Low-cost GPS/GLONASS Precise Positioning Algorithm in Constrained Environment

Le GNSS (Global Navigation Satellite System), et en particulier sa composante actuelle le systeme americain GPS et le systeme russe GLONASS, sont aujourd'hui utilises pour des applications geodesiques afin d'obtenir un positionnement precis, de l'ordre du centimetre. Cela necessite un certain nombre de traitements complexes, des equipements couteux et eventuellement des complements au sol des systemes GPS et GLONASS. Ces applications sont aujourd'hui principalement realisees en environnement « ouvert » et ne peuvent fonctionner en environnement plus contraint. L'augmentation croissante de l'utilisation du GNSS dans des domaines varies va voir emerger de nombreuses applications ou le positionnement precis sera requis (par exemple des applications de transport/guidage automatique ou d'aide a la conduite necessitant des performances importantes en terme de precision mais aussi en terme de confiance dans la position –l'integrite- et de robustesse et disponibilite). D'autre part, l'arrivee sur le marche de recepteurs bas-couts (inferieur a 100 euros) capables de poursuivre les signaux provenant de plusieurs constellations et d'en delivrer les mesures brutes laisse entrevoir des avancees importantes en termes de performance et de democratisation de ces techniques de positionnement precis. Dans le cadre d'un utilisateur routier, l'un des enjeux du positionnement precis pour les annees a venir est ainsi d'assurer sa disponibilite en tout terrain, c'est-a-dire dans le plus grand nombre d'environnements possibles, dont les environnements degrades (vegetation dense, environnement urbain, etc.) Dans ce contexte, l'objectif de la these a ete d'elaborer et d'optimiser des algorithmes de positionnement precis (typiquement bases sur la poursuite de la phase de porteuse des signaux GNSS) afin de prendre en compte les contraintes liees a l'utilisation d'un recepteur bas cout et a l'environnement. En particulier, un logiciel de positionnement precis (RTK) capable de resoudre les ambiguites des mesures de phase GPS et GLONASS a ete developpe. La structure particuliere des signaux GLONASS (FDMA) requiert notamment un traitement specifiques des mesures de phase decrit dans la these afin de pouvoir isoler les ambiguites de phase en tant qu'entiers. Ce traitement est complique par l'utilisation de mesures provenant d'un recepteur bas cout dont les canaux GLONASS ne sont pas calibres. L'utilisation d'une methode de calibration des mesures de code et de phase decrite dans la these permet de reduire les biais affectant les differentes mesures GLONASS. Il est ainsi demontre que la resolution entiere des ambiguites de phase GLONASS est possible avec un recepteur bas cout apres calibration de celui-ci. La faible qualite des mesures, du fait de l'utilisation d'un recepteur bas cout en milieu degrade est prise en compte dans le logiciel de positionnement precis en adoptant une ponderation des mesures specifique et des parametres de validation de l'ambiguite dependant de l'environnement. Enfin, une methode de resolution des sauts de cycle innovante est presentee dans la these, afin d'ameliorer la continuite de l'estimation des ambiguites de phase. Les resultats de 2 campagnes de mesures effectuees sur le peripherique Toulousain et dans le centre-ville de Toulouse ont montre une precision de 1.5m 68% du temps et de 3.5m 95% du temps dans un environnement de type urbain. En milieu semi-urbain type peripherique, cette precision atteint 10cm 68% du temps et 75cm 95% du temps. Finalement, cette these demontre la faisabilite d'un systeme de positionnement precis bas-cout pour un utilisateur routier. ABSTRACT : GNSS and particularly GPS and GLONASS systems are currently used in some geodetic applications to obtain a centimeter-level precise position. Such a level of accuracy is obtained by performing complex processing on expensive high-end receivers and antennas, and by using precise corrections. Moreover, these applications are typically performed in clear-sky environments and cannot be applied in constrained environments. The constant improvement in GNSS availability and accuracy should allow the development of various applications in which precise positioning is required, such as automatic people transportation or advanced driver assistance systems. Moreover, the recent release on the market of low-cost receivers capable of delivering raw data from multiple constellations gives a glimpse of the potential improvement and the collapse in prices of precise positioning techniques. However, one of the challenge of road user precise positioning techniques is their availability in all types of environments potentially encountered, notably constrained environments (dense tree canopy, urban environments…). This difficulty is amplified by the use of low-cost receivers and antennas, which potentially deliver lower quality measurements. In this context the goal of this PhD study was to develop a precise positioning algorithm based on code, Doppler and carrier phase measurements from a low-cost receiver, potentially in a constrained environment. In particular, a precise positioning software based on RTK algorithm is described in this PhD study. It is demonstrated that GPS and GLONASS measurements from a low-cost receivers can be used to estimate carrier phase ambiguities as integers. The lower quality of measurements is handled by appropriately weighting and masking measurements, as well as performing an efficient outlier exclusion technique. Finally, an innovative cycle slip resolution technique is proposed. Two measurements campaigns were performed to assess the performance of the proposed algorithm. A horizontal position error 95th percentile of less than 70 centimeters is reached in a beltway environment in both campaigns, whereas a 95th percentile of less than 3.5 meters is reached in urban environment. Therefore, this study demonstrates the possibility of precisely estimating the position of a road user using low-cost hardware.