Augmentation Techniques for Satellite-Based Maritime Navigation in the Baltic Sea

Abstract

Maritime navigation in the Baltic Sea is challenging, even for the experienced navigator. Anomalies in the sea level caused by postglacial land uplift and the irregular motion of the Earth’s rotation around its own axis are only part of the many challenges faced by the navigator. Low elevation angles and visibility of Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites are other challenges at northern latitudes. Techniques to overcome these challenges are possible through different satellite-based augmentation techniques. The Differential Global Positioning System (DGPS) provided by the Finnish Transport Infrastructure Agency (formerly Liikennevirasto, LiVi) and the Satellite-Based Augmentation System (SBAS) offered by the European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) Data Access Service (EDAS) are evaluated in this thesis. GNSS data is analysed from two days of the FAMOS project’s week-long test campaign in the Baltic Sea on the research vessel Aranda.

Results show that the availability and accuracy of EGNOS corrections decrease on day 2 when the vessel is in the north Baltic Sea regions close to the edge of the EGNOS coverage area. EGNOS performs significantly better on day 5 when the vessel is travelling at more southern latitudes. On this day, EGNOS offers the largest improvement to GPS compared to LiVi DGPS. LiVi corrections show almost the same level of performance on both days of the test campaign, because of the densely located DGPS stations by the Finnish coastline. On day 5 the Åland islands are located between the vessel and the nearest LiVi DGPS station, causing the horizontal accuracy to slightly decrease compared to day 2. An alternative Differential GNSS (DGNSS) augmentation technique is presented in this thesis called the State Space Representation (SSR) correction model from the Finnish Permanent GNSS Network FinnRef. This technique provides an accurate and reliable augmentation of GPS reaching closely to the performance level of LiVi on day 2.

This thesis presents a performance analysis of satellite-based augmentation techniques in a real-life situation for a vessel travelling in the Baltic Sea. The analysis confirms that maritime navigation at northern latitudes becomes more reliable, accurate and precise when EGNOS, LiVi or SSR corrections are applied by the navigator.

Sjöfartsnavigering i Östersjön kan vara en krävande uppgift, även för en erfaren navigatör. Utmaningarna i Östersjön är bland annat höjdskillnader i havsnivån på grund av postglacial landhöjning och jordens oregelbundna rotation kring sin egen axel. Satellitnavigering på norra breddgrader är också utmanande på grund av (GNSS) Global Navigation Satellite System-satelliternas låga höjdvinklar och låga synlighet. Olika tekniker för att övervinna dessa utmaningar är olika hjälpsystem som förbättrar (GPS) Global Positioning System-signalen. (DGPS) Differential Global Positioning System-servicen från Trafikledsverket i Finland (tidigare Liikennevirasto, LiVi) och (SBAS) Satellite-Based Augmentation System-servicen som European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) Data Access Service (EDAS) erbjuder, analyseras i den här avhandlingen. Utvärderingen består av GNSS-data som samlades under två dagar från FAMOS-projektets veckolånga test i Östersjön på forskningsfartyget Aranda.

Forskningsresultatet visar att tillgängligheten och noggrannheten av EGNOS minskar under den andra testdagen då Aranda befinner sig på norra breddgrader nära gränserna för EGNOS täckningsområde. EGNOS förbättrar GPS märkbart på den femte testdagen då Aranda befinner sig på mer sydliga breddgrader. På den femte testdagen förbättrar EGNOS GPS-signalen allra mest jämfört med LiVi-resultatet. LiVi erbjuder liknande noggrannhet och tillgänglighet under de två testdagarna, på grund av de tätt belägna DGPS-stationerna vid den finska kusten. På den femte testdagen är Åland beläget mellan Aranda-fartyget och den närmaste LiVi DGPS-stationen, vilket orsakar att noggrannheten i den vågräta riktningen minskar i jämförelse med den andra testdagen. En alternativ Differential GNSS (DGNSS) förbättringsteknik för GPS presenteras i den här avhandlingen, nämligen (SSR) State Space Representation-korrigeringsmodellen från Finlands permanenta GNSS-nätverk FinnRef. SSR erbjuder en noggrann och tillförlitlig förbättring för GPS-signalen och presterade nästan lika väl som LiVi-hjälpsystemet på den andra testdagen.

Den här avhandlingen presenterar en noggrannhetsanalys av olika hjälpsystem för satellitnavigering i en verklig situation för ett fartyg som färdas på Östersjön. Analysen bekräftar att sjöfartsnavigering på norra breddgrader är mer tillförlitlig, noggrann och exakt när navigatören använder sig av EGNOS-, LiVi- eller SSR-hjälpsystem.