Integration of Galileo High Accuracy Service within ARAIM for enhanced navigation performance

Currently, Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring (ARAIM) only plans to support air navigation up to LPV-200, mainly due to limitations imposed by the signal-in-space (SIS) errors. This work proposes a novel approach where the Galileo High Accuracy Service (HAS) is integrated within ARAIM, analyzing the potential benefits of using a more precise continuity Signal-In-Space error model. First, a sensitivity analysis is performed on ARAIM world-wide availability with respect to the main Integrity Support Message (ISM) parameters and HAS corrections accuracy. Secondly, using precise products from the International GNSS Service (IGS) as a reference, orbit and clock errors of broadcast and HAS-corrected ephemeris are characterized for GPS and Galileo constellations, obtaining an independent analysis of the expected performance for HAS in terms of ranging errors. From this analysis, a continuity model is derived. Finally, the proposed algorithm is tested with observation data from an experimental flight campaign, using ionospheric-free dual-frequency dual-constellation observations. The positioning error is analyzed as well as the key performance indicators of ARAIM, such as protection levels improvements. Results suggest that a reduction of vertical and horizontal protection levels between 5 and 10 % can be expected. Additionally, a reduction of unavailability for LPV-200 navigation requirements of more than 50 % was found for the validation dataset. This indicates that the integration of Galileo HAS with ARAIM could be able to deliver an enhancement of performance for operations with strict requirements such as urban air mobility or civil aviation.

Attualmente, l'Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring (ARAIM) prevede di supportare la navigazione aerea solo fino a LPV-200, principalmente a causa delle limitazioni imposte per gli errori Signal-In-Space (SIS). Questo lavoro propone un approccio innovativo che prevede l'integrazione del servizio di alta precisione (HAS) di Galileo in ARAIM, al fine di analizzare i potenziali benefici derivanti dall'utilizzo di un modello di continuità degli errori Signal-In-Space di maggiore precisione. In primo luogo, viene eseguita un'analisi di sensibilità sulla disponibilità mondiale di ARAIM rispetto ai principali parametri dell'Integrity Support Message (ISM) e all'accuratezza delle correzioni HAS. In seguito, utilizzando come riferimento i prodotti precisi dell'International GNSS Service (IGS), sono stati caratterizzati gli errori di orbita e di orologio delle effemeridi trasmesse e corrette dall'HAS per le costellazioni GPS e Galileo, al fine di ottenere un'analisi indipendente delle prestazioni previste per l'HAS in termini di errori di ranging. A partire da tale analisi è stato ricavato un modello di continuità. Infine, l'algoritmo proposto è stato testato con i dati di osservazione di una campagna di volo sperimentale, utilizzando osservazioni Iono-Free a doppia frequenza e doppia costellazione. Vengono analizzati l'errore di posizionamento e gli indicatori di prestazione chiave di ARAIM, come i miglioramenti dei livelli di protezione. I risultati suggeriscono che ci si può aspettare una riduzione dei livelli di protezione verticale e orizzontale compresa tra il 5 e il 10%. Inoltre, per il set di dati di convalida è stata riscontrata una riduzione dell'indisponibilità per i requisiti di navigazione LPV-200 di oltre il 50%. Ciò indica che l'integrazione di Galileo HAS con ARAIM potrebbe migliorare le prestazioni per operazioni con requisiti rigorosi, come la mobilità aerea urbana o l'aviazione civile.