RT Dissertation/Thesis
T1 Robust GNSS Carrier Phase-based Position and Attitude Estimation Theory and Applications
A1 Arias Medina, Daniel
AB Navigation information is an essential element for the functioning of robotic platforms andintelligent transportation systems. Among the existing technologies, Global Navigation SatelliteSystems (GNSS) have established as the cornerstone for outdoor navigation, allowing forall-weather, all-time positioning and timing at a worldwide scale. GNSS is the generic termfor referring to a constellation of satellites which transmit radio signals used primarily forranging information. Therefore, the successful operation and deployment of prospectiveautonomous systems is subject to our capabilities to support GNSS in the provision ofrobust and precise navigational estimates.GNSS signals enable two types of ranging observations: –code pseudorange, which is ameasure of the time difference between the signal’s emission and reception at the satelliteand receiver, respectively, scaled by the speed of light; –carrier phase pseudorange, whichmeasures the beat of the carrier signal and the number of accumulated full carrier cycles.While code pseudoranges provides an unambiguous measure of the distance between satellitesand receiver, with a dm-level precision when disregarding atmospheric delays and clock offsets,carrier phase measurements present a much higher precision, at the cost of being ambiguous byan unknown number of integer cycles, commonly denoted as ambiguities. Thus, the maximumpotential of GNSS, in terms of navigational precision, can be reach by the use of carrier phaseobservations which, in turn, lead to complicated estimation problems.This thesis deals with the estimation theory behind the provision of carrier phase-basedprecise navigation for vehicles traversing scenarios with harsh signal propagation conditions.Contributions to such a broad topic are made in three directions. First, the ultimate positioningperformance is addressed, by proposing lower bounds on the signal processing realized at thereceiver level and for the mixed real- and integer-valued problem related to carrier phase-basedpositioning. Second, multi-antenna configurations are considered for the computation of avehicle’s orientation, introducing a new model for the joint position and attitude estimationproblems and proposing new deterministic and recursive estimators based on Lie Theory.Finally, the framework of robust statistics is explored to propose new solutions to code- andcarrier phase-based navigation, able to deal with outlying impulsive noises.
AB La información de navegación es un elemental fundamental para el funcionamiento de sistemasde transporte inteligentes y plataformas robóticas. Entre las tecnologías existentes, losSistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) se han consolidado como la piedraangular para la navegación en exteriores, dando acceso a localización y sincronización temporala una escala global, irrespectivamente de la condición meteorológica. GNSS es el términogenérico que define una constelación de satélites que transmiten señales de radio, usadasprimordinalmente para proporcionar información de distancia. Por lo tanto, la operatibilidad yfuncionamiento de los futuros sistemas autónomos pende de nuestra capacidad para explotarGNSS y estimar soluciones de navegación robustas y precisas.Las señales GNSS permiten dos tipos de observaciones de alcance: –pseudorangos decódigo, que miden el tiempo transcurrido entre la emisión de las señales en los satélites y suacquisición en la tierra por parte de un receptor; –pseudorangos de fase de portadora, quemiden la fase de la onda sinusoide que portan dichas señales y el número acumulado de cicloscompletos. Los pseudorangos de código proporcionan una medida inequívoca de la distanciaentre los satélites y el receptor, con una precisión de decímetros cuando no se tienen encuenta los retrasos atmosféricos y los desfases del reloj. En contraposición, las observacionesde la portadora son super precisas, alcanzando el milímetro de exactidud, a expensas de serambiguas por un número entero y desconocido de ciclos. Por ende, el alcanzar la máximaprecisión con GNSS queda condicionado al uso de las medidas de fase de la portadora, locual implica unos problemas de estimación de elevada complejidad.Esta tesis versa sobre la teoría de estimación relacionada con la provisión de navegaciónprecisa basada en la fase de la portadora, especialmente para vehículos que transitan escenariosdonde las señales no se propagan fácilmente, como es el caso de las ciudades. Para ello,primero se aborda la máxima efectividad del problema de localización, proponiendo cotasinferiores para el procesamiento de la señal en el receptor y para el problema de estimaciónmixto (es decir, cuando las incógnitas pertenecen al espacio de números reales y enteros). Ensegundo lugar, se consideran las configuraciones multiantena para el cálculo de la orientación de un vehículo, presentando un nuevo modelo para la estimación conjunta de posición yrumbo, y proponiendo estimadores deterministas y recursivos basados en la teoría de Lie. Porúltimo, se explora el marco de la estadística robusta para proporcionar nuevas soluciones denavegación precisa, capaces de hacer frente a los ruidos atípicos.
YR 2022
FD 2022-01
LK https://hdl.handle.net/10016/35375
UL https://hdl.handle.net/10016/35375
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
DS e-Archivo
RD 27 jul. 2024