Expediting Submarine Positioning Solution Convergence with the Integration of Galileo

Abstract

For safe navigation, submarines rely on two complex systems - satellite navigation and inertial navigation – which are integrated to maximize technological capability. As complementary systems, the inertial navigation system requires periodic position updates from global navigation satellite systems to nullify the inherent positioning uncertainty that accumulates while the submarine is underwater and out of satellite connectivity. When submarines return to the surface, they aim to remain covert as much as possible, which includes limited antenna exposure above the surface of the water. Thus satellite positioning updates must be attained as quickly as possible.

The initial fix of any satellite navigation receiver is relatively inaccurate, with the solution improving as more satellites are acquired and information is processed. While solution convergence times can span many minutes to reach maximum accuracy, submarines only need to expose their antenna long enough to get a solution that meets the navigation system’s accuracy threshold. A novel term “Time to First Good Fix” is introduced in this paper, quantifying the duration between antenna exposure and a first position estimate that meets the submarine’s accuracy threshold. A receiver that maintains a low time to the first “good fix” ensures the submarine can dive again with updated navigation information while spending minimal time at or near the surface.

Previous studies on multi-GNSS receivers outline their benefits relative to single-GNSS receivers, including increased positioning accuracy and system reliability. This thesis investigates whether a GPS+Galileo receiver computes a position estimate that meets an accuracy threshold quicker than a GPS-only receiver, particularly in a remote maritime environment where it cannot benefit from the number of augmentation services available to GNSS users. A series of side-by-side, full field of view tests with a GPS-only receiver and a GPS+Galileo receiver are conducted to analyze the differences in solution convergence times. The results show that a GPS+Galileo receiver can attain a 4-meter positioning accuracy 27 seconds or 45% faster than a GPS-only receiver. Despite the GPS-only receiver always outputting a position estimate quicker, the GPS+Galileo receiver was always more accurate and provided accurate positioning data quicker regardless of the user’s accuracy threshold. Although GPS and Galileo work with different message structures and data rates, their interoperability results in a GPS+Galileo receiver having more available satellites and more optimal satellite geometry which results in expedited solution convergence. The minutes following the first accurate positioning data are also more stable, enabling better positioning data input for the submarine’s integrated navigation system for underwater navigation. Galileo’s interoperability with GPS, worldwide availability, continuing operational maturity, and the availability of multi-GNSS receivers mean that submarines could enhance their navigation and operational capability with minimal changes to procedures, requirements, infrastructure, and signal processing. These results shows that a receiver that capitalizes on the similarities and availability of both GPS and Galileo could offer submarines expedited fixing times for similar cost and negligible change to their current navigation system configuration.

Pour une navigation sûre, les sous-marins s'appuient sur deux systèmes complexes - la navigation par satellite et la navigation inertielle - qui sont intégrés pour maximiser la capacité technologique. En tant que systèmes complémentaires, le système de navigation inertielle nécessite des mises à jour périodiques de position à partir des systèmes mondiaux de navigation par satellite pour annuler l'incertitude de positionnement inhérente qui s'accumule lorsque le sous-marin est sous l'eau et hors de la connectivité satellite. Lorsque les sous-marins remontent à la surface, ils visent à rester aussi discrets que possible, ce qui inclut une exposition limitée de l'antenne au-dessus de la surface de l'eau. Ainsi, les mises à jour de positionnement par satellite doivent être obtenues aussi rapidement que possible.

La position initiale de tout récepteur de navigation par satellite est relativement imprécise, la solution s'améliorant à mesure que davantage de satellites sont acquis et que les informations sont traitées. Bien que les temps de convergence de la solution puissent s'étendre sur de nombreuses minutes pour atteindre une précision maximale, les sous-marins n'ont besoin d'exposer leur antenne que suffisamment longtemps pour obtenir une solution répondant au seuil de précision du système de navigation. Un terme novateur "Temps pour le premier bon positionnement" est introduit dans cet article, quantifiant la durée entre l'exposition de l'antenne et une première estimation de position qui répond au seuil de précision du sous-marin. Un récepteur qui maintient un faible temps pour le premier "bon positionnement" assure que le sous-marin peut plonger à nouveau avec des informations de navigation mises à jour tout en passant un temps minimal à ou près de la surface.

Les études précédentes sur les récepteurs multi-GNSS soulignent leurs avantages par rapport aux récepteurs mono-GNSS, notamment une précision de positionnement accrue et une fiabilité du système. Cette thèse examine si un récepteur GPS+Galileo calcule une estimation de position qui répond à un seuil de précision plus rapidement qu'un récepteur GPS seul, en particulier dans un environnement maritime éloigné où il ne peut pas bénéficier du nombre de services d'augmentation disponibles pour les utilisateurs de GNSS. Une série de tests côte à côte, avec un récepteur GPS seul et un récepteur GPS+Galileo, sont menés pour analyser les différences dans les temps de convergence de la solution. Les résultats montrent qu'un récepteur GPS+Galileo peut atteindre une précision de positionnement de 4 mètres 27 secondes ou 45% plus rapidement qu'un récepteur GPS seul. Bien que le récepteur GPS seul fournisse toujours une estimation de position plus rapidement, le récepteur GPS+Galileo était toujours plus précis et fournissait des données de positionnement précises plus rapidement, quel que soit le seuil de précision de l'utilisateur. Bien que le GPS et Galileo fonctionnent avec des structures de messages et des débits de données différents, leur interopérabilité résulte en un récepteur GPS+Galileo ayant plus de satellites disponibles et une géométrie satellitaire plus optimale, ce qui accélère la convergence de la solution. Les minutes suivant les premières données de positionnement précises sont également plus stables, permettant une meilleure entrée de données de positionnement pour le système de navigation intégré du sous-marin pour la navigation sous-marine. L'interopérabilité de Galileo avec le GPS, sa disponibilité mondiale, sa maturité opérationnelle continue et la disponibilité des récepteurs multi-GNSS signifient que les sous-marins pourraient améliorer leur capacité de navigation et opérationnelle avec des changements minimes aux procédures, exigences, infrastructure et traitement du signal. Ces résultats montrent qu'un récepteur qui tire parti des similitudes et de la disponibilité à la fois du GPS et de Galileo pourrait offrir aux sous-marins des temps de fixation accélérés pour un coût similaire et un changement négligeable de leur configuration actuelle du système de navigation.