Methods for Improving Performance in Consumer Grade GNSS Receivers

Abstract

Viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana satelliittinavigointi on kehittynyt ammatti ja sotilaskäyttäjien tekniikasta kaikkien saatavilla olevaksi tekniikaksi. Varsinkin viimeisen 15 vuoden aikana, kun vastaanottimet alkoivat pienentyä ja halpenivat, on lisääntynyt määrä yrityksiä, jotka toimittavat GPS-laitteita satoihin erilaisiin sovelluksiin. Kaikille moderneille tekniikoille on myös tyypillistä, että tutkimukseen ja siihen liittyvään vastaanottimien kehittämiseen on käytetty valtavasti rahaa, mikä on johtanut huomattavaan parantumiseen vastaanottimen suorituskyvyssä.

GPS-vastaanottimien kehitystyön lisäksi uusien maailmanlaajuisten satelliittinavigointijärjestelmien, kuten venäläisen GLONASS, kiinalaisen BeiDou- ja eurooppalaisen Galileo-järjestelmien käyttöönotto tarjoaa entistä enemmän mahdollisuuksia suorituskyvyn parantamiseen. Sekä GPS että nämä uudet järjestelmät ovat myös ottaneet käyttöön uudentyyppisiä signaalirakenteita, jotka voivat tarjota parempilaatuisia havaintoja ja siten parantaa kaikkien vastaanottimien suorituskykyä.

Lopuksi menetelmät, kuten PPP ja RTK, jotka aiemmin olivat varattu ammattikäyttäjille, ovat tulleet kuluttajamarkkinoille mahdollistaen ennennäkemättömän suorituskyvyn jokaiselle satelliittinavigointivastaanottimien käyttäjälle.

Tässä opinnäytetyössä arvioidaan tämän kehityksen vaikutusta sekä suorituskykyyn että vastaanottimen arkkitehtuuriin.

Työssä esitellään yksityiskohtaisesti FGI:ssä kehitetyn ohjelmistopohjaisen vastaanottimen, FGI-GSRx:n. Tämän vastaanottimen avulla on työssä arvioitu miten sekä uudet konstellaatiot että uudet nykyaikaiset signaalit ja niitten seurantamenetelmät vaikuttavat suorituskykyyn ja vastaanotin arkkitehtuuriin. Tämän lisäksi on arvioitu PPP- ja RTK-tarkkuuspaikannusmenetelmien vaikutus FinnRefCORS-verkkoa käyttäen useiden erityyppisten vastaanottimien kanssa, mukaan lukien kuluttajalaatuiset vastaanottimet.

Tulokset osoittavat, että enemmän konstellaatioita ja signaaleja käytettäessä paikannusratkaisun tarkkuus paranee 3 metristä 1,4 metriin hyvissä olosuhteissa ja yli 10-kertaiseksi tiheästi rakennetuissa kaupungeissa, jossa käytettävissä olevien signaalien määrä kasvaa kertoimella 2 käytettäessä kolmea konstellaatiota. Uusia moderneja modulaatiotekniikoita, kuten BOC-modulaatiota, käytettäessä tulokset osoittavat Galileo-ratkaisun tarkkuuden paranevan lähes 25%:lla ja esitelty uusi signaalinkäsittelymenetelmä lisää tällaisen tarkkuuden saatavuutta 50%:sta lähes 100%:iin. Lopuksi tarkkuuspaikannusmenetelmien tulokset osoittavat, että 15 cm:n tarkkuus on saavutettavissa, mikä on merkittävä parannus verrattuna 1,4 metrin tarkkuuteen.

Näiden parannusten saavuttamiseksi on olennaista, että itse vastaanotin on mukautettu hyödyntämään näitä uusia signaaleja ja konstellaatioita. Tämä tarkoittaa, että nykyaikaisten kuluttajamarkkinoiden vastaanottimien suunnittelu on haastavaa ja monissa tapauksissa ohjelmistopohjainen vastaanotin olisi parempi ja halvempi valinta kuin uusien mikropiirien kehittäminen.

For the last three decades, satellite navigation has evolved from being a technology for professional and military users to a technology available for everyone. Especially during the last 15 years, since the receivers started getting smaller and cheaper, there has been an increasing number of companies delivering Global Positioning System (GPS) enabled devices for hundreds of different kind of applications. Typical for any modern technology, there has also been an enormous amount of money spent on research and accompanied receiver development resulting in an immense increase in receiver performance.

In addition to the development efforts on GPS receivers the introduction of new global navigation satellite systems such as the Russian Globalnaja Navigatsionnaja Sputnikovaja Sistema (GLONASS), the Chinese BeiDou, and the European Galileo systems offers even more opportunities for improved performance. Both GPS and these new systems have also introduced new types of signal structures that can provide better quality observations and even further improve the performance of all receivers.

Finally, methods like Precise Point Positioning (PPP) and Real Time Kinematic (RTK) that earlier were reserved for professional users have entered into the consumer market enabling never before seen performance for every user of satellite navigation receivers.

This thesis will assess the impact of this development on both performance as well as on receiver architecture.

The design of the software defined receiver developed at FGI, the FGI-GSRx, is presented in detail in this thesis. This receiver has then been used to assess the impact of using multiple constellations as well as new novel signal processing methods for modern signals. To evaluate the impact of PPP and RTK methods the FinnRef Continuously Operating Reference Station (CORS) network has been used together with several different types of receivers including consumer grade off the shelf receivers.

The results show that when using more constellations and signals the accuracy of the positioning solution improves from3 meters to 1.4 meters in open sky conditions and by more than a factor 10 in severe urban canyons. For severe urban canyons the available also increases by a factor 2 when using three constellations. When using new modern modulation techniques like high order BOC results show an accuracy improvement for a Galileo solution of almost 25 % and the presented new signal processing method increase the availability of such an accuracy from 50 % to almost 100 %. Finally, results from precise point positioning methods show that an accuracy of 15 cm is achievable, which is a significant improvement compared to an accuracy of 1.4 m for a standalone multi constellation solution.

To achieve these improvements, it is essential that the receiver itself is adapted to make use of these new signals and constellations. This means that the design of modern consumer market receivers is challenging and in many cases a software define receiver would be a better and cheaper choice than developing new Application Specific Integrated Circuit (ASIC)’s.