Date of Award

3-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Space Science (MSSS)

Department

Physics

First Advisor

Dr. Mohammad Abdel-Hafez

Second Advisor

Dr. Alina Hasbi

Abstract

Recently, there has been a resurgent demand in the United Arab Emirates for more accurate positioning, navigation, and timing signals, especially for some targeted applications such as autonomous vehicles and flying taxis. The existing Global Navigation Satellite Systems (GNSS) provide real-time positioning accuracy for up to several meters, while the targeted applications require fast convergence of centimeterlevel positioning accuracy. Recent studies have shown that transmitting GNSS signals from a Low Earth Orbit (LEO) instead of a Medium Earth Orbit (MEO) would enhance positioning accuracy. The main objective of this thesis is to design and simulate an optimum scenario of a mini-LEO constellation transmitting GNSS signals in LEO and assess its performance using a GNSS simulator tool. The second objective is to evaluate the performance of a ground-based GNSS receiver receiving GNSS signals from LEO regarding the receiver’s time to lock, locking period, continuity, Position Dilution of Precision (PDOP) and 3D positioning accuracy. The final objective is to compare the performance of the simulated mini-LEO GNSS constellation with the existing MEO GPS and Galileo. Skydel GNSS simulator tool, single frequency L1/E1 ublox receiver, Systems Tool Kit (STK), and u-center software were used to conduct this research. The best simulated LEO scenario had a design consisting of 35 satellites at 800 km altitude, distributed into 5 planes, with 7 satellites in each plane, the planes were 45° apart and the satellites were 30° in each plane. The results showed a range of PDOP values from 2.1 to 3.3, 3D positioning accuracy of 5.86 m, and the time the receiver took to lock was about 1 minute with a maximum locking period of 3 minutes and with no continuity. The results obtained from the simulated LEO constellation assessed using the ublox receiver were no better than those of the simulated MEO GPS and Galileo. The main reason behind the obtained results is that the current GNSS receivers are not designed to cope with the higher dynamics of the satellites in LEO.

Arabic Abstract

في الآونة الأخيرة، هناك طلب متزايد في دولة الإمارات العربية المتحدة على إشارات أكثر دقة لتحد المواقع والملاحة والتوقيت، خاصة بالنسبة لبعض التطبيقات المستهدفة مثل السيارات ذاتية القيادة و التاكسي الجوي ذاتي القيادة. توفر الأنظمة الحالية لتحديد المواقع (GNSS) دقة تصل إلى عدة أمتار باستخدام الوقت الفعلي لتحديد المواقع، بينما تتطلب التطبيقات المستهدفة دقة سريعة تصل إلى عدة سنتيمترات. لقد أظهرت دراسات حديثة أن إرسال إشارات نظام الملاحة العالمي من المدار المنخفض للأرض بدلا من المدار المتوسط من شأنه أن يعزز دقة تحديد المواقع.
الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو تصميم ومحاكاة أمثل سيناريو لكوكبة مصغرة من الأقمار الصناعية ترسل إشارات أنظمة الملاحة العالمية من المدار الأرضي المنخفض، وتقييم أدائها باستخدام جهاز محاكاة أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية. الهدف الثاني من هذه الأطروحة هو تقييم أداء المستقبل الأرضي (GNSS Receiver) الذي يتلقى الإشارات المرسلة من نظام الملاحة العالمية في المدار الأرضي المنخفض من حيث الوقت الذي يستغرقه المستقبل لتتبع أربعة أقمار صناعية، فترة التتبع، استمرارية التتبع، قوة الأبعاد الهندسية للأقمار الصناعية (PDOP)، ودقة الموقع ثلاثي الأبعاد. والهدف الأخير من هذه الأطروحة هو مقارنة أداء سيناريو محاكاة الكوكبة المصغرة من الأقمار الصناعية للملاحة العالمية في المدار الأرضي المنخفض مع الأنظمة الحالية للملاحة العالمية في المدار الأرضي المتوسط مثل نظام غاليليو التابع للاتحاد الأوروبي (Galileo) ونظام جي بي اس التابع للولايات المتحدة الأمريكية (GPS)‎. ‏
تم استخدام أداة محاكاة أنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية سكايدل (Skydel))،‏ والمستقبل الأرضي أحادي التردد يوبلكس (ublox L1/E)، وبرنامج محاكاة الأنظمة (STK)، وبرنامج يوسنتر (u-center) لإجراء هذا البحث. كان أمثل تصميم لمحاكاة الكوكبة المصغرة من الأقمار الصناعية للملاحة العالمية في المدار الأرضي المنخفض يتكون من 35 قمراً صناعياً على ارتفاع 800كم، موزعة على خمس مدارات في كل مدار سبعة أقمار صناعية، وكانت المدارات متباعدة عن بعضها البعض °45 والأقمار الصناعية متباعدة عن بعضها البعض °30. أظهرت نتائج تقييم أداء هذا التصميم قيمة 2.1 إلى 3.3 لقوة الأبعاد الهندسية للأقمار الصناعية، ودقة الموقع ثلائي الأبعاد تصل إلى 5.86 متر، والوقت الذي استغرقه المستقبل الأرضي لتتبع أربعة أقمار صناعية كان حوالي دقيقة واحدة، مع أقصى فترة تتبع وصلت إلى ثلاثة دقائق، وبدون استمرارية. وكانت النتائج التي تم الحصول عليها من الكوكبة المصغرة للأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض أسوأ من التي تم الحصول عليها عند تقييم أداء الأنظمة الحالية للملاحة العالمية في المدار الأرضي المتوسط. السبب الرئيسي الذي يكمن خلف النتائج التي تم الحصول ﻋﻠﯿﮭﺎ ھﻮ أن اﻟﻤﺴﺘﻘﺒﻼت اﻷرﺿﯿﺔ اﻟﺤﺎﻟﯿﺔ ﻟﯿﺴﺖ ﻣﺼﻤﻤﺔ ﻻﺳﺘﻘﺒﺎل إﺷﺎرات ﺗﺤﺪﯾﺪ اﻟﻤﻮاﻗﻊ ﻣﻦ اﻟﻤﺪار اﻷرﺿﻲ اﻟﻤﻨﺨﻔﺾ، وﺧﺼﻮﺻﺎ ﻋﻨﺪ اﻷﺧﺬ ﺑﻌﯿﻦ اﻻﻋﺘﺒﺎر اﻟﺪﯾﻨﺎﻣﯿﻜﯿﺎت اﻟﻌﺎﻟﯿﺔ ﻟﻸﻗﻤﺎر اﻟﺼﻨﺎﻋﯿﺔ ﻓﻲ ھﺬا اﻟﻤﺪار.

Download
COinS