Kinematic precise point positioning algorithms development, software implementation, testing and validation

Navigation satellites have become integral part of our lives. Everyone must have experienced, at least once in their life, the necessity of determining their position and/or navigate to a precise location. Besides the apparent simplicity we are nowadays used to when estimating our position with a smartphone, the topic is much complex and involves advanced technologies. The purpose of this thesis is to analyse and further develop one of the most precise navigation satellites-based positioning technique for what concerns single-point localization, that is the Precise Point Positioning (PPP). This method allows a receiver to determine its own position with an accuracy up to the decimeter level (or even smaller depending on the application) without relying on any additional nearby reference station, as it happens instead for the majority of the common high-precision applications. In particular, the objective of this thesis is to develop algorithms which could improve the PPP technique when applied to highly-dynamic kinematic applications. This is principally done by optimising the Kalman filer adopted for the processing of data generated by a moving receiver. The improvement of the prediction in time of the receiver's position, obtained by introducing a proper kinematic model which accounts for the dynamics of the system, will be the common thread at the base of each algorithm. The algorithms developed and described in this thesis are then implemented in a software used, until now, to compute PPP solutions mainly from data processing of static applications or low-dynamic kinematic applications. This thesis has been developed during an internship carried out at the European Space Operations Centre (ESOC) (Darmstadt, Germany) in the Navigation Support Office. Indeed, it was necessary to improve the original version of the mentioned software in order to process kinematic data of a highly-dynamic challenging ongoing experiment (EXPOL sounding rocket experiment). Eventually, the developed algorithms are tested by post-processing the data acquired during a kinematic experiment conducted some years ago by the collaboration of the European Space Agency with the Fraunhofer Institute. The analysis of the results should allow to compare the algorithms, validate them, and draw some conclusions.

I satelliti di navigazione sono ormai diventati parte integrante della nostra vita. Chiunque deve aver sperimentato, almeno per una volta, la necessità di dover determinare la sua posizione e/o navigare verso un punto preciso. Nonostante l’apparente semplicità a cui siamo abituati oggigiorno nel determinare la nostra posizione con uno smartphone, l’argomento è molto complesso e coinvolge tecnologie avanzate. Lo scopo di questa tesi è analizzare e sviluppare ulteriormente una delle più precise tecniche di posizionamento basate sull’utilizzo dei satelliti di navigazione per il posizionamento autonomo: il Precise Point Positioning (PPP). Questo metodo permette a un ricevitore di determinare la sua posizione con un’accuratezza al livello del decimetro (o perfino inferiore a seconda dell'applicazione) senza dover fare affidamento su di una stazione di riferimento vicina, come invece accade per la maggior parte delle comuni applicazioni ad alta precisione. In particolare, l’obiettivo di questa tesi è sviluppare algoritmi che potrebbero migliorare la tecnica PPP quando viene utilizzata per applicazioni cinematiche ad alta dinamicità. Per raggiungere questo scopo si cercherà di ottimizzare il filtro di Kalman utilizzato per il processing dei dati generati da un ricevitore mobile. Il miglioramento della predizione nel tempo della posizione del ricevitore, ottenuto introducendo un appropriato modello cinematico che tenga conto della dinamica del sistema, sarà il filo conduttore alla base di ogni algoritmo. Gli algoritmi sviluppati e descritti in questa tesi sono poi implementati in un software usato finora principalmente per generare soluzioni PPP attraverso il processing di dati di esperimenti statici o cinematici a bassa dinamicità. Questa tesi è stata sviluppata durante uno stage effettuato al Centro Europeo per le Operazioni Spaziali (ESOC) (Darmstadt, Germania) nell'Ufficio di Supporto alla Navigazione. Era difatti necessario migliorare la versione originale del software sopramenzionato così da poter processare i dati cinematici di un esperimento ad alta dinamicità attualmente in via di sviluppo (EXPOL razzo sonda). Infine, gli algoritmi sviluppati sono testati attraverso il post-processing di dati ottenuti durante un esperimento cinematico condotto qualche anno fa dalla collaborazione dell’Agenzia Spaziale Europea con il Fraunhofer Institute. L’analisi dei risultati dovrebbe permettere di comparare gli algoritmi, validarli e trarre delle conclusioni.