EUROCONTROL

EUROPEAN ORGANISATION
FOR THE SAFETY OF AIR NAVIGATION
EUROCONTROL
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
GNSS INTEGRITY MONITORING
AT HIGH LATITUDES
EVALUATION OF DATA COLLECTED DURING
FLIGHT TRIAL IN DRA BAC 1-11
OCTOBER 1994
Executive Summary of
EEC Report No. 297
EEC Task AT65
EATCHIP Task FCO.ET3.ST07
Issued: April 1996
The information contained in this document is the property of the EUROCONTROL Agency and no part should be reproduced in any
form without the Agency’s permission.
The views expressed herein do not necessarily reflect the official views or policy of the Agency.
REPORT DOCUMENTATION PAGE
Reference:
Executive Summary of
EEC Report No. 297
Security Classification:
Unclassified
Originator:
EEC - SNA
(Satellite Navigation Applications)
Originator (Corporate Author) Name/Location:
EUROCONTROL Experimental Centre
B.P.15
F - 91222 Brétigny-sur-Orge CEDEX
FRANCE
Telephone: +33 1 69 88 75 00
Fax:
+33 1 60 85 15 04
Sponsor:
EATCHIP
DED.1
Sponsor (Contract Authority) Name/Location:
EUROCONTROL Agency
Rue de la Fusée, 96
B -1130 BRUXELLES
Telephone: +32 2 729 90 11
Fax:
+32 2 729 90 44
Development
Directorate
TITLE:
GNSS INTEGRITY MONITORING AT HIGH LATITUDES. EVALUATION OF DATA COLLECTED
DURING FLIGHT TRIAL IN DRA BAC 1-11, OCTOBER 1994
Author(s)
A E McGregor
Dr G Richards
Defence Research Agency,
Bedford
EATCHIP Task
Specification
FCO.ET3.ST07
Date
Pages
Figures
Tables
Appendices
References
04/96
ii+14
4
-
-
-
EEC Task No.
AT65
Task No. Sponsor
Period
03/94 - 07/95
Distribution Statement:
(a) Controlled by:
Head of SNA
(b) Special Limitations: None
(c) Copy to NTIS:
YES
Descriptors (keywords):
Global Navigation Satellite Systems, GNSS, Global Positioning System, GPS, Integrity, Geostationary
Satellite, Aircraft, Coverage, Navigation Transponder, Inmarsat
Abstract:
This report presents the results of the EUROCONTROL “Integrity Monitoring at ‘High’ Latitudes” project
whose goals were to determine the limits of coverage of geostationary satellite signals and to assess how
useful these signals would be for satellite navigation in a typical airborne environment as one approaches
the edges of transmission coverage. The analysis is based on a flight trial which took place using a BAC
1-11 aircraft of the UK Defence Research Agency during a 10-day period in October 1994. The observed
visibility of the geostationary satellites is compared with theoretical simulations, emphasizing the
reception at the edge of coverage and the effects of aircraft manoeurvring. The visibility of the
geostationary satellites is described with particular emphasis on the approaches and landings. The
performance of the GPS system during the trial is analysed with respect to accuracy, availability to
provide an integrity capability. Finally, the effects of changing the elevation mask angle and of including
the geostationary satellites as ranging sources are examined.
ii
This document has been collated by mechanical means. Should there be missing pages, please report to:
EUROCONTROL Experimental Centre
Publications Office
B.P. 15
91222-BRETIGNY-SUR-ORGE CEDEX
France
Executive Summary of EEC Report No. 297
EEC Task AT65
EATCHIP Task FCO.ET3.ST07
Issued: April 1996
FOREWORD
European States and organisations are increasingly co-ordinating their satellite navigation activities to
ensure that users obtain the earliest possible benefits from systems currently, or soon to be,
deployed. This complies with ICAO’s adoption of the CNS/ATM concept whereby the new
technologies would be introduced on a regional basis. EUROCONTROL - the European Organisation
for the Safety of Air Navigation - is playing a major role in the implementation of satellite navigation
in Europe through its work with the European Commission and the European Space Agency on the
one hand and with the States in the European Air Traffic Control Harmonisation and Integration
Programme (EATCHIP) on the other.
Test, validation and certification have been identified as areas where EUROCONTROL can contribute
to the implementation of satellite navigation both in Europe and world-wide. Geostationary satellites
are potential candidates as augmentation providers for GPS and GLONASS - the two satellite
positioning systems which will form the core of the first generation of satellite navigation systems.
Concerns have been raised, however, about the reception conditions for geostationary signals
towards the limits of their broadcast coverage, in particular at high latitudes.
The service offered by geostationary augmentations is threefold. A GPS-like signal is broadcast from
a dedicated navigation transponder carried on the geostationary satellite to provide an additional GPS
range. This special signal also contains information about the integrity of all GPS satellites and
information which can be used to provide differential corrections to the GPS signals over large, or
wide areas. These three services are therefore known as Ranging, Integrity Broadcast and Wide Area
Differential.
At its 175th session in March 1994, the EUROCONTROL Committee of Management adopted a
Satellite Navigation Strategy and agreed to the setting up of a Satellite Navigation Applications SubGroup within the Future Concepts Domain of EATCHIP. The EUROCONTROL Director General
presented an interim report on the SNA Sub-Group’s activities at the 177th session of the Committee.
During both these sessions concern about the use of signals from geostationary satellites at ‘high’
latitudes was raised. As a result, at its 175th session, the Committee agreed that further consideration
should be given to the problem of higher latitudes and, at its 177th session, inter alia, requested the
Director General to ensure that account be taken of the needs of homogenous areas within Europe
such as high latitudes.
The EUROCONTROL project “Integrity Monitoring at ‘High’ Latitudes (IMAHL)” was established to
address the concerns of a number of States which felt that the use of geostationary satellites for the
broadcast of ranging and integrity information to augment GPS and GLONASS was of little value at
‘high’ latitudes. These concerns were based on geometrical visibility analyses, which took into
account neither real airframe visibility contours nor any real flight test data. The reception of signals is
not a problem that is only associated with ‘high’ latitudes but is, in fact, one encountered towards the
limits of reception around the entire geostationary satellites’ footprints. Given the strong momentum
to deploy geostationary navigation transponders for the purpose outlined above and the associated
‘high’ latitude problem, it was felt appropriate for EUROCONTROL to organise a flight trial to
investigate the reception of signals from geostationary satellites in the northern latitudes, but with real
data rather than reliance on further simulations.
To this end, EUROCONTROL, the UK CAA and DRA Bedford established how this problem could
best be investigated by means of an experimental flight using the DRA’s BAC 1-11 aircraft as a
platform, providing the means of recording GPS and geostationary satellite data. Detailed project
planning began in March 1994 with the goal of carrying out the flight trial before the end of October
that year. Due to the strong interest in this work it was agreed that two reports would be delivered to
EUROCONTROL by the DRA: a first report describing the flight trial in detail which would also include
preliminary analyses of certain parts of the data which a first pass had shown to be of interest; and a
second, more comprehensive, report describing the data analyses in greater detail for delivery at the
end of August 1995.
1
This document is the DRA’s data evaluation report; that is, the second of the two to be delivered. It
contains an introduction and details about the flight trial’s execution, the data evaluation software and
the obtained results. The observed visibility of the geostationary satellites is compared with
theoretical simulations, highlighting the reception at the edge of signal coverage and the effects of
aircraft manoeuvring. The visibility of the geostationary satellites is described with particular
emphasis on the approaches and landings. The performance of the GPS system during the trial is
analysed with respect to accuracy, availability, continuity of service and the ability to provide an
integrity capability. Finally, the effects of changing the elevation mask angle and of including the
geostationary satellites as ranging sources are examined. The report finishes with the DRA’s
conclusions and recommendations. The contents are important for all organisations seeking to deploy
or make use of geostationary augmentations to GPS and GLONASS and its publication is timely.
We would like to thank a number of people for helping to make this flight trial such a success:
• all DRA personnel for preparing the aircraft at such short notice and ensuring that the flight went
as smoothly as possible. In particular we would like to thank Dr G. Richards, Mr R. Harlow and Dr
A. McGregor for leading this project and for delivering this data evaluation report;
• Mr M. Asbury of the UK CAA National Air Traffic Services for ensuring that a large amount of CAA
equipment already installed onboard the BAC 1-11 could be put at the DRA’s disposal and for his
assistance to EUROCONTROL in the planning of this project;
• Mr Tor Helgesen of the Norwegian CAA for his help in ensuring that the BAC 1-11 could land and
make use of the facilities at Svalbard airport in Spitzbergen. In fact we would like to thank all
people within the British and Norwegian administrations who obtained diplomatic clearance for the
aircraft at all stages in its flight;
• Messrs G. Mack and W. Primavesi of Racal Survey (UK) Ltd for organising the collection of data
for wide area differential GPS corrections via Racal’s Skyfix network;
• Messrs R. McKinlay and I. Ferebee of Racal Avionics Ltd for the provision of primary and back-up
multi-channel satellite communications receivers;
• Messrs J. Nagle and F. Ryan of Inmarsat for the provision of a GSV receiver, ephemeris data for
the Inmarsat 2 satellites and for their consistent help throughout the project.
Andrew Watt
Bernd Tiemeyer
EUROCONTROL Project Officers
2
EXECUTIVE SUMMARY
The future application of a Global Navigation Satellite System (GNSS) is expected to have a major
impact on commercial aircraft navigation. An interim step under discussion is the use of the current
GPS system augmented by geostationary satellites broadcasting ranging and integrity information.
However - following studies of theoretical visibility - some European States have expressed concern
about the coverage of these satellites at northern latitudes and whether the signals would be of any
value. These concerns were based on geometrical visibility analyses, which took into account neither
real airframe visibility contours nor any real flight test data. The reception of signals is not a problem
that is only associated with ‘high’ latitudes but is, in fact, one encountered towards the limits of
reception around the entire geostationary satellites’ footprints. Given the strong momentum to deploy
geostationary navigation transponders for the purpose outlined above and the associated ‘high’
latitude problem, it was appropriate for EUROCONTROL to organise a flight trial to investigate the
reception of signals from geostationary satellites in the northern latitudes, but with real data rather
than reliance on further simulations.
To this end, EUROCONTROL, the UK CAA and DRA Bedford established how this problem could
best be investigated by means of an experimental flight using the DRA’s BAC 1-11 aircraft as a
platform, providing the means of recording GPS and geostationary satellite data. Thus was the
EUROCONTROL project “Integrity Monitoring at ‘High’ Latitudes (IMAHL)” established. Detailed
project planning began in March 1994 with the goal of carrying out the flight trial in October that year.
This report presents the results of the detailed data evaluation.
A route was chosen which took the BAC 1-11 through the coverage boundaries of three Inmarsat
geostationary satellites, namely Indian Ocean Region (IOR), Atlantic Ocean Region East (AORE) and
Atlantic Ocean Region West (AORW). This route is depicted in Figure 1 and described in detail in the
Flight Trial Report.
Onboard the BAC 1-11 data were logged on three GPS receivers, a NovAtel 951R, an Ashtech Z12
and a Trimble 4000SSE. In addition to the GPS receivers two satellite communication receivers were
installed in order to receive signals from the Inmarsat geostationary satellites. The primary receiver
was a Racal/Honeywell three channel Satellite Data Unit (SDU) which was able to monitor
simultaneously the signals broadcast by the three geostationary satellites. The second receiver was a
GSV 1002 unit which was adapted to receive test navigation signals expected to be broadcasted from
the AORW satellite. Racal Survey were contracted to provide a differentially-corrected aircraft
trajectory from data recorded onboard the aircraft and across Racal’s network of SkyFix GPS ground
stations.
During the trial 33 hours of data were collected at 1Hz, resulting in some 120,000 data points. At each
data point those instances were noted when there was a difference between the observation and the
visibility predicted by a simulation tool. That was, when a satellite was either seen when it was not
predicted, or not seen when it was predicted to be visible. These results were expressed as a percentage of
all the data points considered, for the Inmarsat and
GPS satellites separately.
Considering the results for the Inmarsat satellites
first, the number of instances when satellites
were seen when not predicted by the theoretical
model was less than 1% for most legs. Over the
whole flight, geostationary satellites were not
seen when predicted to be visible in the
theoretical environment in 3.7% of the possible
instances. This is mainly an indication of the
effects of body shielding and indeed the use of a
dynamical theoretical model reduces the value to
1.8%. This remaining discrepancy was due to
terrain effects, since these effects were most
noticeable on the legs which flew into or out of
Svalbard where the airfield is surrounded by high
mountains.
The results for the GPS satellites are similar to
those for the Inmarsat satellites, although there
Figure 1: Flight Trial Route
3
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50-55
55-60
60-65
65-70
70-75
75-80
3
AA2
AA
AA1
AA
0
80-85
Latitude Band
Figure 2: No. of Visible Inmarsat Satellites By Latitude
are fewer cases when GPS satellites are seen when not predicted. The fact that the GPS satellites
are rarely positioned in the predicted shielding areas means that there are smaller differences
between the theoretical and theoretical dynamical values than for the Inmarsat satellites.
From the data analysis, statistics were produced to present the number of satellites visible of the
entire trial. It must be stressed that these statistics are based on a particular flight trial and are highly
dependant on the aircraft used, antenna configuration and the route taken. The statistics should not
be generalised as applying to all aircraft operations in these regions. Nevertheless, they provide an
indication of what could be expected in such an operational environment.
All three Inmarsat satellites were visible for more than 40% of the entire trial, whilst at least one
satellite was viewed almost 94% of the time. The second loop north out of Svalbard at low altitudes
(FL 180 and FL 190) accounted for around two-thirds of the time when no Inmarsat satellites were
viewed. Figure 2 shows a breakdown of the number of Inmarsat satellites visible against various
latitude bands. The ordinate axis shows the time that a certain number of satellites were visible,
expressed as a percentage of the total time that the aircraft spent in that latitude band.
As expected, the visibility of the Inmarsat satellites reduced as the aircraft flew further north. The
worst case was the 80-85° band when no geostationary satellites were visible for 35% of the time; this
drops to 14% between 75-80°. One satellite was visible at all times in the 70-75° band but, in the 6570° band, no Inmarsat satellites were visible for 39 seconds, 0.2% of the time in this region. Closer
investigation shows that these losses are spread over five separate legs, and occur as a result of
aircraft manoeuvring, mainly in the take-off and approach stages of flight. Below 65°N at least one
Inmarsat was visible at all times.
Given that a minimum of four GPS satellites are required to calculate a three-dimensional position,
the visibility of the GPS system was generally very good. With the NovAtel receiver tracking all
satellites in view, the minimum number of available satellites was 7, and this was only for 0.7% of the
trial. All 10 channels on the receiver were tracking satellites for about 68% of the time. An all-in-view
receiver provides sufficient reception channels to track all satellites which are visible from the
receivers antenna position. Afterwards signals of those satellites which are close to the Earth’s
horizon might be artificially excluded from the navigation calculation for accuracy purposes by a user
defined mask angle.
All fourteen landings on the trial were studied in detail, from approximately top of descent to
touchdown, to look at how well the geostationary satellites were observed at low altitude whilst the
aircraft was manoeuvring. As expected, the effects of body shielding were evident as the aircraft
manoeuvred during the approach. At Svalbard, it is very likely that terrain shielding occurred, since
AORE was lost during the latter part of each approach when it was predicted to be visible. There are
mountains, 3300ft high, to the south of Svalbard.
Figure 3 shows the number of Inmarsat satellites visible, plotted against the various airfields for the
last 5000 vertical feet of each approach. At least one geostationary satellite was visible at all times at
4
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
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Stockholm
Trondheim
Tromso
Svalbard
Bergen
Thule
Sondrestrom
Keflavik
Boscombe
Figure 3: Visibility of Inmarsat Satellites During Approaches
Boscombe Down, Stockholm, Trondheim, Bergen and Keflavik. At Tromso there was one 6s period
when no geostationary satellites were visible whilst at Sondrestrom two one second losses of
reception occurred, separated by approximately 5 minutes. Major problems were noted at Svalbard
and Thule, the most northerly landing sites, where no geostationary satellites were observed for
periods lasting up to 4.5 minutes. These outages are significant since during these intervals signals
could not be received from any of the Inmarsat satellites.
The reception of the GPS satellites was good throughout all the landings. The worst case was at
Svalbard when seven satellites were received. However this only lasted for 8 seconds and at all other
times 9 or more GPS satellites were visible.
One of the methods applied to assess the accuracy of the GPS navigation system uses the Dilution of
Precision (DoP) values to evaluate the performance provided by the system. If the Position-DoP
(PDoP) values were lower than 4, then the GPS system should have provided sufficient accuracy for
en-route operations. Using all the satellites tracked by the NovAtel receiver, the maximum PDoP
value was 3.85 and the mean 1.64. Hence the performance of the GPS system was very good and
was within the required limits. However these values are based on data from all GPS satellites in view
as tracked by the NovAtel receiver. The use of an elevation mask could have a very strong effect on
the DoP values.
Including the geostationary satellites as ranging sources would have caused the mean DoP values
during the trial to improve by around 15%. However the maximum PDoP values over the trial
occurred during the landing at Svalbard, when terrain shielding meant that fewer GPS satellites than
expected were visible and that no geostationary satellites were available. Hence the broadcast of
ranging signals by the Inmarsat satellites would not have improved the DoP values at that time.
In order that GPS can be certified for use as a sole-means or supplemental means of navigation for
civil aviation it must be shown to satisfy the Required Navigation Performance (RNP) defined by
accuracy, integrity, availability and continuity of service. Although the present GPS ground segment
monitors for failures, this information cannot be passed to users sufficiently quickly for aviation use.
One potential solution to this problem is to employ Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM)
algorithms, which makes use of redundant GPS positioning information within the onboard GPS
receiver.
The generally accepted RAIM algorithm is that of Constant False-Alarm-Rate (CFAR) suggested by
Sturza and Brown which has been used in this project’s integrity calculations. The algorithm can be
divided into two steps. The first compares a function of the pseudo-range residuals with a given
threshold level to evaluate the confidence in the navigation solution, whilst the second checks that the
probability of the RAIM algorithm missing the detection of an error is within specifications. When the
integrity geometry requirement was applied to all legs of the trial, it was satisfied at all times.
Availability is defined as the ability of the system to provide the navigation service with the required
accuracy and integrity, at any given time. Continuity is the ability of the system to continue to provide
this service, without interruption over a given period of time, given that it is available in the first place.
Considering the system to be available when the PDoP value was less than four and the RAIM
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100%
90%
80%
70%
60%
50%
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300
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AAA
AAA
AAA
AAA
AAA
AAA
3600
Length of Continous Service (s)
AAA
5 deg AAA
AAA7.5 deg.
AAA
10 deg. AAA
AAA15 deg.
Figure 4: Continuity of Service During Leg 1 at Various Mask Angles
geometry requirements were satisfied meant that availability was 100% for the entire trial. Hence
continuity of service was also 100%. Again it must be stressed that these results are dependant on
the mask angle. These results make use of all satellites in view and hence represent the most
favourable analysis of the recorded data. A mask angle of 7.5° is likely to be used in future systems
and the effect of differing mask angles on availability and continuity is considered in the following
section.
The availability and continuity of service were evaluated by defining various mask angles for the GPS
signal reception by constraining the calculation to accept only those points where the PDoP was
better than 4 and the integrity geometry requirements were satisfied. The results are shown in Figure
4. At a mask angle of 5° the system was available at all times and the continuity values are all 100%.
As the mask angle increases, the continuity drops off rapidly. At 7.5° the system is only available for
95% of the time, due to one period when the DoP requirement is not satisfied. From almost all of
these available points the service continues without interruption for periods of up to one minute. At a
mask angle of 10° the availability has dropped to 85% with two individual periods of loss of service,
while at 15° the availability has fallen to 71%. In each case, for approximately 99% of those points
when the system is available, the service continued to be provided for at least one minute. Beyond
one minute the continuity falls sharply. These results are all based on data from the first leg of the
trial which, because of an anomaly in the truth track, was known to have exceptional problems at high
mask angles. However a brief study of several other legs, suggests that altering the mask angle
would have a significant effect on both the PDoP values and perhaps on the satisfaction of the RAIM
geometry requirements. This in turn would change the availability and continuity of service levels.
Analysis of the data collected during this trial has shown that:
• at cruise altitude geostationary satellites were received as far North as 84°N;
• changes in aircraft attitude affected the received signal strengths from both the Inmarsat and GPS
satellites;
• masking of signals from the geostationary satellites by the aircraft tail, fin and fuselage was
observed;
• signals were received from satellites at relative elevations as low as -15°, well below the antenna
specification limits;
• at least one Inmarsat satellite was visible for 94% of the trial;
• excepting Svalbard and Thule and brief losses at Tromso and Sondrestrom, at least one
geostationary satellite was visible during all approaches;
• GPS coverage was excellent, with an all-in-view receiver tracking 7 or more satellites at all times;
• lateral accuracy of a standalone receiver was within 89m of the truth track;
• using all GPS satellites in view the GPS system geometry was sufficient to allow a RAIM
capability at all times;
• using all GPS satellites in view, GPS system availability was 100%;
• selection of a mask angle has a very strong influence on the number of visible satellites and in
some cases may actually compromise navigation accuracy and RAIM geometry.
The following recommendations are resulting from this flight trial:
6
• Comprehensive flight trials are needed to provide statistical evidence to confirm what the
presented results indicate. In particular, approach and landing phases of flight to airfields near the
edge of coverage should be studied including different approach routes which might be used in
practice.
• The influence of imposed mask angles and the resulting degradation of satellite navigation system
performance need further investigation to identify the most suitable values for those angles.
• Since the investigation of integrity presented here only considers when the theoretical geometry
requirements for the algorithm to work were satisfied, further trials should include an integrity
monitoring function to study whether the RAIM algorithms can actually detect and identify system
faults.
7
Sommaire du Rapport CEE No. 297
Tâche CEE No. AT65
Tâche EATCHIP FCO.ET3.ST07
Date: Avril 1996
Traduction en Français de l’avant-propos et du sommaire
AVANT-PROPOS
Les états européens et leurs organisations s’emploient à coordonner au maximum leurs activités de
navigation par satellites afin de faire bénéficier leurs utilisateurs, et ce, le plus rapidement possible,
des avantages des systèmes qui sont actuellement utilisés ou seront prochainement mis en service.
Ceci est fait en accord avec l’adoption par l’OACI du plan CNS/ATM selon lequel les nouvelles
technologies seront mises en place région par région. EUROCONTROL (l’Organisation européenne
pour la Sécurité de la Navigation aérienne) joue un rôle prépondérant dans la mise en place d’une
navigation par satellites en Europe par son travail en collaboration avec la Commission européenne
et l’Agence Spatiale Européenne, ainsi que par sa participation active au “Programme Européen
d’Harmonisation et d’Intégration du Contrôle du Trafic Aérien” (EATCHIP).
EUROCONTROL a été reconnu comme pouvant apporter sa contribution à la mise en service d’une
navigation par satellites tant en Europe que de par le monde dans les domaines suivants: tests,
validations et homologations. Les satellites géostationnaires apparaissent aujourd’hui comme des
compléments possibles aux GPS et GLONASS (les deux systèmes de localisation par satellites qui
sont les éléments principaux des systèmes de navigation par satellites de la première génération).
Cependant, certains s’inquiètent des conditions de réception des signaux géostationnaires aux
frontières de leur couverture, en particulier à grandes latitudes.
Le service offert par l’apport des satellites géostationnaires se situe à trois niveaux. Un signal
semblable à celui d’un GPS est émis par un transpondeur (charge utile de la navigation) situé sur le
satellite géostationnaire pour fournir un signal de mesure de pseudo-distance (“ranging”)
supplémentaire. Ce signal spécifique contient des informations sur l’intégrité de tous les satellites
GPS et d’autres informations qui servent à corriger de façon différentielle les signaux GPS sur de
larges zones. Ces trois niveaux de service sont: le “ranging”, l’intégrité d’émission et le différentiel
étendu.
Lors de sa 175e réunion en Mars 1994, le Comité de Gestion d’EUROCONTROL a adopté la Stratégie
de Navigation par Satellites et a accepté la création d’un groupe de travail “Applications de
Navigation par Satellites” (SNA) au sein du Domaine Futurs Concepts d’EATCHIP. Le Directeur
Général d’EUROCONTROL a présenté un rapport provisoire sur les activités du groupe SNA au
cours de la 177e session du Comité. Au cours de ces deux réunions, des questions ont été posées
quant à l’utilisation des signaux émis par les satellites géostationnaires à grandes latitudes. En
conséquence, lors de la 175e réunion, le Comité a reconnu qu’il fallait prêter plus d’attention au
problème des grandes latitudes et, à la 177e réunion, il a été demandé, entre autres, au Directeur
Général de veiller à ce que soient bien pris en compte les besoins des zones homogènes
européennes telles que les grandes latitudes.
Le projet d’EUROCONTROL “Surveillance de l’intégrité à grandes latitudes” (IMAHL) a été créé pour
répondre aux inquiétudes d’un certain nombre d’états membres. Ceux-ci pensaient que l’utilisation
des satellites géostationnaires pour affiner les émissions de “ranging” et l’intégrité des GPS et
GLONASS n’entraînerait que des améliorations minimes à grandes latitudes. Cette remise en cause
était fondée sur des analyses de visibilité géométrique qui ne prenaient en compte ni les contours de
visibilité de la cellule, ni les données d’aucun essai en vol. La réception de signaux n’est pas
exclusivement un problème de grandes latitudes mais il s’agit en réalité d’une difficulté que l’on
rencontre aux limites de réception des zones de couverture des satellites géostationnaires. Etant
donné la tendance actuelle très forte qui vise à utiliser des transpondeurs de navigation
géostationnaires pour les raisons que nous avons mentionnées et les problèmes de grandes latitudes
qui en découlent, il semblait naturel qu’EUROCONTROL organise des essais en vol afin d’étudier la
réception de signaux provenant de satellites géostationnaires dans les latitudes nord, ceci en utilisant
de véritables données plutôt qu’en ayant recours, une fois de plus, à une simulation.
8
A cette fin, EUROCONTROL, l’aviation civile britannique et la DRA de Bedford ont convenu que la
meilleure façon d’étudier ce problème était de faire un vol expérimental. Le BAC 1-11 de la DRA
utilisé comme plate-forme leur permettrait ainsi d’enregistrer les données des satellites GPS et
géostationnaires. L’élaboration en détail du projet a commencé en Mars 1994 avec pour objectif
d’effectuer l’essai en vol à la fin Octobre de cette même année. En raison de l’intérêt très vif
provoqué par cette étude, il a été décidé que deux rapports seraient remis à EUROCONTROL par la
DRA. Le premier décrirait en détail l’essai en vol et comprendrait une première analyse de certaines
données dont l’intérêt serait déterminé à première vue. Le deuxième rapport, plus complet, décrirait
l’analyse des données plus en détail et serait remis fin Juin 1995.
Ce document est le rapport de la DRA sur l’évaluation des données (c’est-à-dire le deuxième des
deux qui nous seront fournis). Il comprend une introduction et les détails du déroulement, le logiciel
pour évaluer les données et les résultats obtenus. La comparaison entre la visibilité observée des
satellites géostationnaires et les simulations théoriques met en relief la réception des signaux aux
zones limites de couverture et les effets provoqués lors des manœurvres de l’avion. On décrit la
visibilité du satellite géostationnaire en assistant tout particulièrement sur les approches et les
atterrissages. L’analyse de la performance du système GPS tout au long de l’essai a été étudiée en
fonction de la précision, disponibilité, continuité du service et l’évaluation de la capacité d’intégration.
Enfin, les effets provoqués par la modification de l’angle d’élévation du masquage et l’augmentation
des satellites géostationnaires comme source de distance ont été examinés. Le rapport se termine
par les conclusions et les conseils de la DRA. Le contenu de ce rapport est des plus importants et
vient à propos pour toutes les organisations qui cherchent à développer ou tirer profit de l’apport des
satellites géostationnaires aux GPS et GLONASS.
Nous désirons remercier tous ceux qui nous ont permis de réaliser ces essais en vol avec succès:
• Le personnel de la DRA qui a dû préparer l’appareil très rapidement et a fait en sorte que le vol se
déroule aussi agréablement que possible. En particulier, nous désirons remercier le Dr G.
Richards, M. R. Harlow et le Dr A. McGregor d’ avoir dirigé ce projet et remis ce rapport sur
l’évaluation des données.
• M. M. Asbury du “National Air Traffic Services” de l’aviation civile britannique pour avoir permis
qu’une grande partie de l’équipement de l’aviation civile qui était déjà installé à bord du BAC 1-11
puisse être mise à la disposition de la DRA, et pour avoir aidé EUROCONTROL pendant la phase
d’élaboration de ce projet.
• M. Tor Helgesen de l’aviation civile norvégienne pour avoir fait en sorte que le BAC 1-11 puisse
atterrir et utiliser les installations de l’aéroport de Svalbard à Spitsbergen. De fait, nous souhaitons
remercier tous les fonctionnaires britanniques et norvégiens qui nous ont permis d’obtenir
l’autorisation diplomatique pour l’avion à chaque étape.
• MM. G. Mack et W. Primavesi de Racal Survey (UK) Ltd pour avoir organisé l’enregistrement des
données pour les corrections de différentiel étendu GPS par le biais du réseau Racal Skyfix.
• MM. R. McKinlay and I. Ferebee de Racal Avionics Ltd pour nous avoir fourni les récepteurs de
communication satellites multi-canaux principaux et de secours.
• MM. J. Nagle et F. Ryan d’Inmarsat pour nous avoir fourni un récepteur GSV, les éphémérides
des satellites Inmarsat 2 et pour leur soutien sans faille tout au long de ce projet.
Andrew Watt
Bernd Tiemeyer
Responsables projets EUROCONTROL
9
SOMMAIRE
Il est pressenti que l’utilisation future d’un Système de navigation globale par satellite (GNSS) aura un
impact majeur sur la circulation des avions de lignes. Une phase intermédiaire, en cours d’étude, est
l’utilisation du système GPS actuel, renforcé
par des satellites géostationnaires émettant des
informations à propos de l’intégrité des satellites GPS/GLONASS, et des mesures de distance. Toutefois consécutivement à des études de visibilité théorique - Certains états européens ont fait part de leurs
inquiétudes à propos de la couverture par ces satellites aux latitudes nord et quant à la valeur des
signaux. Ces inquiétudes étaient fondées sur des analyses de visibilité géométrique, qui ne tenaient
compte ni de la visibilité des contours réels de l’appareil, ni de données de tests de vols réels. La
réception de signaux n’est pas un problème uniquement lié à des latitudes “septentrionales”, mais qui en
fait se produit également au niveau des limites de couverture des satellites géostationnaires. Vu
l’engouement à déployer des transpondeurs de navigation géostationnaire, dans le but cité ci-dessus, et le
problème associé des latitudes septentrionales, il était tout à fait adéquat qu’Eurocontrol organise un vol
d’essai pour étudier la réception de signaux des satellites géostationnaires aux latitudes nord, et ce avec
des données réelles plutôt que de compter sur des simulations supplémentaires.
A cette fin, EUROCONTROL, la CAA du Royaume-Uni et la DRA de Bedford ont déterminé comment ce
problème pourrait être examiné au mieux, au moyen d’un vol expérimental utilisant le BAC 1-11 du DRA
en tant que plate-forme, fournissant le moyen d’enregistrer des données GPS et de satellite
géostationnaire. C’est ainsi que le projet IMAHL d’EUROCONTROL “Integrity Monitoring at High
Latitudes” (surveillance de l’intégrité à des latitudes septentrionales) a été lancé. Le planning détaillé du
projet a débuté en mars 1994, avec pour but d’effectuer le vol d’essai en octobre de la même année. Ce
rapport présente les résultats de l’évaluation détaillée des données.
La route choisie inclut le BAC1-11 dans les limites de couverture de trois satellites géostationnaires
Inmarsat, à savoir, la région Océan Indien (IOR), la région est de l’Océan Atlantique (AORE) et la région
ouest de l’Océan Atlantique (AORW). Cette route représentée en Figure 1 est décrite en détail dans le
rapport du vol d’essai.
A bord, les données du BAC1-11 ont été enregistrées sur trois récepteurs GPS, un NovAtel 951R, un
Astech Z12 et un Trimble 4000SSE. En plus des trois récepteurs GPS, deux récepteurs de
communication satellite ont été installés afin de recevoir les signaux des satellites géostationnaires
Inmarsat. Le premier récepteur était un SDU Racal/Honeywell, à trois canaux, qui était capable de
surveiller simultanément les signaux diffusés par les trois satellites géostationnaires. Le second récepteur
était un GSV 1002 qui a été adapté pour recevoir des signaux de navigation test, sensés être diffusés du
satellite AORW. Racal Survey a été chargé d’établir une trajectoire de l’avion corrigée de manière
différentielle à partir de données enregistrées à bord et au travers du réseau Racal et de stations GPS
SkyFix au sol.
Lors de l’essai, trente trois heures de données ont été enregistrées à 1 Hz, ce qui a résulté en quelques
120 000 points de données. A chaque point de
donnée, on répertoriait lorsqu’il se produisait une
différence entre l’observation et la visibilité prévue
par un outil de simulation. Ceci se produisait soit
lorsqu’un satellite était vu alors qu’il n’était pas prévu,
ou bien non visible lorsqu’il était prévu. Ces résultats
ont été exprimés en pourcentage par rapport à tous
les points de données considérées, et ce séparément
pour les satellites Inmarsat et GPS.
Considérant en premier les résultats pour les
satellites Inmarsat, le nombre de cas pour lesquels
les satellites étaient vus alors qu’ils n’étaient pas
prévus par le modèle théorique était de moins de 1%
pour la plupart des trajets. Pour l’ensemble du vol,
des satellites géostationnaires n’ont pas été vus alors
qu’il était prévu qu’ils soient visibles dans
l’environnement théorique pour 3.7% des cas
possibles. Ceci dénote particulièrement de l’effet de
masquage du fuselage et effectivement l’utilisation
d’un modèle théorique dynamique réduit la valeur à
Figure 1: Route suivie par le vol expérimental 1.8%. Cette divergence qui demeure provient des
10
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
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50-55
55-60
60-65
65-70
70-75
75-80
3
AA2
AA
AA1
AA
0
80-85
Latitude Band
Figure 2: No. de satellites Inmarsat visibles par latitude
effets de terrain, puisque ces effets étaient le plus visible sur les trajets vers ou en dehors de Svalbard, où
l’aéroport est entouré de hautes montagnes.
Les résultats pour les satellites GPS sont similaires à ceux des satellites Inmarsat, bien qu’il y ait moins
de cas où les satellites GPS ont été vus sans avoir été prévus. Le fait que les satellites GPS soient
rarement positionnés dans les zones de masquage prévues, signifie que les différences sont moins
importantes entre les valeurs théoriques et les valeurs dynamiques théoriques que pour les satellites
Inmarsat.
Des statistiques ont été produites à partir de l’analyse des données pour présenter le nombre de satellites
visibles pour la totalité de l’essai. Il est à souligner que ces statistiques sont fondées sur un vol d’essai
particulier, et qu’elles varient en fonction du type d’appareil, de la configuration de l’antenne et de la route
utilisés. Ces statistiques ne devraient pas être généralisées à toutes les opérations aériennes dans ces
régions. Néanmoins elles donnent une idée de ce à quoi l’on pourrait s’attendre dans un tel
environnement opérationnel.
Les trois satellites Inmarsat étaient visibles sur une durée de plus de 40% de la totalité de l’essai, dont au
moins un qui a été visible pendant presque 94% du temps. La deuxième boucle nord hors de Svalbard à
faible altitude (niveaux de vols 180 et 190) a représenté environ les deux tiers du temps pendant lequel
aucun satellite Inmarsat n’était visible. La Figure 2 montre une décomposition du nombre de satellites
Inmarsat visibles par rapport à des tranches de latitudes variées. L’axe des ordonnées montre le laps de
temps pendant lequel un certain nombre de satellites étaient visibles, exprimé en pourcentage du temps
total que l’avion a passé dans cette tranche de latitude.
Comme prévu, la visibilité des satellites Inmarsat se réduisait au fur et à mesure que l’avion progressait
vers le nord. Le pire des cas s’est produit dans la tranche 80-85° où aucun satellite géostationnaire n’était
visible pendant 35% du temps, ce chiffre est tombé à 14% entre 75-80°. Un satellite était visible tout le
temps dans la tranche 70-75°, mais dans la tranche 65-70° aucun satellite Inmarsat n’était visible pendant
39 secondes, soit 0.2% du temps pour cette région.
Des recherches plus approfondies ont démontré que ces pertes sont réparties sur cinq trajets et résultent
de manoeuvres de l’appareil, notamment au décollage et lors des phases d’approche. En dessous de
65°N, au moins un Inmarsat était visible tout le temps.
Etant donné qu’un minimum de quatre satellites GPS sont nécessaires pour calculer une position tridimensionnelle, la visibilité du système GPS était généralement bonne. Avec le récepteur NovAtel
poursuivant tous les satellites en vue, le nombre minimum de satellites disponibles était de 7, et ce pour
seulement 0.7% du temps de l’essai. Les 10 canaux du récepteur ont poursuivi la trajectoire des satellites
pendant 68% du temps. Un récepteur “all-in-view” fournit suffisamment de canaux de réception pour
poursuivre la trajectoire de tous les satellites qui sont visibles du point de l’antenne des récepteurs.
Ensuite les signaux de ces satellites qui sont près de la ligne d’horizon de la terre pourraient
artificiellement être exclus du calcul de la navigation, par un angle de masquage défini par l’utilisateur,
pour des raisons de précision.
11
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
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Stockholm
Trondheim
Tromso
Svalbard
Bergen
Thule
Sondrestrom
Keflavik
Boscombe
Figure 3: Visibilité des satellites Inmarsat lors des approches
Les quatorze atterrissages de l’essai ont été étudiés en détail, approximativement du point de descente à
l’atterrissage, afin d’étudier dans quelle mesure les satellites géostationnaires étaient bien observés à
basse altitude alors que l’avion était en train de manoeuvrer. Comme prévu, les effets de masquage du
fuselage étaient flagrants lorsque l’appareil manoeuvrait lors de l’approche. A Svlabard, il est tout a fait
probable qu’un masquage dû au terrain se soit produit, puisque AORE était perdu lors de la dernière
partie de chaque approche alors qu’il était prévu qu’il soit visible. Il y a des montagnes hautes de 3300
pieds au sud de Svalbard.
La Figure 3 montre le nombre de satellites Inmarsat visibles, marqués par rapport aux différents terrain
d’aviation pour les 5000 derniers pieds verticaux de chaque approche. Au moins un satellite
géostationnaire était visible tout le temps à Boscombe Down, Stockholm, Trondheim, Bergen et Keflavik.
A Tromso, aucun satellite géostationnaire n’était visible pendant une période de six secondes, alors qu’à
Sondestrom deux pertes de réception d’une seconde chacune se sont produites, séparées
approximativement par 5 minutes. Les problèmes majeurs ont été rencontrés à Svalbard et à Thule, les
terrains d’atterrissage situés le plus au nord, où aucun satellite géostationnaire n’a été observé pendant
des durées pouvant atteindre 4 à 5 minutes. Ces lacunes sont significatives car, pendant ces périodes, les
signaux ne pouvaient être reçus par aucun satellite Inmarsat.
La réception des satellites GPS a été bonne pendant toute la durée de tous les atterrissages. Le pire des
cas s’est produit à Svalbard avec la réception seulement de sept satellites. Cependant cela n’a duré que 8
secondes et à toutes les autres périodes, 9 satellites GPS, ou plus étaient visibles.
Une des méthodes appliquées pour estimer la précision du système de navigation GPS utilise les valeurs
de Dilution de Précision (DoP) pour évaluer les performances produites par le système. Si les valeurs des
positions (PDoP) avaient été inférieures à 4, alors le système GPS aurait du fournir une précision
suffisante pour les opérations en-route. En utilisant tous les satellites poursuivis par le récepteur NovAtel,
les valeurs maximales PDoP étaient de 3,85 et la moyenne de 1,64. Par conséquent les performances du
système GPS étaient très bonnes et dans les limites requises. Cependant ces valeurs sont basées sur les
données de tous les satellites GPS en vue poursuivis par le récepteur NovAtel. L’utilisation d’un masque
d’altitude pourrait avoir des effets considérables sur les valeurs DoP.
Inclure les données des satellites géostationnaires en tant que sources de données à distance aurait induit
une progression d’environ 15% des valeurs DoP moyennes. Cependant les valeurs maximales PDoP pour
toute la durée de l’exercice se sont produites lors de l’atterrissage à Svalbard, en raison de l’effet de
masquage du terrain, moins de satellites GPS étaient visibles que prévu et aucun satellite géostationnaire
n’était disponible. De plus, l’émission de signaux à distance par les satellites Inmarsat n’aurait pas
amélioré les valeurs DoP à ce moment là.
Pour que le GPS soit certifié comme moyen unique ou supplémentaire de la navigation aérienne civile, il
faut prouver qu’il répond aux performances de navigation requises (RNP) définies par la précision,
l’intégrité, la disponibilité et la continuité du service. Bien que le segment-sol de l’actuel GPS contrôle les
pannes, cette information ne peut être transmise suffisamment rapidement à l’utilisateur pour un usage
dans l’aviation. Une solution potentielle à ce problème est d’employer les algorithmes “Receiver
Autonomous Integrity Monitoring” (RAIM) (surveillance de l’intégrité du récepteur autonome), contenues
12
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
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5
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AAA
AAA
3600
Length of Continous Service (s)
AAA
5 deg AAA
AAA7.5 deg.
AAA
10 deg. AAA
AAA15 deg.
Figure 4: Continuité du service dans le segment 1 à divers angles de masquage
dans le récepteur GPS embarqué, et qui utilisent alors des informations de positionnement GPS
redondantes.
L’algorithme RAIM généralement accepté est le taux constant de “fausse alarme” (CFAR) suggéré par
Sturza et Brown, qui a été utilisé pour les calculs d’intégrité de ce projet. L’algorithme peut être divisé en
deux phases. La première compare une fonction des résidus de pseudo-distance avec un niveau palier
donné pour évaluer le degré de confiance dans la solution de navigation, tandis que la seconde vérifie
que la probabilité, que l’algorithme RAIM manque la détection d’une erreur, est conforme aux
spécifications. Lorsque les exigences de la géométrie de l’intégrité ont été appliquées à tous les trajets
de l’essai, ces conditions étaient remplies à chaque fois.
La disponibilité est définie par la capacité du système à fournir le service de navigation avec l’exactitude
et l’intégrité requises, à n’importe quel moment. La continuité est la capacité du système à assurer ce
service, sans interruption lors d’une période de temps donné, sachant qu’il est disponible au départ.
Considérant le système disponible lorsque la valeur PDoP était de moins de quatre et que les exigences
de la géométrie RAIM étaient satisfaites, cela signifie que la disponibilité était de 100 % pour la totalité de
l’exercice. Ainsi la continuité du service était également de 100 %. Il doit être souligné à nouveau que ces
résultats dépendent de l’angle de masquage. Ces résultats utilisent tous les satellites en vue et
représentent donc l’analyse la plus favorable des données enregistrées. Un angle de masquage de 7,5°
sera probablement utilisé par les systèmes futurs, l’effet sur la disponibilité et la continuité d’angles de
masquage qui diffèrent est examiné au prochain paragraphe.
La disponibilité et la continuité du service ont été évaluées en définissant différents angles de masquage
pour la réception du signal GPS en contraignant la méthode de calcul à n’accepter que les points où la
PDoP était inférieure à quatre et où les exigences de géométrie intègre étaient satisfaites. Les résultats
se trouvent en Figure 4. A un angle de masquage de 5°, le système était à chaque fois disponible et les
valeurs de continuité étaient toutes à 100%. Au fur et à mesure que l’angle de masquage augmentait, la
continuité chutait rapidement. A 7,5° le système n’était disponible que 95% du temps, et ce en raison
d’une période de temps où les exigences du DoP n’étaient pas satisfaites. A partir de presque tous ces
points disponibles, le service a continué sans interruption pour des périodes allant jusqu’à une minute. A
un angle de masquage de 10° la disponibilité a chuté à 85% avec deux périodes individuelles de perte de
service, tandis qu’à 15° la disponibilité a chuté à 71%. Dans chaque cas, pour approximativement 99%
des points où le système était disponible, le service a continué à être fourni pour au moins une minute.
Au-delà d’une minute la continuité a chuté brusquement. Ces résultats sont tous fondés sur des données
du premier trajet de l’essai, qui en raison d’une anomalie dans la trajectoire, était connu pour avoir des
problèmes exceptionnels à des angles de masquage élevés. Cependant une brève étude de plusieurs
autres trajets suggère qu’une modification de l’angle de masquage aurait un effet significatif à la fois sur
les valeurs PDoP et peut-être sur la satisfaction des exigences de la géométrie RAIM. Mais ceci
changerait la disponibilité et la continuité des niveaux de service.
L’analyse des données collectées durant l’essai a montré que :
• à une altitude de croisière, les satellites géostationnaires étaient reçus jusqu’à 84° N ;
• les changements de comportement de l’avion affectaient la puissance des signaux reçus, à la fois des
satellites Inmarsat et GPS ;
13
• le masquage des signaux des satellites géostationnaires par la dérive de l’avion, l’empennage et le
fuselage a été observé ;
• des signaux ont été reçus des satellites à des altitudes relatives aussi basses que -15°, bien en
dessous des limites de spécification de l’antenne ;
• au moins un satellite Inmarsat était visible pendant 94% de l’essai ;
• exceptions faites de Svalbard et Thule et de brèves pertes à Tromso et Sondrestrom, au moins un
satellite géostationnaire était visible lors de toutes les approches ;
• la couverture GPS était excellente, avec un récepteur “all-in-view” poursuivant au moins 7 satellites ;
• la précision latérale d’un récepteur autonome était de l’ordre de 89 m par rapport à la trajectoire réelle
;
• l’utilisation de tous les satellites GPS en vue dans la géométrie du système GPS était suffisante pour
permettre au RAIM d’être efficace à chaque fois ;
• lors de l’utilisation de tous les satellites GPS en vue, la disponibilité du système GPS était de 100% ;
• le choix de l’angle de masquage a une très forte influence sur le nombre de satellites visibles et dans
certains cas, celui-ci peut également fausser la précision de la navigation et la géométrie RAIM.
Il résulte de ce vol les recommandations suivantes :
• Des vols d’essai explicites sont nécessaires pour établir la preuve statistique qui confirme ce que les
résultats présentés ici indiquent. En particulier, les phases d’approche et d’atterrissage sur des terrains
se trouvant à la limite de couverture devraient être étudiées en y incluant différentes routes d’approche
qui pourraient être mises en pratique.
• L’influence d’angles de masquage imposés et la dégradation des performances du système de
navigation par satellite en résultant nécessitent des investigations approfondies afin d’identifier les
valeurs les mieux adaptées à ces angles.
Puisque l’étude de l’intégrité présentée ici ne tient compte que des situations où les exigences de
géométrie théorique étaient satisfaites pour que l’algorithme fonctionne, d’autres essais devraient
comprendre une fonction de surveillance de l’intégrité afin d’étudier si les algorithmes RAIM peuvent
vraiment détecter et identifier les anomalies du système.
14