Global Navigation Satellite System (GNSS) satellite and pseudolite signal visibility simulation in obstructed environments

Abstract

Navigation with Global Navigation Satellite Systems (GNSS) works well in environments with clear sky, but navigation accuracy and availability is easily degraded when parts of the sky are blocked by terrain or solid structures. However, these kinds of obstructed environments sometimes require accurate navigation service to ensure safety and efficiency of operations, for example in an open-pit mine or a harbour. In these cases, land-based GNSS transmitters called pseudolites can provide additional navigation signals that can ensure the availability of navigation signals and enhance the accuracy back to good levels. Because of the many obstructions to signal propagation, there is a need for careful planning of the pseudolite locations. This research provides a useful tool for this purpose.

The main task of this research is the development of new methodology and software for simulating the signal visibility of GNSS satellites and pseudolites, and for visualizing the expected positioning accuracy for a set of visible satellite and pseudolite signals. Techniques for simulating the direct signal propagation in complex three-dimensional environments are presented. The theory of GNSS navigation in general and the dilution of precision (DOP) values are explained and used as a basis for the definition for a good positioning accuracy.

The result of this research is working software that simulates the signal visibilities and the quality of expected positioning accuracy in any environment, with and without pseudolites. Its performance is displayed with two test cases of environments where a pseudolite augmentation system would be feasible: a deep open-pit mine and a harbour pier with tall harbour cranes.

Navigointi ja paikannus Global Navigation Satellite System (GNSS) -järjestelmien avulla toimii hyvin ympäristöissä joissa taivaalle on hyvä näkyvyys, mutta navigoinnin toimivuus ja tarkkuus heikkenee jos ympärillä oleva maasto tai rakennukset peittävät osan taivaasta. Joskus tällaisissa peitteisissä ympäristöissä kuitenkin tarvitaan tarkkaa paikannusta työturvallisuuden ja sujuvuuden varmistamiseksi, kuten esimerkiksi avolouhoksissa ja satamissa. Silloin navigoinnin toimivuutta ja tarkkuutta voidaan parantaa asentamalla alueelle maalle sijoitettuja GNSS-signaalin lähettimiä, joita kutsutaan pseudoliiteiksi. Koska peitteisillä alueilla on paljon esteitä navigointisignaalien etenemiselle, pseudoliittien sijainnit täytyy suunnitella tarkasti. Tämä tutkimus tarjoaa työkalun juuri tähän tarkoitukseen.

Tutkimuksen tavoite on kehittää uusi menetelmä ja ohjelmisto, jolla voidaan simuloida GNSS-satelliittien ja pseudoliittien signaalien kuuluvuutta ja visualisoida odotettavissa olevaa paikannustarkkuutta kulloinkin käytettävissä olevista satelliitti- ja pseudoliittisignaaleista. Tutkimuksessa esitetään tekniikoita joilla mallinnetaan signaalin etenemistä monimutkaisessa kolmiulotteisessa ympäristössä. Lisäksi GNSS-paikannuksen ja dilution of precision (DOP) -arvojen teoriaa tarkastellaan ja käytetään perustelemaan määritelmä hyvälle paikannustarkkuudelle.

Tutkimuksen tuloksena on toimiva ohjelmisto, joka simuloi signaalien kuuluvuutta ja paikannustarkkuuden laatua missä tahansa ympäristössä pseudoliittien kanssa tai ilman. Ohjelmiston toimivuus esitetään ajamalla se kahdelle kohteelle, joissa pseudoliittijärjestelmä olisi toteuttamiskelpoinen: syvä avolouhos ja satamalaituri jossa on korkeita nostureita.