Mitigation of interconstellation biases and ionospheric effects in multi-constellation, multi-frequency GNSS positioning

The accurate determination of positions for both people and objects is essential, in fact, without the usage of positioning services, the modern world would be difficult to imagine. Positioning services are provided by the Global navigation satellite system (GNSS), GNSS satellites transmit signals that allow the receiver to define its position anywhere in the world with an accuracy of a few meters in less than a minute. The transmitted GNSS signals pass through the ionosphere, which causes a delay in the signal that affects the accuracy of positioning. One of the largest errors in GNSS positioning can be attributed to the ionospheric bias. Since this bias depends on the electron density in the ionosphere, which varies during the day and with the satellite’s elevation, it is challenging to accurately model it in single-frequency point positioning. However, by combining two GNSS signals linearly, it is possible to mitigate the ionospheric bias, which is virtually entirely dependent on the frequency of the transmitted signal. Receiver positions are estimated from all the in-sight satellites, in multi-GNSS point positioning the receiver needs at least five visible satellites to accurately estimate the position of the receiver in addition to two receiver clock offsets. Under normal conditions, GNSS constellations are able to provide more than five satellites at all times, but in urban areas satellite visibility could be severely affected due to topographic factors. To account for this possibility, it is necessary to establish a connection between the various GNSS constellations’ clock errors by defining a constant offset between them, namely the inter-constellation clock bias. By fixing the bias, the number of unknowns in multi-GNSS point positioning is always fixed to four, with only one for the receiver clock error. This work aims to address the issues of the ionospheric bias and the inter-constellation clock bias, it can be divided into two parts: Implementation of a software for the computation the ionospheric-free linear combination. The existing software contained Python libraries for single-frequency point positioning, in order to get more precision in the estimated receiver positions, a Python module for processing multi-frequency observations was developed and integrated into the software. The module computes the ionospheric-free linear combination, which mitigates the ionospheric error, therefore improving the positioning accuracy. Clock analysis by multi-constellation multi-frequency observations. This part is focused on the analysis of receiver clock errors in multi-GNSS constellations, the studied constellations are GPS and Galileo. Using the available software for GNSS point positioning by code observations, receiver positions and clock errors were estimated throughout a whole month from the raw data collected by Milan’s PS (MIL2). The clock errors from both single and dual-frequency observations were analyzed in order to fix the inter-constellation clock bias, the obtained results were considered satisfactory and in line with the general GNSS point positioning error.

L'accurata determinazione delle posizioni sia per le persone che per gli oggetti è essenziale, infatti, senza l'utilizzo dei servizi di posizionamento, il mondo moderno sarebbe difficile da immaginare. I servizi di posizionamento sono forniti dal sistema globale di navigazione satellitare (GNSS), GNSS satelliti trasmettono segnali che consentono al ricevitore di definire la sua posizione ovunque nel mondo con una precisione di pochi metri in meno di un minuto. I segnali GNSS trasmessi passano attraverso la ionosfera, causando un ritardo il segnale che influisce sulla precisione del posizionamento. Uno dei più grandi errori nel GNSS il posizionamento può essere attribuito al bias ionosferico. Poiché questo pregiudizio dipende dal densità elettronica nella ionosfera, che varia durante il giorno e con quella del satellite elevazione, è difficile modellarlo accuratamente nel posizionamento del punto a frequenza singola. Tuttavia, combinando linearmente due segnali GNSS, è possibile mitigare la ionosfera bias, che è praticamente interamente dipendente dalla frequenza del segnale trasmesso. Le posizioni del ricevitore sono stimate da tutti i satelliti in vista, in punti multi-GNSS il posizionamento del ricevitore richiede almeno cinque satelliti visibili per stimare con precisione il posizione del ricevitore oltre a due offset di clock del ricevitore. In condizioni normali, le costellazioni GNSS sono in grado di fornire sempre più di cinque satelliti, ma in ambito urbano aree la visibilità satellitare potrebbe essere gravemente compromessa a causa di fattori topografici. Per conto per questa possibilità è necessario stabilire una connessione tra i vari GNSS errori di clock delle costellazioni definendo un offset costante tra di loro, vale a dire il bias di clock intercostellazione. Fissando il bias, il numero di incognite nel punto multi-GNSS il posizionamento è sempre fissato a quattro, con uno solo per l'errore di clock del ricevitore. Questo lavoro si propone di affrontare i problemi del bias ionosferico e dell'inter-costellazione clock bias, può essere suddiviso in due parti: Implementazione di un software per il calcolo della combinazione lineare ionosferica libera. Il software esistente conteneva Python librerie per il posizionamento di punti a singola frequenza, al fine di ottenere maggiore precisione nelle posizioni stimate del ricevitore, un modulo Python per l'elaborazione di osservazioni multifrequenza è stato sviluppato e integrato nel software. Il modulo calcola la combinazione lineare ionosferica, che mitiga l'errore ionosferico, migliorando quindi la precisione di posizionamento. Analisi dell'orologio mediante osservazioni multifrequenza multi-costellazione. Questa parte è incentrata sull'analisi degli errori di clock del ricevitore in costellazioni multi-GNSS, le costellazioni studiate sono GPS e Galileo. Utilizzando il software disponibile per GNSS sono stati stimati il ​​posizionamento dei punti in base alle osservazioni del codice, le posizioni del ricevitore e gli errori di clock per un intero mese dai dati grezzi raccolti dalla PS di Milano (MIL2). L'orologio sono stati analizzati gli errori delle osservazioni sia a singola che a doppia frequenza al fine di correggerli bias di clock inter-costellazione, i risultati ottenuti sono stati considerati soddisfacenti e in linea con l'errore generale di posizionamento del punto GNSS.