Integration of gnss and Loran-C



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Paper-ID: VGI 200308

Integration of GNSS and Loran-C

Johannes Vallant

1

, G ¨unther Abwerzger



2

, Bernhard Hofmann-Wellenhof

3

, Klaus Legat



4

1

TeleConsult Austria Bernhard Hofmann-Wellenhof GmbH, Schwarzbauerweg 43,



A-8043 Graz

2

TeleConsult Austria Bernhard Hofmann-Wellenhof GmbH, Schwarzbauerweg 43,



A-8043 Graz

3

Technische Universit ¨at Graz, Abteilung f ¨ur Positionierung und Navigation,



Steyrergasse 30, A-8010 Graz

4

Technische Universit ¨at Graz, Abteilung f ¨ur Positionierung und Navigation,



Steyrergasse 30, A-8010 Graz

VGI – ¨


Osterreichische Zeitschrift f ¨ur Vermessung und Geoinformation

91 (1), S. 54–60

2003


BibTEX:

@ARTICLE


{Vallant_VGI_200308,

Title =


{Integration of GNSS and Loran-C},

Author =


{Vallant, Johannes and Abwerzger, G{\"u}nther and Hofmann-Wellenhof,

Bernhard and Legat, Klaus},

Journal =

{VGI -- {\"O}sterreichische Zeitschrift f{\"u}r Vermessung und

Geoinformation},

Pages =


{54--60},

Number =


{1},

Year =


{2003},

Volume =


{91}

}



Integration  of 

GNSS  and  Loran-C 

Johannes  Vallant,  Günther Abwerzger,  Bernhard Hofmann-Wellenhof and Klaus Legat,  Graz 

Abstract 

For many navigation applications, e.g. in urban or mountainous areas,  insufficient satellite visibility of the Global 

Navigation Satellite System (GNSS) is an issue. This problem can  be reduced by integrating GNSS with  other dis­

similar systems, where the drawbacks of the individual systems compensate each other. 

An  attractive  option  is the terrestrial radio  navigation system  Loran-C.  lntegrating  GNSS  and Loran-C  improves 

the  reliability and  availability of the  positioning  information  significantly. Within the GLORIA (GNSS  and  Loran-C in 

Road and Rail Applications) project, funded by the European Community (EC), the development and evaluation of a 

hybrid navigation receiver is demonstrated  [1 ]. This innovative approach opens the door to new applications and to 

major improvements in existing  application designs for land transport. 

Zusammenfassung 

Viele  Landanwendungen der Navigation, vor allem  im städtischen bebauten Bereich und im alpinen Raum, leiden 

unter der schlechten Satellitensichtbarkeit von  Global Navigation Satellite Systems (GNSS).  Diese Schwierigkeiten 

können durch eine  Integration von  GNSS mit anderen, verschiedenen Systemen kompensiert werden. Die Idee der 

Integration beruht darauf, dass  ein  Sensor die  Nachteile der anderen Sensoren  kompensiert.  Neben der Verwen­

dung  von  autonomen  Navigationstechniken  wie  Koppelnavigation  (dead  reckoning)  oder  lnertialnavigation  sind 

terrestrische Radionavigationssysteme wie z.B.  Loran-C eine gute Ergänzung zu GNSS. Die Integration von GNSS 

und Loran-C erhöht die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Positionslösungen signifikant. 

Dieser Bericht präsentiert die  Entwicklung  und  Evaluierung  einer neuen  hybriden Empfängergeneration im Rah­

men  des  von  der  EU  finanzierten  Projektes  GLORIA (GNSS  and  Loran-C  in  Road  and  Rail  Applications).  Die  In­

novation  beruht  auf einer  Integration  von  Rohdaten.  Dieser  neuartige  Zugang  verbessert  bestehende  Anwen­

dungsmöglichkeiten und öffnet Türen für neue Betätigungsfelder auch außerhalb der Landnavigation. 

1 .  lntroduction 

Envisaged are navigation solutions for land ap­

plication  focused  on  road  and rail transport, but 

not  exclusively  limited  to  these  domains.  In  the 

future,  also  pedestrian  navigation  will  be  fa­

voured by reduced receiver size  and  weight. 

In land navigation, specific situations with var­

ious  environments  are  given:  On  the  one  hand, 

there are urban areas with high buildings and ty­

pical  infrastructure of a  city.  On  the  other  hand, 

no  artificial  infrastructure  is  present  in  rural 

areas,  but  we  have  to  cope  with  limitations  in 

signal  reception due to difficult topography.  Due 

to the required direct line-of-sight between satel­

lites  and  receiver,  today's  satellite  navigation 

systems most trequently used are not able to de­

liver position  information every  time  in  every  en­

vironment. 

The  U.S.  Global  Positioning  System  (GPS),  is 

the best-known GNSS system [2]. For navigation 

applications,  primarily  C/A-code  measurements 

54 


are used to derive the position  information. Also 

carrier phase smoothing of code measurements 

is  sometimes  applied.  For  improving  the  accu­

racy and reliability  of satellite-based  positioning, 

Space  Based  Augmentation  Systems  (SBAS), 

like the American  WAAS  (Wide Area Augmenta­

tion  System),  the  European  EGNOS  (European 

Geostationary  Navigation  Overlay  Service),  and 

the  Japanese  MSAS  (Multi  Satellite  Augmenta­

tion System) can be used. Also terrestrial techni­

ques  (Eurofix  in  Europe)  support  high  perfor­

mance requirements in navigation by broadcast­

ing  augmentation  information.  lntegrity  informa­

tion and enhanced accuracy of position solutions 

are  the  most  important  benefits  resulting  from 

these augmentation  systems.  However,  it  is  not 

possible to  overcome  all  insufficiencies of GPS. 

Beside the required direct line-of-sight to the sa­

tellites, the most critical problem is the accidental 

or deliberate jamming of satellite signals [3]. 

But GPS is not the only satellite-based naviga­

tion  system,  which  is  open  for  civil  use:  GLO­

NASS (Global Navigation Satellite System) is the 

VGi  1/2003 




Russian pendant to GPS. At present,  only 7 of 24 

necessary  satellites  are  operational,  but  there 

exist plans of the Russian government to moder­

nise the GLONASS system within the next years 

and  to  regain  Full  Operational  Capability  (FOC). 

However,  GLONASS  has  the  same  problems 

and  insufficiencies like GPS due the similar sys­

tem properties. 

Galileo  is  Europe's  future  satellite  navigation 

system  and  its  FOC  is  scheduled for  2008.  This 

new  civilian  system  belongs  to  the  enhanced 

GNSS-2 level.  [4] 

There  exist  various  approaches  to  overcome 

the shortcomings connected  to  satellite  naviga­

tion.  One promising candidate  is to  supplement 

satellite-based  navigation  by data of other sen­

sors.  The concept of this sensor fusion  techni­

que will be outlined in the subsequent sections. 

2. Sensor fusion 

Sensor fusion  means a combination of differ­

ent  sensors  to  compensate  drawbacks  of  one 

sensor  by  another.  Some  candidate  sensors 

and systems are listed below. 

2.1 . Autonomous  Navigation  Techniques 

Autonomous positioning techniques, i.e., tech­

niques  without  support  by  an  external  system 

like  terrestrial transmitters  or satellites,  are  rela­

tive  methods.  This  means  that  they  determine 

positioning  information relative with  respect to a 

given  reference station. To  get the absolute  po­

sition  information,  e.g.  an  initialisation  of  the 

autonomous navigation system has to be carried 

out.  Due  to  propagation  and  accumulation  of 

various  measurement  errors,  autonomous  tech­

niques frequently suffer from accuracy degrada­

tion  over time. 

Electronic compasses for direction  determina­

tion  and  odometers  for  relative  distance  mea­

surements  may  be  regarded  as  autonomous 

sensors.  Differential  odometers  deliver distance 

and  direction  changes  at  once.  lnertial  naviga­

tion systems (INS)  can  also be used for measur­

ing  relative  distance  and  direction  variations. 

However,  high quality INS are very  expensive. 

2.2.  Radio  navigation 

Terrestrial  Radio  navigation  uses  on  the  one 

hand  existing  radio networks,  like  mobile  phone 

or digital 

TV 

transmitter,  and  on  the  other hand 



VGi  1 /2003 

dedicated navigation systems, like Loran-C.  Po­

sition  solutions  derived  from  measurements  in 

cellular  networks  and  digital 

TV 

networks  are 



characterised  by  a  good  availability,  but  cur­

rently  cannot  meet  the  performance  require­

ments  of  land  navigation.  Loran-C,  on the  other 

hand, fulfils the minimal position accuracy  in  the 

test  areas.  Other features  of  the  Loran-C  signal 

are the high signal strength  and a wavelength  in 

the low frequency range. Due to these character­

istics,  a  good  signal  penetration  in  all  outdoor 

environments is  given.  In addition to the naviga­

tion signal, an augmentation signal (Eurofix)  can 

simultaneously  be  transmitted  via  the  Loran-C 

carrier.  Main disadvantages of Loran-C are: 

• 

Hardly  predictable  propagation  effects  of the 



carrier,  if the  signal  travels  over  landmasses. 

This  unknown  signal  propagation  delay is re­

ferred to as ASF (Additional Secondary phase 

Factor)  and  can  cause  degradations  of  the 

absolute positioning  accuracy  down to some 

kilometres. 

• 

Due to organisational uncertainties, the future 



of the system is unknown [6,7]. 

• 

Long  signal  integration  times  of  measure­



ments limit the use of current receivers for dy­

namic applications. 

2.3.  Mathematical  methods and options of fu­

sion 


A  very  common  mathematical  method  for 

combining  different  sensors  and  systems  is  to 

use a  Kaiman  filter. The  Kaiman  filter is a recur­

sive and  linear algorithm  for the  optimal  estima­

tion  of  various  navigation  parameters,  which  is 

based  on  a  dynamic  model  of  the  vehicle  mo­

tion. For more information about Kaiman filtering 

in navigation applications see [6]. Also an epoch­

per-epoch  adjustment  algorithm  can  be  applied 

for the fusion of various sensors. 

Generally,  sensors  can  be  loosely  or  tightly 

coupled. The integration of data can  be done on 

the  position  data  level  (loose  coupling)  or  on 

raw  data  level  (tight  coupling).  The  integration 

on  the  position  data  level  offers  the  advantage 

that  each system works  independently and  out­

puts  an  individually  computed  position.  These 

individual  positions  are  then  integrated  within 

the filter algorithm. When integrating the sensors 

on  raw  data  level,  all  raw  measurements  are 

used together to  deliver a common  position  so­

lution. The advantage is that the integrated  sys­

tem  provides  useful  navigation  information even 

if one  of the  individual  systems  fails  to compute 

an individual position. 

55 



When  integrating  different  sensors  and  sys­

tem,  various  aspects  have  to  be  discussed: 

Most  sensors  deliver measurements  or position 

data  based  on  different  coordinate  reference 

frames  and  time  reference  systems.  GPS,  e.g., 

uses  the  coordinate  reference  frame  WGS-84 

(World  Geodetic  System  1 984).  The  position  of 

the  Northwest  European  Loran-C  System 

(NELS)  stations are also  given  in  WGS-84  coor­

dinates.  lt  necessary,  coordinates  of  different 

Cartesian  reference  frames  can  be  harmonised 

by  performing  a  seven-parameter  coordinate 

transformation  also  called  Helmert  transforma­

tion.  The  time  reference  systems  in  use  for the 

GPS/Loran-C  integration  are  GPS  system  time 

and  UTC  (Universal  Time  Coordinated)  as  rea­

lized  by  the  N ELS  control  centre  at  Brest 

(France).  The  time  synchronisation  can  be 

achieved  by considering  an  additional  unknown 

parameter  to  be  solved  within  the  estimation 

process.  Note that there is a variable time  offset 

between  GPS  time  and  UTC  of  1 3   seconds 

(May, 2003). 

Finally,  it  has  to  be  mentioned  that  different 

systems  deliver  measurement  or  position  data 

on  different  accuracy  and  availability  levels.  An­

other task  in  sensor  fusion  is  the  calibration  of 

the  integrated  system  which  can  be  done in  la­

boratory tests and setups. 

3.  Realization 

The  choice  of  sensors  for an  integrated  navi­

gation system depends on the characteristics of 

the various  candidate  systems.  E.g., the terres­

trial  system Loran-C has a dissimilar signal char­

acteristic  compared  to  the  space  based  GPS. 

Common  vulnerabilities  are almost not present. 

Another  advantage  for  this  combination  is  the 

good signal penetration of Loran-C in GPS hos­

tile  environments,  like  dense  canopy  in  rural 

areas,  or  between  high  buildings  in  cities. 

Although  Loran-C  has  low  absolute  accuracy, 

the  relative  (repeatable)  accuracy  of the  system 

is very  high  and  even  comparable to  GPS.  The 

idea  when  combining the two  systems  is  there­

fore to calibrate the absolute accuracy of Loran­

C  (i.e.  to  remove  the  influence  of  ASFs)  during 

phases  of good  GPS availability  and to  use the 

calibrated  Loran-C  signal  to  continue  the  posi­

tion  computation  during  phases  of  limited  GPS 

availability  or  also  during  complete  GPS 

outages. 

The combination  is  also suitable for additional 

sensors,  although  the  mentioned  combination 

56 


can already fulfil the user requirements for many 

land transportation applications. 

In the GLORIA project, GPS and Loran-C have 

been  combined  within  one  receiver  type  called 

DURAN  (Dual  Radio  Navigation  Receiver).  This 

receiver  integrates three major components,  i.e. 

the  LORADD  prototype  (innovative  Loran-C  re­

ceiver), a commercial GPS  receiver,  and a micro­

processor for carrying out all computations. 

3.1 .  DURAN Components 

The  LORADD  is  a fully digital,  multi-chain,  all­

in-view  Loran-C  (and  Chakya)  receiver.  lt  in­

cludes two 1 6-bit  analog-to-digital  (AD)  conver­

ters,  which  operate  at  a  sampling  frequency  of 

400  kHz,  and a high-end digital signal processor 

(DSP).  The  range-measurement  loops  track  the 

incremental  phase  of  all  received  and  selected 

Loran-C  signals.  Since  the  phase  of  a  signal 

may only be  measured  within  one cycle, the  re­

ceiver  tracks  each  station  from  an  unknown 

starting point that is "arbitrarily" fixed when turn­

ing on the receiver.  The  initial  unknown  number 

of  full  carrier  cycles  between  the  receiver  and 

each  transmitter  station  is  obtained  by  tightly 

coupling  the  LORADD  to  the  GPS  component 

of  the  DURAN  (this  procedure  is  denoted  as 

,  Loran-C calibration). Apart from its Loran-C navi­

gation  functionality,  the  LORADD  also  supports 

Eurofix,  i.e., the GNSS augmentation service re­

lying  on  Loran-C  as  a  data  link. Along  with  the 

receiver,  Reelektronil

type  of  an  omni-directional  magnetic  field  (H­

field) antenna for the LORADD. According to ear­

lier investigations, the H-field of the Loran-C sig­

nals  provides  a  better  penetration  into  urban 

areas than the electric field (E-field) (8]. 

The  GPS  part of the  DURAN  is  realised  by  a 

commercial  GPS  receiver  board  developed  by 

NovAtel  (i.e.,  the  GPS component  is a  common 

off-the-shelf  (COTS)  product)  [9].  Although  the 

OEM4  also  provides  carrier  phase  tracking  on 

both  GPS  carrier  frequencies  (L 1  and  L2),  only 

L 1  C/A-code  pseudorange  measurements  are 

processed within the  DURAN. 

The OEM4 was chosen since it is a high-qual­

ity  instrument,  which  avoids  introducing  errors 

into the DURAN navigation solution that are typi­

cal  of  low-cost  GPS  receivers.  The  receiver  is 

used  together  with  its  corresponding  geodetic 

GPS antenna. 

The heart of the DURAN is the integrated navi­

gation  software  {lntNav)  designed  by  TeleCon­

sult-Austria  (www.teleconsult-austria.at).  In  the 

VGi  1 /2003 




present version of the prototype, the lntNav soft­

ware  runs  on  a  high-pertormance  Pentium-type 

processor.  For a  future  miniaturisation,  this  pro­

cessor will be replaced  by a more suitable DSP. 

3.2. lntNav - The GPS and Loran-C integration 

software 

As  it  becomes  clear  from  the  previous  sec­

tions, the fusion  of  GPS  and  Loran-C should al­

low  to  compensate  the  main  disadvantages  of 

the individual systems. E.g., the low absolute po­

sitioning  accuracy  of  Loran-C  can  be  compen­

sated  by  GPS,  whereas  Loran-C  can  bridge 

GPS outages caused by limited satellite visibility. 

Thus,  pertorming  a GPS-aided  calibration  of the 

Loran-C  measurements  seems  to  be  the  most 

convenient  way  to  realise  the  integration.  The 

calibration  is carried out  during  phases of good 

GPS satellite visibility by a continuous computa­

tion  of  the  theoretical  Time  of  Arrival  (TOA)  of 

Loran-C  signals  and  a  comparison  of that  value 

with  the corresponding measured TOA. The  dif­

ference  between  computed  and  measured  TOA 

yields  a  calibration  value  for  the  respective 

Loran-C  station.  During  limited  GPS  availability, 

these calibration values are used to compensate 

the low absolute accuracy of Loran-C  and,  thus, 

to  continue the  position  computation  with  near 

GPS-accuracy. The computation of Loran-C ca­

libration  values  uses  a  simplified  propagation 

model  of  Loran-C signals and  bases on the cur­

rent  estimated  receiver  position.  To  ensure  the 

reliability  of the calibration,  it  is further essential 

to  apply  an  automated  decision-making  proce­

dure for deciding whether the GPS pertormance 

is qualified for calibrating Loran-C. 

To  realise  these  theoretical  considerations, 

TeleConsult  Austria  has  developed  the  GPS  -

Loran-C  integration  software  lntNav.  Although 

Programming language 

C/C++ 


GPS  and  Loran-C  snuggle together  in  this  inte­

gration  software,  it  has  to  be  distinguished  be­

tween  individual  pre-computational  parts  and  a 

common integration part: 

GPS 

pre-computations 



Positions  of  GPS  satellites: 

As  GPS  satellites 

move around the earth, the position  of  satellites 

has  to  be  computed  for  each  measurement 

epoch.  The  corresponding  information  can  be 

derived  from the broadcast ephemerides,  which 

are transmitted  by the GPS system itself. 

Compensation  of  GPS  signal  propagation  ef­

fects: 

The  propagation  of GPS signals  is  mainly 



affected by the ionosphere and the troposphere. 

Therefore, the integration software is able to ap­

ply  models for  compensating  these  propagation 

effects:  The  influence  of  the  ionosphere  is  re­

duced  by  the  broadcast  8-coefficients  iono­

spheric model, whereas the influence of the tro­

posphere  is  reduced  by  the  modified  Hopfield 

model.  Applying  these  models  to  the  measure­

ments  is optional. 

Computation of measurement weights: 

To  ob­

tain  individual  weights for  GPS  measurements, 



mainly  the elevation  of the corresponding satel­

lite is considered. 

Loran-C pre-computations 

Compensation of Loran-C propagation effects: 

The  propagation  of  Loran-C  signals  over  land­

masses is mainly affected  by the conductivity of 

the  underground.  The  propagation  delay,  which 

is therefore  introduced,  is called Additional Sec­

ondary  Factor  (ASF).  The  pre-computation  part 

of lntNav corrects  Loran-C TOAs by applying ca­

libration values, which have been derived  during 

phases of good GPS availability. 

Smoothing of Loran-C TOAs: 

The software has 

a built-in low-pass filter,  which  can optionally be 

applied  to smooth Loran-C measurements. 

Currently supported OS 

Win 9x, Win 2k,  Linux 

Application environment 

Console 


Currently supported navigation systems 

GPS, GLONASS,  Loran-C 

Measurement value 

GNSS pseudoranges, Loran-C TOAs 

Operation modus 

Selectable: Real-time - Post-processing 

Calibration of Loran-C 

GPS-aided,  real-time 

Data pre-filtering 

Elliptic low-pass filter 

Quality check of solution 

RAIM, DOP computation 

Position computation algorithm 

Selectable: Epoch-wise Adjustment - Kaiman Filter 

Overall structure 

Modular, expandable 

Currently supported devices 

Ashtech GG24, NovAtel OEM4-31 51 R, Locus SatMate 1 000 

1 020. 


Table  1: Features of lntNav Software 

VGi  1/2003 

57 



Computation  of  measurements  weights: 

The 


quality of Loran-C  measurements is in  a first ap­

proximation  indirectly  proportional  to  the  dis­

tance between  Loran-C transmitter and receiver. 

This is also the  main  input for individual Loran-C 

weight computations. 

GPS 


and Loran-C integration part 

The  core  of the l ntNav  software  is  an  adjust­

ment  algorithm,  which  performs  the  integrated 

position  computation.  Besides the  current  posi­

tion  of the  receiver,  also  some  quality  informa­

tion, i.e., an estimation for the position accuracy, 

is obtained. The common integration part further 

consists  of  various  consistency  checks  of  the 

measurements,  as  weil  as  a  Receiver  Autono­

mous lntegrity Monitoring (RAIM) algorithm. 

Concluding, Table 1  summarises the main fea­

tures of the  lntNav software. 

The software  is currently subject to further de­

velopment  and  modification.  Because  of  its 

modular  structure,  it  can  easily  be  adapted  to 

various  platforms  and  operating  systems.  Also 

the list of supported  navigation  devices  can  ea­

sily be expanded. 

4. Receiver test and evaluation 

The major aim of the tests was to compare the 

results of the DURAN with stand-alone GPS (re-

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21775 

Positioning mode 

LORAN-C 

Calibration 

21800 

East [m) 



21825 

ference  case)  and  to  investigate  the  potential 

benefits  of  the  new  receiver  for  road  applica­

tions.  Rail  applications were also  treated  within 

the GLOR

!A 


project  but  will  not  be  presented  in 

this  report.  For  all  tests,  the two  chains  of the 

Northwest  European  Loran-C  System  (NELS) 

with  the  master  stations  at  Lessay (France)  and 

Sylt (Germany)  have  been used.  These  Loran-C 

chains  provide the  best  reception  quality  within 

the  testing  areas  in  the  Netherlands,  France, 

and  Belgium  for  the  major  environment  types 

rural,  urban,  highway.  In  these  areas  1 4   static 

and  kinematic tests were performed. 

The  test  vehicles  were  not  specifically  modi­

fied  for  the  tests.  All  measurement  data  were 

recorded  in  the  internal  memory  of  the  recei­

vers.  The  investigation  of  the  DURAN  perfor­

mance  was  mainly  done  in  post  processing. 

The  required  offline  version  of the  lntNav  soft­

ware  used  in  this  case  operates  completely 

analogous  to  the  real-time  version  installed  in 

the  DURAN.  The  main  advantage  of  post  pro­

cessing  analysis  is,  that  certain  parameters  of 

the  algorithms  can  be  modified  to  achieve  bet­

ter overall  performance  of the receiver. This op­

timization  phase was  carried  out  in  parallel  to 

the  investigation  of  the  receiver  performance. 

Afterwards,  the  resulting  final  settings  of  the 

software  were  stored  in  the  receiver  for  online 

position  computing. 

411475 


'.§: 

€ 

411450 



� 

411425 


+-25 


m--? 

21775 


GPS Satellites 





1 1  

1 4  



1111111 

1 4  



21800 

East [m) 

21825 

Figure  1: Loran-C Position (Jett) and GPS Position so/ution (right) 



58 

VGi  1 /2003 




Method applied 

Error ellipse (95%) 

axes [m) 

orient. [0) 

GPS stand-alone 

3.5 / 2.2 

59 

(reference case) 



DURAN (fully integrated) 

3.5 / 2.2 

60 

Calibrated LORAN-C 



1 6 / 1 3 

87 


Table 2: Numerical resu/ts of Static test Eiffel tower 

T eleConsult  employed  some  additional  mea­

surement  equipment  for  determining  alternative 

GPS reference trajectories. The additional equip­

ment comprised two geodetic Ashtech  GPS  re­

ceivers  (GG24,  Z1 2)  and  the  corresponding  an­

tennas.  In  case  of  GPS  outages,  no  reference 

data are available.  Still, the quality of the DURAN 

results may be derived from the tests: the result­

ing trajectories  should  continue smoothly during 

GPS  outages.  The  data  can  be  interpreted  vi­

sually and the consistency of the DURAN results 

with  the  nominal  trajectories  can  be  verified 

using map information. 

623000 

'.[ 


.r:::.  622000 



621 000 


• • •  „  • • • • • •  „  • 

„  • • • • • • • •  „  • • • • • • • •  



. . . . . . .  �  .

.

.  ·



:

·  . . . . . .

. .

. . . . . . . .



· · · · · · · · · · · ·



:

· · · · · · · · · · · · · · · ·   . .  

Bias [m] 

Avail .  w.r.t. 

north 

east 


time [%) 

Max.  out. [s) 

-

-

99.2 



0.0 


0.0 

1 00 


2.3 


-1 .3 

93.2 


1 5  

l t  was clear from the beginning, that even under 

optimised conditions the variance of the Loran-C 

position solution would  be larger than for GNSS. 

The test near the Eiffel tower in Paris (F) was per­

formed to investigate the static positioning quality 

of the Loran-C component of the DU RAN and un­

derlines our assumption [Figure 1 ,  Table 2]. 

Kinematic tests are represented by a test on a 

motorway  south  east  of  Brussels  (B).  Figure  2 

shows the details of the test track during a GPS 

outage. The DURAN  is able to bridge the outage 

even  though  there  are  some  short  Loran-C 

outages as weil [Figure 2,  Table 3]. 

Drive . 

Directipn 

Receiver 

B GPS 


DU RAN 

620000 


• • • • • • • • • • •  „ • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

• • • • • • • • • • • • • • • • • • •  

• • • • • • • • • • • . • • . • • • •  



. . . . . • . .  





29000 

30000 


31000 

East 


[m] 

32000 


Figure 2: Kinematic test motorway 

VGi  1/2003 

59 



Receivers 

Availability 

Maximum outage 

w.r.t.  time [%] 

duration (s] 

GPS stand-alone 

91 .0 

76 


(reference case) 

DURAN (fully in-

99.7 

37 


tegrated solution) 

Table 3: Numerical results of kinematic test motorway 

5.  Summary and outlook 

The approach to  integrate GNSS and  Loran-C 

is  feasible  and  is  verified  by  good  test  results. 

The  DURAN  increases temporal and  local  avail­

ability of the positioning  solution  in case of par­

tial  GPS  outages.  Also  the  overall  continuity  of 

the  integrated  navigation  system  can  be  in­

creased.  Further,  most  of the  requirements  of 

navigation  in  road  applications,  like  raute  gui­

dance of private vehicles, tracing of vehicles for 

floating  car  data,  and  monitoring  of  dangerous 

goods on road can be met. 

However, there are still some subjects - espe­

cially concerning  Loran-C - to be investigated  in 

more detail than they are known today. The ma­

jor drawback of the current  DURAN  prototype  is 

its  limited  resistance  against  electromagnetic 

disturbances.  Furthermore,  the  improved  reac­

quisition time of the receiver cannot be exploited 

at the moment because of the required recalibra­

tion  of the  Loran-C  data after a  Loran-C outage. 

lt such  an  outage occurs  simultaneously  with  a 

GPS  outage, the new calibration of Loran-C can 

only  be  performed  if  GPS  is  "back  at  service". 

Further  improvements  are  possible  in  the  issue 

on  when  to  use  GPS  to  calibrate  the  Loran-C 

ranges.  Especially  for  automotive  applications, 

the  miniaturisation  of  the  receiver  is  crucial. 

DURAN  has a !arge potential  in this domain that 

needs to be exploited  in the close future. 

The  currently  limited  accuracy  of  Loran-C  in 

Europe is also caused by the sparse  network of 

transmitter stations available. Further, it was em-

60 


phasised  that  a  significantly  increased  perfor­

mance could be achieved if the network was ex­

tended  only  by  a few  additional  transmitter sta­

tions. 


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of  the  transportation  intrastructure  relying  an  the  Global 

Positioning System. Final  Report,  August 29. 

Contact 


Dipl.-Ing. Johannes Vallant,  Dipl.-Ing. Günther Abwerz­

ger:  TeleCorisult Austria  Bernhard  Hofmann-Wellenhof 

GmbH,  Schwarzbauerweg  3,  A-8043  Graz.  email: 

jvallant@teleconsult-austria.at, 

abwerzge@teleconsult-austria.at 

Univ.  Prof.  Dr.  Bernhard  Hofmann-Wellenhof,  Univ.Ass. 

Dr. Klaus Legat: Technische  Universität Graz, Abteilung 

für  Positionierung  und  Navigation,  Steyrergasse  30, 

A-801 O  Graz.  email:  hofmann-wellenhof@tugraz.at, 

legat@tugraz.at 



VGi  1 /2003 

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