| 1. Identificação | ||||||||||
| Tipo de Referência | Tese ou Dissertação (Thesis) | |||||||||
| Site | mtc-m21d.sid.inpe.br | |||||||||
| Código do Detentor | isadg {BR SPINPE} ibi 8JMKD3MGPCW/3DT298S | |||||||||
| Identificador | 8JMKD3MGP3W34T/473TT4E | |||||||||
| Repositório | sid.inpe.br/mtc-m21d/2022/06.10.12.02 | |||||||||
| Última Atualização | 2022:08.29.17.41.30 (UTC) simone | |||||||||
| Repositório de Metadados | sid.inpe.br/mtc-m21d/2022/06.10.12.02.46 | |||||||||
| Última Atualização dos Metadados | 2022:09.01.23.17.29 (UTC) administrator | |||||||||
| Chave Secundária | INPE-18593-TDI/3232 | |||||||||
| Chave de Citação | Lopes:2022:LiTiBa | |||||||||
| Título | Linear time-invariant and bayesian filters for monitoring and mitigation of ionospheric scintillation in GNSS receivers  | |||||||||
| Título Alternativo | Filtros linear invariante no tempo e Bayesiano para monitoramento e mitigação de cintilação ionosférica em receptores GNSS | |||||||||
| Curso | CMC-ETES-DIPGR-INPE-MCTI-GOV-BR | |||||||||
| Ano | 2022 | |||||||||
| Data | 2022-06-02 | |||||||||
| Data de Acesso | 02 maio 2024 | |||||||||
| Tipo da Tese | Tese (Doutorado em Mecânica Espacial e Controle) | |||||||||
| Tipo Secundário | TDI | |||||||||
| Número de Páginas | 145 | |||||||||
| Número de Arquivos | 1 | |||||||||
| Tamanho | 5335 KiB | |||||||||
| 2. Contextualização | ||||||||||
| Autor | Lopes, Rafael Anderson Martins | |||||||||
| Banca | Ricci, Mario César (presidente) Kuga, Hélio Koiti (orientador) Antreich, Felix Dieter (orientador) Paula, Eurico Rodrigues de Bruno, Marcelo Gomes da Silva Garcia, Roberta Veloso | |||||||||
| Endereço de e-Mail | rafael.lopes@inpe.br | |||||||||
| Universidade | Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) | |||||||||
| Cidade | São José dos Campos | |||||||||
| Histórico (UTC) | 2022-06-10 12:02:46 :: rafael.lopes@inpe.br -> pubtc@inpe.br :: 2022-06-23 10:46:18 :: pubtc@inpe.br -> rafael.lopes@inpe.br :: 2022-07-21 18:39:25 :: rafael.lopes@inpe.br -> administrator :: 2022-08-22 23:36:07 :: administrator -> pubtc@inpe.br :: 2022-08-29 19:27:07 :: pubtc@inpe.br -> simone :: 2022-08-29 19:30:02 :: simone :: -> 2022 2022-08-29 19:30:16 :: simone -> administrator :: 2022 2022-09-01 23:17:29 :: administrator -> :: 2022 | |||||||||
| 3. Conteúdo e estrutura | ||||||||||
| É a matriz ou uma cópia? | é a matriz | |||||||||
| Estágio do Conteúdo | concluido | |||||||||
| Transferível | 1 | |||||||||
| Palavras-Chave | GNSS receivers carrier tracking loops ionospheric scintillation real-time monitoring LTI filtering ionospheric scintillation mitigation receptores GNSS malhas de rastreio de portadora monitoramento em tempo-real de cintilação ionosférica filtragem LTI mitigação de cintilação ionosférica | |||||||||
| Resumo | The propagating radio signals emitted by the satellites forming the constellation of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) interact with the electron content inside the ionosphere, resulting in scintillation. The ionospheric scintillation can have significant impact on the availability, accuracy, continuity, and integrity of the positioning for users of such systems. It is a source of disturbances impairing the signal processing implemented in the GNSS receivers, where the effects are more pronounced in their carrier tracking loops, with the induced amplitude and phase scintillation added to the input signals. The detection, monitoring, and mitigation of the scintillation effects are challenging from the signal processing perspective, and constitute relevant topics of research related to GNSS. This work presents contributions to the scintillation monitoring and the scintillation mitigation in GNSS receivers. Regarding scintillation monitoring, we propose an algorithm composed of linear time-invariant (LTI) filtering of observables available or easily derived in traditional or Kalman filter-based carrier tracking loop structures, exploiting their complementary frequency content, to provide real-time scintillation phase estimates for monitoring purposes. This algorithm is developed for receivers with traditional and Kalman frequency locked loops (FLL), but can be adapted to receivers with traditional and Kalman phase locked loops (PLL). The performance of the algorithm is evaluated via Monte Carlo simulations with synthetic severe scintillation data, showing its capability to provide the scintillation phase estimates. In addition, the algorithm is evaluated with real data presenting equatorial scintillation, collected by a professional GNSS receiver, where the scintillation phase standard deviation computed from the estimates provided by the real-time algorithm is compared to the standard deviation derived by state-of-the-art post-processing procedure, showing good agreement. Regarding scintillation mitigation, we propose two adaptive Kalman PLL structures employing radial basis function (RBF) networks to model the scintillation induced effects. In the first structure, the Kalman filter innovations are computed by the phase discriminator, and the scintillation phase estimates are provided, in addition to the robust carrier synchronization performed. In the second structure, the Kalman filter measurements are taken from the prompt correlator outputs, and a state feedback controller is designed to drive the carrier replica generation for robust synchronization. In this structure, the Kalman filter also estimates the scintillation amplitude. In both adaptive Kalman PLL structures, the weights of the RBF networks are estimated in real-time by recursive sliding window least squares, and the process and measurement noise covariance matrices of the Kalman filters are also updated in real-time. Monte Carlo simulations with synthetic severe scintillation data show the capability of the proposed Kalman PLLs to improve robustness to scintillation effects in carrier synchronization, presenting performance similar to the corresponding state-of-the-art structures employing the autoregressive (AR) scintillation models, with a slight advantage to the proposed structures with the RBF networks. The RBF networks allow to capture eventual nonlinear dynamics induced in the receiver by the ionospheric scintillation, an advantage in relation to the linear AR models, at the expense of a more complex structure. Simulations with real scintillation data collected by a professional receiver highlight the learning and generalization capability of the RBF networks to cope with residual effects related to the receiver present in the data and evolving scintillation characteristics over time, with possibly nonlinear effects, with the Kalman PLL structures employing the RBF networks presenting reduced error when compared to the structures employing AR models. RESUMO: Os sinais de rádio emitidos pelos satélites que formam a constelação de Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS) em propagação interagem com o conteúdo de elétrons da ionosfera, resultando em cintilação. A cintilação ionosférica pode ter impacto significativo na disponibilidade, acurácia, continuidade, e integridade do posicionamento de usuários de tais sistemas. É uma fonte de distúrbios que prejudicam o processamento de sinais implementado nos receptores GNSS, sendo que os efeitos são mais pronunciados em suas malhas de rastreio de portadora, com as cintilações induzidas de amplitude e fase adicionadas aos sinais de entrada. A detecção, o monitoramento, e a mitigação dos efeitos da cintilação são desafiadores do ponto de vista do processamento de sinais e constituem tópicos relevantes de pesquisa relacionada a GNSS. Este trabalho apresenta contribuições para o monitoramento e para a mitigação de cintilação em receptores GNSS. Em relação ao monitoramento de cintilação, propomos um algoritmo composto de filtragem linear invariante no tempo (LTI) de observáveis disponíveis ou facilmente calculadas em estruturas de malha de rastreio de portadora tradicionais ou baseadas em filtro de Kalman, explorando seu conteúdo complementar de frequência, para fornecer estimativas de fase de cintilação em tempo-real para fins de monitoramento. Este algoritmo é desenvolvido para receptores com malhas de captura de frequência (FLL) tradicionais e de Kalman, mas pode ser adaptado a receptores com malhas de captura de fase (PLL) tradicionais e de Kalman. O desempenho do algoritmo é avaliado através de simulações de Monte Carlo com dados sintéticos de cintilação severa, mostrando sua capacidade de fornecer as estimativas da fase de cintilação. Além disso, o algoritmo é avaliado com dados reais apresentando cintilação equatorial, coletados por um receptor GNSS profissional, onde o desvio padrão da fase de cintilação calculado a partir das estimativas fornecidas pelo algoritmo de tempo-real é comparado ao desvio padrão calculado pelo procedimento de pós-processamento de estado-daarte, mostrando boa concordância. Em relação à mitigação de cintilação, propomos duas estruturas adaptativas de Kalman PLL empregando redes de funções de base radial (RBF) para modelar os efeitos induzidos por cintilação. Na primeira estrutura, as inovações do filtro de Kalman são computadas pelo discriminador de fase, e as estimativas de fase de cintilação são fornecidas, além da sincronização robusta de portadora realizada. Na segunda estrutura, as medidas do filtro de Kalman são tomadas a partir das saídas do correlacionador alinhado no tempo, e um controlador de realimentação de estados é projetado para conduzir a geração de réplica da portadora para sincronização robusta. Nesta estrutura, o filtro de Kalman também estima a amplitude de cintilação. Em ambas as estruturas adaptativas Kalman PLL, os pesos das redes RBF são estimados em tempo-real por mínimos quadrados recursivos com janela deslizante, e as matrizes de covariância de ruídos de processo e medida dos filtros de Kalman também são atualizadas em tempo-real. Simulações de Monte Carlo com dados sintéticos de cintilação severa mostram a capacidade das Kalman PLLs propostas para melhorar a robustez aos efeitos de cintilação na sincronização de portadora, apresentando desempenho semelhante ao das estruturas de estado-da-arte correspondentes que empregam modelos autorregressivos (AR) de cintilação, com um ligeira vantagem para as estruturas propostas com as redes RBF. As redes RBF permitem capturar eventuais dinâmicas não-lineares induzidas no receptor pela cintilação ionosférica, uma vantagem em relação aos modelos AR lineares, à custa de uma estrutura mais complexa. Simulações com dados reais de cintilação coletados pelo receptor profissional destacam a capacidade de aprendizado e generalização das redes RBF para lidar com efeitos residuais relacionados ao receptor presentes nos dados e com a evolução das características da cintilação ao longo do tempo, com efeitos possivelmente não-lineares, com as estruturas Kalman PLL empregando as redes RBF apresentando erro reduzido quando comparadas às estruturas empregando modelos AR. | |||||||||
| Área | ETES | |||||||||
| Arranjo 1 | urlib.net > BDMCI > Fonds > Produção pgr ATUAIS > CMC > Linear time-invariant and... | |||||||||
| Arranjo 2 | urlib.net > BDMCI > Fonds > Produção a partir de 2021 > CGCE > Linear time-invariant and... | |||||||||
| Conteúdo da Pasta doc | acessar | |||||||||
| Conteúdo da Pasta source |
| |||||||||
| Conteúdo da Pasta agreement |
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| 4. Condições de acesso e uso | ||||||||||
| URL dos dados | http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/473TT4E | |||||||||
| URL dos dados zipados | http://urlib.net/zip/8JMKD3MGP3W34T/473TT4E | |||||||||
| Idioma | en | |||||||||
| Arquivo Alvo | publicacao.pdf | |||||||||
| Grupo de Usuários | pubtc@inpe.br rafael.lopes@inpe.br simone | |||||||||
| Visibilidade | shown | |||||||||
| Licença de Direitos Autorais | urlib.net/www/2012/11.12.15.10 | |||||||||
| Detentor dos Direitos | originalauthor yes | |||||||||
| Permissão de Leitura | allow from all | |||||||||
| Permissão de Atualização | não transferida | |||||||||
| 5. Fontes relacionadas | ||||||||||
| Repositório Espelho | urlib.net/www/2021/06.04.03.40.25 | |||||||||
| Unidades Imediatamente Superiores | 8JMKD3MGPCW/3F2UALS 8JMKD3MGPCW/46KTFK8 | |||||||||
| Lista de Itens Citando | sid.inpe.br/bibdigital/2022/04.03.17.52 2 sid.inpe.br/bibdigital/2013/10.14.00.13 2 | |||||||||
| Acervo Hospedeiro | urlib.net/www/2021/06.04.03.40 | |||||||||
| 6. Notas | ||||||||||
| Campos Vazios | academicdepartment affiliation archivingpolicy archivist callnumber contenttype copyholder creatorhistory descriptionlevel dissemination doi electronicmailaddress format group isbn issn label lineage mark nextedition notes number orcid parameterlist parentrepositories previousedition previouslowerunit progress readergroup resumeid schedulinginformation secondarydate secondarymark session shorttitle sponsor subject tertiarymark tertiarytype url versiontype | |||||||||