Real time precise orbit determination from single frequency GNSS receiver in low earth orbit

The objective of this thesis is the study and the implementation of an Algorithm for the Precise Orbit Determination of a spaceborne receiver in Low Earth Orbit. The POD problem is to accurately determine the trajectory of an orbiting satellite. To achieve this, estimates of the position and velocity of the orbiting vehicle are made based on a sequence of GNSS observations and the integration of the equations of motion, starting from a reference epoch. This initial orbit is generally not very accurate but is a good starting point to construct a state vector which can then be used in a least squares algorithm to obtain a better estimate of the observations. The state vector is composed by the position vector, the velocity vector, and the measurement model parameters. Components of the satellites state vector at a reference epoch are then adjusted to minimize the observation residuals in a least squares sense. Thus far position accuracy of centimeter level has been achieved with geodetic Dual Frequency (DF) GPS receivers in post processing. Compared to DF receivers, the Single Frequency (SF) receivers are much cheaper and require lower energy consumption: therefore they are more suitable for low-cost small satellites as well as space missions having relatively lower navigation accuracy requirements. The major drawback of SF receivers is the inability to correct the higher order ionospheric delay through dual frequency combination. At this point the scope of this thesis has been identi ed: the implementation of a new algorithm for the on board navigation orbit estimation, capable to achieve position accuracy comparable with DF solution in SF. This has been attained through the use of Extended Kalman Filter (EKF), as least square estimator, which exploits a new ionosphere-free measurement model: The GRoup And PHase Ionospheric Correction (GRAPHIC). The GRAPHIC has been obtained by combining the two classical GPS observables, the code Pseudorange (PR) and the Carrier Phase (CP) measurements and it has a signi cantly lower observation noise with respect to the PR one. The estimation performances of this new approach and a standard Navigation Filter based on PR have been compared by using a real mission scenario data set.

L'obbiettivo di questa tesi è lo studio e l'implementazione di un algoritmo per la Determinazione Precisa dell'Orbita di un ricevitore spaziale in orbita LEO. Il problema POD consiste nella determinazione precisa della traettoria di un satellite in orbita. A tale scopo, la stima della posizione e della velocita del veicolo spaziale è ottenuta sulla base di una sequenza di misure GNSS, integrando le equazioni del moto a partire da un istante iniziale e su stime di misura. L'orbita iniziale non è generalmente molto accurata ma rappresenta un buon punto di partenza da cui costruire il vettore di stato che verrà utilizzato da uno stimatore ai minimi quadrati per ottenere la stima degli osservabili. Il vettore di stato è composto dai vettori posizione, velocità, e dai parametri del modello di misura. Le componenti del vettore di stato corrispondenti a un istante di riferminento verrano poi corrette al ne di minimizzzare gli errori residui tra misura GNSS reale e stimata. Fino ad ora un'accuratezza dell'ordine del centimetro è stata raggiunta con ricevitori spaziali a doppia frequenza (DF) in post processing. I ricevitori a singola frequenza (SF) in confronto, risultano meno costosi in termini di costo e dispendio energetico: perciò essi rappresentano la scelta migliore per piccoli satelliti a basso costo o per missioni in cui è richiesta un'accuratezza non molto alta. Il grande svantaggio dei ricevitori SF è l'incapacità di correggere le misure GNSS dall'errore ionosferico tramite la combinazione di segnali in diversa frequenza. A tal riguardo è stato individuato lo scopo di questa tesi: l'implementazione di un nuovo algoritmo per il sistema di bordo di navigazione a singola frequenza capace di ottenere un'accuratezza sulla stima di posizione confrontabile con quella di un ricevitore DF. Tale scopo è stato conseguito tramite l'utilizzo di un Filtro di Kalman Esteso (EKF), come stimatore ai minini quadrati, che sfrutta un modello dinamico privo di errore ionosferico: The GRoup And PHase Ionospheric Correction (GRAPHIC). Il metodo GRAPHIC è ottenuto tramite la combinazione di due classiche misure, lo Pseudorange (PR) e la Carrier Phase (CP), e presenta un rumore molto minore dello PR. La performance di stima di questo nuovo approccio è stata confrontata con quella di un ltro di navigazione (NAV) che si basa su misure PR utilizzando dati reali di missione.