Traitement et surveillance du GBAS bi-constellation bi-fréquence pour operations d'approche CAT II/III

Dans le domaine de l'aviation civile, afin de répondre à la demande croissante du trafic, les activités de recherche sont guidées par la volonté d’améliorer la capacité de l'espace aérien. Des recherches sont en cours dans tous les domaines de l'aviation civile: Communication, Navigation, Surveillance (CNS) et de gestion du trafic aérien (Air Traffic Management, ATM). En ce que concerne la navigation, les objectifs devraient être atteints par l'amélioration des performances des services existants grâce au développement des nouvelles aides à la navigation et la définition de nouvelles procédures basées sur ces nouveaux systèmes. La navigation par satellite, grâce au concept de Global Navigation Satellite System (GNSS), est reconnue comme une technologie clé pour fournir des services de navigation précis avec une couverture mondiale. Le concept GNSS a été défini par l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI). Son importance dans l'aviation civile peut être observée dans l'avionique de nouveaux avions puisque la majorité d'entre eux sont maintenant équipés de récepteurs GNSS. Le GNSS comprend une fonction de surveillance de l'intégrité fournie par un système d’augmentation en plus de la constellation de base. Ceci est nécessaire pour répondre à toutes les exigences concernant la précision, l'intégrité, la continuité et la disponibilité qui ne peuvent pas être fournis par les constellations autonomes comme le GPS ou Glonass. Trois systèmes d’augmentation ont été développés au sein de l'aviation civile: le GBAS (Ground Based Augmentation System), le SBAS (Satellite Based Augmentation System) et l’ABAS (Aircraft Based Augmentation System). Le système GBAS, en particulier, est actuellement standardisé pour fournir des services de navigation, comme l'approche de précision, jusqu’à la Catégorie I (CAT I) en utilisant les constellations GPS ou Glonass et des signaux dans la bande L1. Ce service est connu sous le nom de GBAS Approach Service Type-C (GAST-C). Afin d'étendre ce concept jusqu'à des approche de précision CAT II/II, les activités de recherche sont en cours pour définir le nouveau service appelé GAST-D. Parmi tous les défis, la surveillance de la menace ionosphérique est le secteur où le niveau d'intégrité est insuffisant. Grâce au développement des nouvelles constellations, Galileo et Beidou, et grâce au processus de modernisation des autres constellations existantes, GPS et Glonass, l'avenir du GNSS sera Multi-Constellation (MC) et Multi-Fréquence (MF). En Europe, les activités de recherche se sont concentrées sur un système GNSS Bi-Constellation (Dual-Constellation, DC) basé sur GPS et Galileo. Afin de surmonter les problèmes rencontrés par en fonctionnement Mono-Fréquence (Single-Frequency, SF) en présence d’anomalies ionosphériques, l'utilisation de deux fréquences (Dual-Frequency, DF) a été sélectionnée comme un moyen d'améliorer la détection des anomalies ionosphériques et d'atténuer les erreurs résiduelles ionosphériques. Les avantages d'un système DC/DF GBAS (GAST-F) sont : •la robustesse de l'ensemble du système contre toute interférence involontaire grâce à l'utilisation de mesures effectuées dans deux bandes de fréquences protégées, •la robustesse contre une panne d’une des deux constellations,•l'amélioration de la précision à l'aide de nouveaux signaux avec des performances améliorées, et plusieurs satellites. Cependant, l'utilisation de nouveaux signaux et d’une nouvelle constellation, n’apporte pas que des avantages. Elle soulève également une série de défis qui doivent être résolus de profiter pleinement de ce nouveau concept. Dans cette thèse, certains défis, liés à un système DC/DF GBAS ont été étudiés. Un d’entre eux, causé par l'utilisation de nouveaux signaux GNSS, est de déterminer l'impact des sources d'erreur qui sont décorrélées entre la station au sol et l'avion et qui induisent une erreur sur la position estimée. De plus, avec l’utilisation de deux fréquences, il y a la posIn Civil Aviation domain, to cope with the increasing traffic demand, research activities are pointed toward the optimization of the airspace capacity. Researches are thus ongoing on all Civil Aviation areas: Communication, Navigation, Surveillance (CNS) and Air Traffic Management (ATM). Focusing on the navigation aspect, the goals are expected to be met by improving performances of the existing services through the developments of new NAVigation AIDS (NAVAIDS) and the definition of new procedures based on these new systems. The Global Navigation Satellite System (GNSS) is recognized as a key technology in providing accurate navigation services with a worldwide coverage. The GNSS concept was defined by the International Civil Aviation Organization (ICAO). A symbol of its importance, in civil aviation, can be observed in the avionics of new civil aviation aircraft since a majority of them are now equipped with GNSS receivers. The GNSS concept includes the provision of an integrity monitoring function by an augmentation system in addition to the core constellations. This is needed to meet all the required performance metrics of accuracy, integrity, continuity and availability which cannot be met by the stand-alone constellations such as GPS. Three augmentation systems have been developed within civil aviation: the GBAS (Ground Based Augmentation System), the SBAS (Satellite Based Augmentation System) and the ABAS (Aircraft Based Augmentation System). GBAS, in particular, is currently standardized to provide precision approach navigation services down to Category I (CAT I) using GPS or Glonass constellations and L1 band signals. This service is known as GBAS Approach Service Type-C (GAST-C). In order to extend this concept down to CAT II/III service, research activities is ongoing to define the new service called a GAST-D. Among other challenges, the monitoring of the ionospheric threat is the area where the integrity requirement is not met. Thanks to the deployment of new constellations, Galileo and Beidou, and the modernization process of the existing ones, GPS and Glonass, the future of GNSS is envisaged to be Multi-Constellation (MC) and Multi-frequency (MF). In Europe, research activities have been focused on a Dual-Constellation (DC) GNSS and DC GBAS services based on GPS and Galileo constellations. Moreover, to overcome the problems experienced by Single-Frequency (SF) GBAS due to ionosphere anomalies, the use of two frequencies (Dual Frequency, DF) has been selected as a mean to improve ionosphere anomalies detection and to mitigate ionosphere residual errors. Advantages in using a DC/DF GBAS (GAST-F) system are, however, not only related to the integrity monitoring performance improvement. Benefits, brought by DC and DF, are also related to •the robustness of the entire system against unintentional interference thanks to the use of measurements in two protected frequency bands, •the robustness against a constellation failure, •the accuracy improvement by using new signals with improved performance, and more satellites. However, the use of new signals and a new constellation, does not bring only benefits. It also raises a series of challenges that have to be solved to fully benefit from the new concept. In this thesis, some challenges, related to DC/DF GBAS, have been investigated. One of them, rising from the use of new GNSS signals, is to determine the impact of error sources that are uncorrelated between the ground station and the aircraft and that induce an error on the estimated position. Using two frequencies, there is the possibility to form measurement combinations like Divergence-free (D-free) and Ionosphere-free (I-free) for which the errors impact has to be analyzed. In this thesis, the impact of the uncorrelated errors (noise and multipath as main sources) on ground measurements is analyzed. The aim is to compare the derived performances with the curve proposed in (RTCA,Inc DO-253C, 2008) for th