Dans le domaine de l’Aviation Civile, les motivations de recherches sont souvent guidées par la volonté d’améliorer la capacité de l’espace aérien grâce à la modernisation des moyens de navigation aérienne existants et aux nouvelles infrastructures. Ces buts peuvent être atteints en développant les services qui permettent des opérations d’approche et d’atterrissage plus robustes et plus fiables. La navigation par satellite, grâce au Global Navigation Satellite System (GNSS), a été reconnue comme un moyen performant de fournir des services de navigation aérienne [1] [2]. Le concept du GNSS requiert l’utilisation de moyen d’augmentations pour fournir une fonction de contrôle d’intégrité au vu des exigences [1] relatives aux applications critiques de type aviation civile. Un de ces moyen est le GBAS (Ground Based Augmentation System) et est standardisé par l’OACI pour fournir un service de navigation incluant les approches de précision allant jusqu’à la catégorie I incluse, en utilisant les constellations GPS ou GLONASS [3]. Des études sont en cours pour permettre d’étendre ce service jusqu’à la catégorie II/III avec le GPS L1 C/A, cependant des contraintes sont apparues lors de la surveillance de la ionosphère. Grâce à la modernisation du GPS et GLONASS et aux futures constellations Galileo et Beidou, les futurs GNSS utilisant de multiples constellations et de multiples fréquences (MC/MF) sont étudiés. Les activités de recherches européennes se sont appuyées sur la constellation GPS et sur la future constellation Galileo. Ce MC/MF GBAS devrait permettre de nombreuses améliorations comme un meilleur modèle des retards atmosphériques. Cependant, des challenges doivent être résolus avant d’atteindre les bénéfices potentiels. Dans ce travail de thèse, 2 principaux sujets en rapport avec le GBAS ont été traités, la transmission des données de corrections avec le MC/MF GBAS et l’impact des biais troposphériques avec le SC/SF et MC/MF GBAS. Dû aux contraintes portant sur le format des messages transmis à l’utilisateur via l’unité VDB [4], une nouvelle approche est nécessaire pour permettre l’élaboration du MC/MF GBAS. Une des solutions proposée dans cette thèse est de transmettre les corrections et les données d’intégrité à l’utilisateur dans des messages séparés à des fréquences différentes. De plus, ce travail de thèse remet en question la modélisation de l’atmosphère et particulièrement celle de la troposphère dans des conditions nominales que non-nominales en se concentrant d’abord sur le calcul du pire gradient troposphérique avant de développer les précédents travaux pour borner cette menace dans le but de protéger l’utilisateur. En vue du futur MC/MF GBAS, une nouvelle approche s’est avérée nécessaire. Ainsi, dans ce projet de thèse, des modèles météorologiques numériques (NWMs) sont utilisés pour estimer intégralement la composante horizontale du pire gradient troposphérique. Une méthode innovante pour rechercher les pires gradients troposphériques horizontaux est utilisée pour déterminer les biais qu’ils induisent impactant les avions visant une approche de Cat II/III avec le GBAS. Un modèle de ces pires biais de mesures troposphériques différentiels horizontaux dépendant de l’élévation des satellites pour 2 régions européennes est alors développé. La composante verticale est aussi modélisée grâce à une étude statistique qui compare les données réelles au modèle standard. Un modèle du biais différentiel total non corrigé est développé et doit être introduit dans le calcul des niveaux de protections sous des conditions nominales. Pour borner l’impact de la troposphère sur l’erreur de position tout en se focalisant sur le souhait d’avoir un nombre de données transmises à l’utilisateur faible, différentes solutions conservatives ont été développées où au minimum 3 paramètres, définis selon leur région géographique d’utilisation, doivent être transmis à l’utilisateur. / In the Civil Aviation domain, research activities aim to improve airspace capacity and efficiency whilst meeting stringent safety targets. These goals are met by improving performance of existing services whilst also expanding the services provided through the development of new Navigation Aids. One such developmental axe is the provision of safer, more reliable approach and landing operations in all weather conditions. The Global Navigation Satellite System (GNSS) has been identified as a key technology in providing navigation services to civil aviation users [1] [2] thanks to its global coverage and accuracy. The GNSS concept includes the provision of an integrity monitoring function by an augmentation system to the core constellations. This is needed to meet the required performances which cannot be met by the stand-alone constellations. One of the three augmentation systems developed within civil aviation is the GBAS (Ground Based Augmentation System) and is currently standardized by the ICAO to provide precision approach navigation services down to Cat I using the GPS or GLONASS constellations [3]. Studies on-going with the objective to extend the GBAS concept to support Cat II/III precision approach operations with GPS L1 C/A, however some difficulties have arisen regarding ionospheric monitoring. With the deployment of Galileo and Beidou alongside the modernization of GPS and GLONASS, it is envisaged that the GNSS future will be multi-constellation (MC) and multi-frequency (MF). European research activities have focused on the use of GPS and Galileo. The MC/MF GBAS concept should lead to many improvements such as a better modelling of atmospheric effects but several challenges must be resolved before the potential benefits may be realized. Indeed, this PhD has addressed two key topics relating to GBAS, the provision of corrections data within the MC/MF GBAS concept and the impact of tropospheric biases on both the SC/SF and MC/MF GBAS concepts. Due to the tight constraints on GBAS ground to air communications link, the VDB unit, a novel approach is needed. One of the proposals discussed in the PhD project for an updated GBAS VDB message structure is to separate message types for corrections with different transmission rates. Then, this PhD argues that atmospheric modelling with regards to the troposphere has been neglected in light of the ionospheric monitoring difficulties and must be revisited for both nominal and anomalous scenarios. The thesis focuses on how to compute the worst case differential tropospheric delay offline in order to characterize the threat model before extending previous work on bounding this threat in order to protect the airborne GBAS user. In the scope of MC/MF GBAS development, an alternative approach was needed. Therefore, in this PhD project, Numerical Weather Models (NWMs) are used to assess fully the worst case horizontal component of the troposphere. An innovative worst case horizontal tropospheric gradient search methodology is used to determine the induced ranging biases impacting aircraft performing Cat II/III precision approaches with GBAS. This provides as an output a worst case bias as a function of elevation for two European regions.The vertical component is also modelled by statistical analysis by comparing the truth data to the GBAS standardized model for vertical tropospheric correction up to the height of the aircraft. A model of the total uncorrected differential bias is generated which must be incorporated within the nominal GBAS protection levels. In order to bound the impact of the troposphere on the positioning error and by maintaining the goal of low data transmission, different solutions have been developed which remain conservative by assuming that ranging biases conspire in the worst possible way. Through these techniques, it has been shown that a minimum of 3 parameters may be used to characterize a region’s model.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2016INPT0049 |
| Date | 01 July 2016 |
| Creators | Guilbert, Alize |
| Contributors | Toulouse, INPT, Macabiau, Christophe, Milner, Carl |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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