Dissertation Ionosphere

The ultimate objective of this Ph D thesis consists in prototyping mitigation strategies in order to improve the accuracy, continuity and reliability performances of GNSS algorithms in case of low-latitude ionospheric scintillations.

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Tout d’abord, cette Thèse de Doctorat présente une analyse statistique basée sur des mesures effectuées par un réseau de récepteurs de type ISMR implanté à proximité de l’équateur magnétique, au Brésil.

Les mesures ont été collectées durant l’année 2014, c’est-à-dire durant le (second) pic d’intensité du dernier maximum solaire (cycle solaire n°24).

Etant donné que les hautes performances de l’algorithme PPP dépendent de la précision de mesures de phase, l’algorithme PPP est davantage sensible aux scintillations ionosphériques que l’algorithme SPP, basé exclusivement sur des mesures de code.

En cas de scintillations ionosphériques sévères, la racine carrée de l’erreur quadratique moyenne (Root-Mean-Square Error – RMSE) de la solution PPP peut atteindre la valeur extrême de 6.73 m et s’associer à un taux de succès aussi faible que 50%, par comparaison à une valeur de 0.18 m et de 100%, respectivement, pendant des conditions nominales.

Les stratégies d’atténuation prototypées dans le cadre de cette recherche sont basées sur des cartes de scintillations ionosphériques qui résultent de l’application de techniques d’analyse spatiale sur des mesures de scintillations ionosphériques effectuées à l’aide de récepteurs GNSS spécialement conçus à cet effet (Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers – ISMRs).

Plus spécifiquement, ces stratégies ciblent les étapes de la modélisation stochastique et du contrôle d’intégrité des algorithmes SPP et PPP.The mitigation strategies prototyped in the framework of this research are based on ionospheric scintillation skymaps resulting from the application of specific spatial analysis techniques on ionospheric scintillation measurements.Specifically, these prototype mitigation strategies target the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the SPP and PPP algorithms.Globally, all the prototype mitigation strategies designed in the framework of this Ph D thesis contribute to increase the accuracy, continuity and reliability performances of the SPP and PPP algorithms during low-to-moderate ionospheric scintillations.Strategies associated with ionospheric scintillation skymaps based on local spatial autocorrelation statistics outperform strategies based on interpolated skymaps.Physical, chemical, mathematical & earth Sciences : Earth sciences & physical geography Physical, chemical, mathematical & earth Sciences : Space science, astronomy & astrophysics Engineering, computing & technology : Aerospace & aeronautics engineering Nowadays, Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) play a significant role in our modern society as they support a wide range of applications worldwide associated with utterly demanding performance requirements.However, GNSS performances in terms of accuracy, continuity and reliability are limited by the Earth’s ionosphere.L’objectif ultime poursuivi par cette Thèse de Doctorat consiste à développer des prototypes de stratégies d’atténuation des effets des scintillations ionosphériques afin d’améliorer les performances des systèmes de positionnement par satellites en cas de scintillations ionosphériques équatoriales.En particulier, cette recherche cible deux algorithmes de positionnement par satellites, à savoir le Standard Point Positioning (SPP) et le Precise Point Positioning (PPP).Finally, this Ph D thesis describes the design and benchmarks the performances of several categories of prototype mitigation strategies against ionospheric scintillations that target the stochastic modelling and the integrity monitoring stages of the SPP and PPP algorithms.The design of the strategies is based on several types of ionospheric scintillation skymaps and the benchmark of their performances relies on the definition of several specific performance parameters.