación relacionada con la provisión de navegación precisa basada en la fase de la portadora, especialmente para vehículos que transitan escenarios donde las señales no se propagan fácilmente, como es el caso de las ciudades. Para ello, primero se aborda la máxima efectividad del problema de localización, proponiendo cotas inferiores para el procesamiento de la señal en el receptor y para el problema de estimación mixto (es decir, cuando las incógnitas pertenecen al espacio de números reales y enteros). En segundo lugar, se consideran las configuraciones multiantena para el cálculo de la orientación de un vehículo, presentando un nuevo modelo para la estimación conjunta de posición y rumbo, y proponiendo estimadores deterministas y recursivos basados en la teoría de Lie. Por último, se explora el marco de la estadística robusta para proporcionar nuevas soluciones de navegación precisa, capaces de hacer frente a los ruidos atípicos
- English
Navigation information is an essential element for the functioning of robotic platforms and intelligent transportation systems. Among the existing technologies, Global Navigation Satellite Systems (GNSS) have established as the cornerstone for outdoor navigation, allowing for all-weather, all-time positioning and timing at a worldwide scale. GNSS is the generic term for referring to a constellation of satellites which transmit radio signals used primarily for ranging information. Therefore, the successful operation and deployment of prospective autonomous systems is subject to our capabilities to support GNSS in the provision of robust and precise navigational estimates.
GNSS signals enable two types of ranging observations: --code pseudorange, which is a measure of the time difference between the signal's emission and reception at the satellite and receiver, respectively, scaled by the speed of light; --carrier phase pseudorange, which measures the beat of the carrier signal and the number of accumulated full carrier cycles. While code pseudoranges provides an unambiguous measure of the distance between satellites and receiver, with a dm-level precision when disregarding atmospheric delays and clock offsets, carrier phase measurements present a much higher precision, at the cost of being ambiguous by an unknown number of integer cycles, commonly denoted as ambiguities. Thus, the maximum potential of GNSS, in terms of navigational precision, can be reach by the use of carrier phase observations which, in turn, lead to complicated estimation problems.
This thesis deals with the estimation theory behind the provision of carrier phase-based precise navigation for vehicles traversing scenarios with harsh signal propagation conditions. Contributions to such a broad topic are made in three directions. First, the ultimate positioning performance is addressed, by proposing lower bounds on the signal processing realized at the receiver level and for the mixed real- and integer-valued problem related to carrier phase-based positioning. Second, multi-antenna configurations are considered for the computation of a vehicle's orientation, introducing a new model for the joint position and attitude estimation problems and proposing new deterministic and recursive estimators based on Lie Theory. Finally, the framework of robust statistics is explored to propose new solutions to code- and carrier phase-based navigation, able to deal with outlying impulsive noises.
