GRAPHIC navigation filter algorithm for GNSS real-time orbit determination on LEO satellites

The purpose of this thesis is the development and implementation in C language of a navigation filter algorithm, suitable for solving the real-time POD problem of spaceborne single-frequency GNSS receivers, in LEO orbits. In this range of altitudes, the PPP accuracy is mainly limited by the ionospheric refraction effect. Conventional dual-frequency GNSS receivers exploit the capability of collecting observations at different frequencies, to build ionosphere-free linear combinations, taking advantage of the frequency dispersive effect of the ionospheric plasma on microwave-band signals. In order to achieve this, they require special hardware and more processing power for acquisition and tracking, making them complex and fairly expensive. On the other hand, single-frequency receivers are simpler, cheaper and less energy-demanding. For this reason, achieving a single-frequency positioning accuracy, comparable to the one obtained by dual-frequency solutions, could open new promising scenarios for the space industry, looking at smaller, more sustainable and low-cost satellites with a growing interest. The developed navigation filter is based on the EKF architecture and features a simplified dynamic model, together with the GRAPHIC measurement model. This measurement model exploits the fact that the ionospheric delay terms, affecting the pseudoranges and carrier phases, are equal in magnitude but opposite in sign, to create a new ideally ionosphere-free observable, from single-frequency measurements, as one half the sum of the pseudoranges and carrier phases. This way, the proposed filter algorithm can benefit from the carrier phase measurements, which are significantly more accurate than the pseudoranges, and generally not used by single-frequency receivers to compute the solution. The POD problem has been described through a state-space representation, based on a state vector that comprises: position, velocity, clock bias, clock bias rate and the carrier phase ambiguities. This work goes through the architecture definition, implementation and testing of the developed GRAPHIC filter algorithm. The performance has been investigated and assessed using data from both real-mission and simulated scenarios, in order to guarantee a more robust analysis and provide greater consistency to the presented results.

L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo e l'implementazione in linguaggio C di un filtro software di navigazione, in grado di risolvere in tempo reale il problema di POD per ricevitori GNSS a singola frequenza, in orbite LEO. A queste altitudini, la precisione di PPP è limitata prevalentemente dall'effetto di rifrazione della ionosfera. I ricevitori a doppia frequenza sfruttano la capacità di ottenere misure a frequenze differenti per costruire combinazioni lineari prive di errore ionosferico, traendo vantaggio dall'effetto dispersivo del plasma ionosferico sui segnali nella banda delle microonde. Per ottenere ciò, è necessario avere hardware specializzato e molta energia per l'acquisizione e il tracciamento, aumentando notevolmente la complessità ed il costo. Al contrario, i ricevitori a singola frequenza sono più semplici, economici e richiedono meno energia. Per questa ragione, ottenere una precisione di posizionamento a singola frequenza, paragonabile a quella ottenuta con soluzioni a doppia frequenza, può aprire a nuovi promettenti scenari per l'industria spaziale, sempre più interessata a satelliti più piccoli, sostenibili ed economici. Il filtro di navigazione sviluppato è basato sull'architettura EKF e comprende un modello dinamico semplificato, insieme ad un modello di misura GRAPHIC. Questo modello di misura sfrutta la presenza, nelle misure di pseudorange e carrier phase, di un contributo ionosferico uguale in modulo ma opposto in segno per creare un nuovo osservabile, uguale alla metà della somma delle misure a singola frequenza di pseudorange e carrier phase ed idealmente privo di errore ionosferico. In questo modo, l'algoritmo proposto può beneficiare delle misure di carrier phase, significativamente più precise dei rispettivi pseudorange, e generalmente non usate dai ricevitori a singola frequenza per il calcolo della soluzione. Il problema di POD è stato descritto attraverso una rappresentazione agli stati, basata su un vettore di stato che comprende: posizione, velocità, clock bias, clock bias rate e le ambiguità della carrier phase. Questo lavoro presenta la definizione dell'architettura, l'implementazione ed i test del filtro di navigazione sviluppato. Le prestazioni sono state valutate usando dati provenienti sia da missioni reali, sia da scenari simulati, così da rendere l'analisi più robusta, dando maggiore consistenza ai risultati riportati.