Desenvolvimento de um protótipo de GBAS multifrequência multiconstelação GNSS - De Souza, Felipe Tintino Linhares [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2026)
O GBAS (Ground Based Augmentation System) é um sistema de aumento responsável por garantir a manutenção dos parâmetros de qualidade (integridade, continuidade, acurácia e disponibilidade) relacionados ao posicionamento GNSS (Global Navigation Satellite System) aplicado na aviação. Esse sistema é baseado no método de posicionamento DGNSS (Differential GNSS), no qual as estações de referência, em solo, geram correções de pseudodistância que são transmitidas à aeronave, com a finalidade de melhorar sua precisão posicional para auxiliar nos procedimentos de aproximação. De acordo com a ICAO (Organização Internacional de Aviação Civil), o GBAS está certificado a usar a frequência L1 do GPS e do GLONASS. A frequência L2 não é utilizada por não estar incluída no espectro de frequências protegidas para aplicações da aviação. No futuro, a frequência L5 e outras constelações (como Galileo e BeiDou) poderão ser adicionadas, permitindo que o GBAS se torne mais robusto, principalmente para atenuar os efeitos sistemáticos decorrentes da ionosfera. A inclusão de novos sinais e constelações GNSS na aviação depende da realização de pesquisas e investigações para dar suporte às futuras mudanças e implementações que ocorrerão. Este trabalho teve como finalidade o desenvolvimento de um algoritmo GBAS, capaz de operar com GNSS Dupla constelação e Multifrequência, possibilitando seu uso na navegação aérea, chamado de GBAS UNESP Experimental. Para este estudo, utilizou-se dados GNSS de 5 estações de referência da rede INCT GNSS NavAer, sendo 4 consideradas como estações localizadas próximas a um determinado aeroporto (PRU2, PRU4, DMC1 e MOR3) e uma simulando a aeronave, mas de forma estática (STAV). O desenvolvimento do algoritmo foi em linguagem Matlab, utilizando as observáveis pseudodistância e fase da onda portadora coletadas com um intervalo amostral de 0,5 s com uma máscara de elevação de 10°, nas frequências L1/E1 e L5/E5a dos sistemas GPS e Galileo, respectivamente. A partir de dados GNSS utilizados, foram analisados o desempenho de cada subsistema GBAS (Solo e Aeronave). Foram realizados dois experimentos: sendo um sem ocorrência de cintilações ionosféricas e outro em um dia com ocorrência de forte cintilação ionosférica. O primeiro dia selecionado foi o DOY 159/2024 (07 de junho de 2024) e o segundo dia foi DOY 083/2024 (23 de março de 2024), sem e com ocorrência de cintilação ionosférica, respectivamente. No primeiro experimento avaliou os métodos de processamento de simples frequência (SF – Single-Frequency) utilizando portadoras L1/E1 e L5/E5a para avaliar o desempenho do programa nos subsistemas de solo e aeronave, considerando os limiares para a categoria CAT-I (serviço GAST-C). O segundo experimento seguiu a mesma metodologia, sendo adicionada a combinação linear Iono-Free (IF) para uma avaliação mais ampla. Em ambos os cenários, o subsistema de solo apresentou desempenho consistente e satisfatório com o que se encontra descrito na literatura utilizada. Para o subsistema da aeronave, os resultados do primeiro experimento indicaram que o componente horizontal atendeu aos requisitos de integridade na maioria das épocas (99,879% para SF L1/E1 e 99,833% para SF L5/E5a), enquanto o componente vertical, embora com disponibilidade superior a 93%, mostrou maior sensibilidade aos efeitos sistemáticos nos sinais GNSS. No segundo experimento, sob forte cintilação, a combinação IF demonstrou desempenho superior, alcançando 99,999% de disponibilidade no componente horizontal, com apenas uma perda de integridade e nenhuma ocorrência de nível de proteção ultrapassando os limites de alerta. Na componente vertical, a IF também superou outros métodos, com 91,7% de épocas operacionais, com menos perdas de integridade e com menor percentual de sistema inutilizável (8,24%). Esses resultados reforçam a robustez da combinação IF, especialmente sob fortes condições de cintilação ionosférica. Uma análise adicional foi realizada a fim de comparar os resultados da implementação com os advindos do software PEGASUS, desenvolvido pela EUROCONTROL. Os resultados obtidos para o dia sem cintilação ionosférica (DOY 159/2024), foram analisados separadamente para os segmentos de solo e aeronave. No solo, compararam-se as correções de pseudodistância para as combinações SF L1/E1, SF L5/E5a e IF. Na aeronave, avaliaram-se os erros de posição e níveis de proteção para SF L1/E1 e IF, pois o software não processa SF L5/E5a. A partir desta análise comparativa, o Experimental UNESP GBAS apresentou comportamento geral compatível com o software de referência PEGASUS, embora com maior variabilidade, especialmente no segmento da aeronave, onde foram observados erros verticais de até aproximadamente 1,7 m, com médias de erro da ordem de 0,6 a 0,7 m, enquanto na componente horizontal as diferenças foram menores, com médias de erro inferiores a 0,5 m. Os resultados mostraram que o sistema desenvolvido apresenta resultados válidos, mas refinamentos são necessários para garantir a robustez e a integridade exigidas em aplicações na navegação aérea.

GBAS (Ground Based Augmentation System) is an augmentation system responsible for ensuring the maintenance of quality parameters (integrity, continuity, accuracy, and availability) related to GNSS (Global Navigation Satellite System) positioning applied in aviation. This system is based on the Differential GNSS (DGNSS) positioning method, in which ground reference stations generate pseudorange corrections that are transmitted to the aircraft to improve its positional accuracy to assist in approach procedures. According to the ICAO (International Civil Aviation Organization), GBAS is certified to use the L1 frequency of GPS and GLONASS. The L2 frequency is not used because it is not included in the spectrum of frequencies protected for aviation applications. In the future, the L5 frequency and other constellations (such as Galileo and BeiDou) may be added, allowing GBAS to become more robust, especially to mitigate the systematic effects of the ionosphere. The inclusion of new GNSS signals and constellations in aviation depends on research and investigation to support future changes and implementations. The purpose of this work was to develop a GBAS algorithm capable of operating with dual-constellation and multi-frequency GNSS, enabling its use in air navigation, called GBAS UNESP Experimental. For this study, GNSS data from five reference stations in the INCT GNSS NavAer network were used, four of which were considered stations located near a specific airport (PRU2, PRU4, DMC1, and MOR3) and one simulating the aircraft, but in a static manner (STAV). The algorithm was developed in Matlab, using the observable pseudorange and carrier phase collected at a sampling interval of 0.5 s with an elevation mask of 10°, at frequencies L1/E1 and L5/E5a of the GPS and Galileo systems, respectively. Based on the GNSS data used, the performance of each GBAS subsystem (Ground and Aircraft) was analyzed. Two experiments were conducted: one without ionospheric scintillation and another on a day with strong ionospheric scintillation. The first day selected was DOY 159/2024 (June 7, 2024) and the second day was DOY 083/2024 (March 23, 2024), without and with ionospheric scintillation, respectively. The first experiment evaluated single-frequency (SF) processing methods using L1/E1 and L5/E5a carriers to assess the program's performance in ground and aircraft subsystems, considering the thresholds for the CAT-I category (GAST-C service). The second experiment followed the same methodology, adding the Iono-Free (IF) linear combination for a broader evaluation. In both scenarios, the ground subsystem performed consistently and satisfactorily with what is described in the literature used. For the aircraft subsystem, the results of the first experiment indicated that the horizontal component met the integrity requirements in most seasons (99,879% for SF L1/E1 and 99,833% for SF L5/E5a), while the vertical component, although with availability greater than 93%, showed greater sensitivity to systematic effects on GNSS signals. In the second experiment, under strong scintillation, the IF combination demonstrated superior performance, achieving 99,999% availability in the horizontal component, with only one loss of integrity and no occurrence of protection levels exceeding the alert limits. In the vertical component, IF also outperformed other methods, with 91,7% of operational periods, fewer integrity losses, and a lower percentage of unusable system (8,24%). These results reinforce the robustness of the IF combination, especially under strong ionospheric scintillation conditions. An additional analysis was carried out to compare the implementation results with those from the PEGASUS software developed by EUROCONTROL. The results obtained for the day without ionospheric scintillation (DOY 159/2024) were analyzed separately for the ground and aircraft segments. On the ground, pseudorange corrections for SF L1/E1, SF L5/E5a, and IF combinations were compared. On the aircraft, position errors and protection levels for SF L1/E1 and IF were evaluated, as the software does not process SF L5/E5a. Based on this comparative analysis, the UNESP GBAS experiment showed overall performance consistent with the PEGASUS reference software, although with greater variability, especially in the aircraft segment, where vertical errors of up to approximately 1,7 m were observed, with average errors of around 0,6 to 0,7 m. while in the horizontal component the differences were smaller, with average errors of less than 0,5 m. The results showed that the developed system presents valid results, but refinements are necessary to ensure the robustness and integrity required in air navigation applications.
Development of a multifrequency multiconstellation GNSS GBAS prototype
Keywords: GBAS; GNSS; Efeitos da Ionosfera; Navegação Aérea; INCT GNSS NavAer; GBAS; GNSS; Ionosphere Effects; Air Navigation; INCT GNSS NavAer