Ett projekt som utnyttjar Global Navigation Satellite Systems (GNSS) för att upprätta ritningen för världens mest exakta realtidspositioneringstjänst kommer att köras vid University of Nottingham.

Tjänsten, som ska utvecklas på prototypnivå, kommer att gynna säkerhetskritiska industrier som luftfart och sjöfart, såväl som applikationer som är beroende av hög noggrannhet såsom offshore-borrning och produktionsverksamhet, muddring, konstruktion, jordbruk och förarlösa bilar och drönare, bara för att nämna några.

Det EU-finansierade TREASURE-projektet, kommer att integrera signaler från satellitnavigeringssystem som GPS, lanserad av USA, tillsammans med ryska GLONASS, Kinas BeiDou och Europas nya Galileo-system.

Att kombinera dessa olika satellitsystem för att fungera tillsammans är en ny utveckling som kallas multi-GNSS, vilket är nyckeln till att ge omedelbar, hög noggrann positionering var som helst i världen.

Det fyraåriga projektet kommer att fokusera på en tjänst som tar den nuvarande användningen av GNSS - normalt baserat på bara ett eller två system - till nästa nivå, för att ge noggrannhet på några centimeter i realtid, öppnar en mängd nya möjligheter.

Störningar i atmosfären

En av de viktigaste aspekterna av forskningen är att mildra effekterna av atmosfären, särskilt relaterat till rymdväder, vilket ofta kan skapa försämrande förhållanden som avsevärt minskar satellitkommunikation och positioneringsnoggrannhet.

Styrs av solens interaktion med jordens magnetfält, jonosfären (det övre lagret av jordens atmosfär) kännetecknas av närvaron av fria elektroner, som stör en satellits signal som passerar genom den.

Huvudsakligen, men inte bara när solaktiviteten är hög, oregelbundenheter i elektrontätheten kan bildas i jonosfären, vilket kan orsaka signaldiffraktion och leda till scintillation – en spridning av satellitsignalen som gör det svårt för en GNSS-mottagare att låsa sig på satelliten och beräkna dess position.

Detta har en särskilt störande effekt på positioneringsteknik, särskilt vid hög latitud eller ekvatorialområden, som i norra Europa eller i Brasilien, respektive.

Liknande, troposfären, ett nedre skikt av atmosfären, stör också signalerna. Närvaron av vattenånga i denna neutrala del av atmosfären kan skapa ytterligare en störande effekt på satellitsignalerna, vilket också påverkar GNSS-noggrannheten.

Korrigera alla ingripande fel

Projektet syftar till att utveckla nya felmodeller, positioneringsalgoritmer och dataassimileringstekniker för att övervaka, förutsäga och korrigera inte bara effekterna av atmosfären utan också signalförsämring på grund av konstgjorda störningskällor, vilket också kan begränsa positioneringsnoggrannheten.

Signalbehandlingstekniker - skräddarsydda för egenskaperna hos de störande signalerna - kommer att användas för att förbättra kvaliteten på mätningarna och i slutändan för att generera tillförlitliga positionslösningar.

Dessutom, TREASURE-forskare kommer också att utveckla nya multi-GNSS-produkter med exakt omloppsbana och klockor i realtid, speciellt för användning med det nya Galileo-systemet.

Omfattande branschpotential för exakt multi-GNSS-tjänst

Alla dessa problem utgör betydande risker för de många offentliga och industriella sektorer som nu förlitar sig på GNSS eller syftar till att använda det för att övervinna växande humanitära utmaningar som mat eller energiproduktion.

Projektledare, Dr Marcio Aquino, från Nottingham Geospatial Institute sa:"En mycket exakt multi-GNSS-tjänst kan, till exempel, hjälpa krävande markbaserade applikationer som precisionsjordbruk, ge bönder tillgång till exakt lokaliserad datainsamling och analys i realtid för att maximera livsmedelsproduktionen, minska kostnaderna och minimera användningen av bekämpningsmedel. "

"På andra sidan av spektrumet, en djuphavsborrplattform som upplever någon tillfällig försämring av positioneringsnoggrannheten kan leda till fenomenala förluster precis vid en tidpunkt då, på grund av det nuvarande oljeproduktionsklimatet, företag strävar efter att öka den operativa effektiviteten. Den här branschen skulle också dra nytta av en sådan exakt multi-GNSS-tjänst."

Galileos betydelse

Senast 2020, Galileo, det europeiska GNSS-systemet (EGNSS) kommer att fungera fullt ut och tillhandahålla positioneringsdata med oöverträffad noggrannhet. Galileo kommer att konkurrera men, avgörande, kommer också att vara interoperabel med GPS, som har varit ledande inom alla GNSS-system, dominerat marknaden i över 20 år.

Enligt Dr Aquino:"Utvecklingen av EGNSS och dess integration med andra satellitsystem är avgörande för Europas konkurrenskraft på denna marknad, därför EU:s intresse av att finansiera detta projekt. "

Studien kommer att fokusera på två befintliga GNSS-tekniker som kallas PPP (Precise Point Positioning) och NRTK (Network Real Time Kinematic). Båda använder GPS och GLONASS, men skulle potentiellt kunna möta framtida positioneringskrav med hög noggrannhet i realtid när Galileo är helt integrerad, och om TREASURE är framgångsrik.

Fördelar och begränsningar med PPP och NRTK

NRTK-tekniken använder fasta referensstationer som driver högkvalitativa GNSS-mottagare på noggrant undersökta referensplatser för att säkra exakta GNSS-positionsdata.

Överföringen av korrigeringar från referensplatser till användare är kärnan i NRTK. Teknikens effektivitet bygger på den rumsliga korrelationen av fel mellan användare och referens, som måste placeras mindre än 20-30 km från varandra - tillräckligt kort avstånd för att tillåta potentiella signalfel att "avbryta".

Om atmosfäriska variationer mellan referens och användare är starka, ett större antal referensstationer kan behövas, vilket gör tekniken mindre kostnadseffektiv.

I motsats till NRTK, PPP förlitar sig inte på fel som "avbryter" mellan användaren och en känd referensstation. Användaren manövrerar sin mottagare oberoende av förekomsten av närliggande stationer med kända koordinater.

Detta uppnås genom att integrera extern information i lösningen, i form av mycket precisa satellitklockor och kretsloppsprodukter härledda från globala nätverk och tillgängliga antingen gratis eller kommersiellt.

Dock, den exakta förutsägelsen av atmosfärens tillstånd, också avgörande för PPP, är normalt inte tillgänglig från dessa globala nätverk - att övervinna denna situation är ett av huvudmålen med SKATT.

Skapa en kritisk massa och testa marknadspotential

SKATT, finansierat av EU:s ramprogram för forskning och innovation Horisont 2020, sammanför fyra toppuniversitet, ett forskningsinstitut och fyra ledande europeiska företag för att tillhandahålla den forskning som kommer att resultera i den ultimata EGNSS-lösningen med hög precision.

Projektgruppen kommer att utbilda och arbeta tillsammans med 13 Marie Skłodowska-Curie-stipendiater som kommer att öronmärkas som högtflygande kandidater för framtida anställningar i den växande GNSS-branschen eller som specialistforskare.

Fellows kommer att bygga ett prototypverktyg för att stödja de olika PPP- och NRTK-behoven och testa vilket kommersiellt intresse det finns för att få ut den framtida tjänsten på marknaden.