Nyt projekt for at øge nøjagtigheden til positionering af satellitnavigationer overalt i verden

Et projekt, der udnytter Global Navigation Satellite Systems (GNSS) til at etablere planen for verdens mest nøjagtige realtidspositioneringstjeneste, skal køre på University of Nottingham.

Servicen, skal udvikles på prototypeniveau, vil gavne sikkerhedskritiske industrier som luftfart og maritim navigation, såvel som applikationer med høj nøjagtighed, f.eks. offshore boring og produktionsoperationer, uddybning, konstruktion, landbrug og førerløse biler og droner, bare for at nævne nogle få.

Det EU-finansierede TREASURE-projekt, vil integrere signaler fra satellitnavigationssystemer såsom GPS, lanceret af USA, sammen med Ruslands GLONASS, Kinas BeiDou og Europas nye Galileo -system.

At kombinere disse forskellige satellitsystemer til at fungere sammen er en ny udvikling kendt som multi-GNSS, hvilket er nøglen til at give øjeblikkelig, høj nøjagtig positionering overalt i verden.

Det fireårige projekt vil fokusere på en service, der vil tage den nuværende brug af GNSS - normalt baseret på kun et eller to systemer - til det næste niveau, at give en nøjagtighed på nogle få centimeter i realtid, åbner op for en lang række nye muligheder.

Atmosfærisk forstyrrelse

Et af de centrale aspekter af forskningen er at afbøde virkningerne af atmosfæren, især relateret til rumvejr, hvilket ofte kan skabe forringende forhold, der i høj grad reducerer satellitkommunikation og positioneringsnøjagtighed.

Styret af solens vekselvirkning med Jordens magnetfelt, ionosfæren (det øverste lag i Jordens atmosfære) er karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​frie elektroner, som forstyrrer en satellitsignal, der passerer gennem den.

Hovedsagelig, men ikke kun når solaktiviteten er høj, der kan dannes uregelmæssigheder i elektrontætheden i ionosfæren, som kan forårsage signaldiffraktion og føre til scintillation – en spredning af satellitsignalet, der gør det svært for en GNSS-modtager at låse sig fast på satellitten og beregne dens position.

Dette har en særlig forstyrrende effekt på positioneringsteknologi, især på store breddegrader eller ækvatoriale områder, som i Nordeuropa eller i Brasilien, henholdsvis.

Tilsvarende troposfæren, et lavere lag af atmosfæren, forstyrrer også signalerne. Tilstedeværelsen af ​​vanddamp i denne neutrale del af atmosfæren kan skabe en yderligere forstyrrende effekt på satellitsignalerne, påvirker dermed også GNSS -nøjagtigheden.

Rettelse af alle mellemliggende fejl

Projektet har til formål at udvikle nye fejlmodeller, positioneringsalgoritmer og dataassimileringsteknikker til at overvåge, forudsige og korrigere ikke kun virkningerne af atmosfæren, men også signalnedbrydning på grund af menneskeskabte interferenskilder, hvilket også kan begrænse positioneringsnøjagtigheden.

Signalbehandlingsteknikker - skræddersyet til funktionerne i de forstyrrende signaler - vil blive brugt til at forbedre kvaliteten af ​​målingerne og i sidste ende til at generere pålidelige positionsløsninger.

I øvrigt, SKATTEFORSKERE vil også udvikle nye multi-GNSS real-time præcise kredsløbs- og urprodukter, specielt til brug med det nye Galileo-system.

Bredt branchepotentiale for præcis multi-GNSS service

Alle disse problemer udgør betydelige risici for de mange offentlige og industrielle sektorer, der nu er afhængige af GNSS eller har til formål at bruge det til at overvinde voksende humanitære udfordringer såsom mad eller energiproduktion.

Projektleder, Dr. Marcio Aquino, fra Nottingham Geospatial Institute sagde:"En meget nøjagtig multi-GNSS-tjeneste kunne, for eksempel, hjælpe krævende terrestriske applikationer som præcisionslandbrug, at give landmænd adgang til præcist lokaliseret dataindsamling og analyse i realtid for at maksimere fødevareproduktionen, reducere omkostningerne og minimere brugen af ​​pesticider."

"På den anden side af spektret, en dybhavsboreplatform, der oplever enhver midlertidig forringelse af positioneringsnøjagtigheden, kan føre til fænomenale tab lige på et tidspunkt, hvor, på grund af det nuværende olieproduktionsklima, virksomheder stræber efter at øge driftseffektiviteten. Denne industri ville også drage fordel af en så præcis multi-GNSS-service. "

Galileos betydning

I 2020, Galileo, det europæiske GNSS -system (EGNSS) vil være fuldt operationelt og levere positioneringsdata med en hidtil uset nøjagtighed. Galileo vil konkurrere, men afgørende, vil også være interoperabel med GPS, som har været frontløber for alle GNSS-systemer, domineret markedet i over 20 år.

Ifølge Dr Aquino:"Udviklingen af ​​EGNSS og dets integration med andre satellitsystemer er nøglen til Europas konkurrenceevne på dette marked, derfor EU's interesse i at finansiere dette projekt."

Undersøgelsen vil fokusere på to eksisterende GNSS-teknikker kendt som PPP (Precise Point Positioning) og NRTK (Network Real Time Kinematic). Begge bruger GPS og GLONASS, men kunne potentielt opfylde fremtidige højnøjagtige positioneringskrav i realtid, når Galileo er fuldt integreret, og hvis TREASURE lykkes.

Fordele og begrænsninger ved PPP og NRTK

NRTK-teknikken bruger faste referencestationer, der betjener højkvalitets GNSS-modtagere på omhyggeligt overvågede referencesteder for at sikre nøjagtige GNSS-positioneringsdata.

Overførsel af korrektioner fra referencelokationer til brugere er kernen i NRTK. Teknikkens effektivitet er afhængig af den rumlige korrelation af fejl mellem bruger og reference, som skal være placeret mindre end 20-30 km fra hinanden - en kort nok afstand til at tillade potentielle signalfejl at 'ophæve'.

Hvis atmosfæriske variationer mellem reference og bruger er store, et større antal referencestationer kan være nødvendige, gør teknikken mindre omkostningseffektiv.

I modsætning til NRTK, PPP er ikke afhængig af fejl, der 'annullerer' mellem brugeren og en kendt referencestation. Brugeren betjener sin modtager uafhængigt af eksistensen af ​​nærliggende stationer med kendte koordinater.

Dette opnås ved at indarbejde ekstern information i løsningen, i form af yderst præcise satelliture og kredsløbsprodukter afledt af globale netværk og fås enten gratis eller kommercielt.

Imidlertid, den nøjagtige forudsigelse af atmosfærens tilstand, også afgørende for OPP, er normalt ikke tilgængelig fra disse globale netværk - at overvinde denne situation er et af hovedmålene med TREASURE.

At skabe en kritisk masse og teste markedspotentialet

SKAT, finansieret af EU's rammeprogram for forskning og innovation Horisont 2020, samler fire topuniversiteter, et forskningsinstitut og fire førende europæiske virksomheder til at levere den forskning, der vil resultere i den ultimative højnøjagtige EGNSS-løsning.

Projektteamet vil træne og arbejde sammen med 13 Marie Skłodowska-Curie Fellows, der vil blive øremærket som højtflyvende kandidater til fremtidig beskæftigelse i den spirende GNSS-industri eller som specialistforskere.

Fellows vil bygge et prototypeværktøj til at understøtte de forskellige PPP- og NRTK-behov og teste, hvilken kommerciel interesse der er for at bringe den fremtidige service på markedet.