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Analysis of GNSS raw observations in PPP solutions

Erik, Schönemann:
Analysis of GNSS raw observations in PPP solutions.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3843]
Schriftenreihe der Fachrichtung Geodäsie (42). Darmstadt ISBN 978-3-935631-31-0
[Buch], (2013)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3843

Kurzbeschreibung (Abstract)

Global navigation satellite systems (GNSS) are an essential component in many areas of our daily life. They find application in diverse fields of private, commercial and scientific activities and are employed to meet the needs of police and military. Their fundamental importance for industrial countries is not the least the triggering point for the continuing modernisation of the existing and the development of new systems. The global satellite navigation systems are supplemented by regional satellite navigation systems (RNSS) and satellite based augmentation systems (SBAS). The diversity of systems, applied signal modulations and carrier frequencies, in particular in their combination, provide a broad range of opportunities along with new challenges.

The work presented herein focuses on the use of satellite navigation systems for precise positioning and timing applications and scientific analysis. For best and comprehensive results, an equivalent combination of all available systems and signals is a fundamental requirement. For these reasons, relative approaches based on observation differences are rather inappropriate. Hence, this thesis focuses primarily on the method of precise point positioning (PPP) by waiving linear combinations. The objective is the development of a universal PPP analysis approach for standalone PPP and network solutions. Raw observations conserve the physical properties of original observation. This allows a detailed analysis of individual signal characteristics, but leads to the necessity of handling them. The utilisation of raw observations comes along with maximum flexibility. It allows for the application of physical error models as well as individual weighting and edition of all individual observation types. The possibility of a joint processing of all observations and the estimation of all parameters in a single run results in a significant simplification of the processing procedure.

The first part of the thesis provides a general introduction to conventional GNSS analysis and highlights the limitations thereof. The second part introduces the technique of raw observations processing. It highlights the differences from the common ionosphere free processing approach and discusses the challenges. The concept presented for the analysis of GNSS raw observations is flexible and adjustable to any kind of GNSS application. This flexibility is attributed to a variety of different possible interpretations of the raw observation equation. In the frame of this thesis, a selection of different interpretations is introduced and demonstrated. One of the most important parameters for the analysis of raw observations is the so-called uncalibrated signal delays. The work presented exemplarily demonstrates their characteristics and discusses their implications for the analysis.

For maximum stability of the results, it is common practice to resolve and apply integer carrier phase ambiguities. The presented work discusses and demonstrates the feasibility of this methodology for the implemented approach. It shows that the new approach simplifies the resolution of inter-GNSS carrier phase ambiguities and extends the spectrum of resolvable ambiguities.

It is demonstrated that the proposed concept provides an “at least” equivalent alternative to the common processing strategies, applicable for highly precise standalone, as well as network PPP solutions, allowing for the simplified, consistent processing of different numbers of observation, suitable for an optimal, flexible, equivalent, joint processing of arbitrary GNSS observation types. It introduces a new dimension of analysis, with direct access to all individual observations and parameters.

Typ des Eintrags: Buch
Erschienen: 2013
Autor(en): Erik, Schönemann
Titel: Analysis of GNSS raw observations in PPP solutions
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Global navigation satellite systems (GNSS) are an essential component in many areas of our daily life. They find application in diverse fields of private, commercial and scientific activities and are employed to meet the needs of police and military. Their fundamental importance for industrial countries is not the least the triggering point for the continuing modernisation of the existing and the development of new systems. The global satellite navigation systems are supplemented by regional satellite navigation systems (RNSS) and satellite based augmentation systems (SBAS). The diversity of systems, applied signal modulations and carrier frequencies, in particular in their combination, provide a broad range of opportunities along with new challenges.

The work presented herein focuses on the use of satellite navigation systems for precise positioning and timing applications and scientific analysis. For best and comprehensive results, an equivalent combination of all available systems and signals is a fundamental requirement. For these reasons, relative approaches based on observation differences are rather inappropriate. Hence, this thesis focuses primarily on the method of precise point positioning (PPP) by waiving linear combinations. The objective is the development of a universal PPP analysis approach for standalone PPP and network solutions. Raw observations conserve the physical properties of original observation. This allows a detailed analysis of individual signal characteristics, but leads to the necessity of handling them. The utilisation of raw observations comes along with maximum flexibility. It allows for the application of physical error models as well as individual weighting and edition of all individual observation types. The possibility of a joint processing of all observations and the estimation of all parameters in a single run results in a significant simplification of the processing procedure.

The first part of the thesis provides a general introduction to conventional GNSS analysis and highlights the limitations thereof. The second part introduces the technique of raw observations processing. It highlights the differences from the common ionosphere free processing approach and discusses the challenges. The concept presented for the analysis of GNSS raw observations is flexible and adjustable to any kind of GNSS application. This flexibility is attributed to a variety of different possible interpretations of the raw observation equation. In the frame of this thesis, a selection of different interpretations is introduced and demonstrated. One of the most important parameters for the analysis of raw observations is the so-called uncalibrated signal delays. The work presented exemplarily demonstrates their characteristics and discusses their implications for the analysis.

For maximum stability of the results, it is common practice to resolve and apply integer carrier phase ambiguities. The presented work discusses and demonstrates the feasibility of this methodology for the implemented approach. It shows that the new approach simplifies the resolution of inter-GNSS carrier phase ambiguities and extends the spectrum of resolvable ambiguities.

It is demonstrated that the proposed concept provides an “at least” equivalent alternative to the common processing strategies, applicable for highly precise standalone, as well as network PPP solutions, allowing for the simplified, consistent processing of different numbers of observation, suitable for an optimal, flexible, equivalent, joint processing of arbitrary GNSS observation types. It introduces a new dimension of analysis, with direct access to all individual observations and parameters.

Reihe: Schriftenreihe der Fachrichtung Geodäsie
(Heft-)Nummer: 42
Ort: Darmstadt
Freie Schlagworte: GNSS, raw observations, undifferenced, multi-constellation, multi-frequency, multi-signal, standalone PPP, network PPP, POD, UPD, UCD, DCB
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Civil and Environmental Engineering
Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Civil and Environmental Engineering > Institut für Geodäsie
Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Civil and Environmental Engineering > Institut für Geodäsie > Physikalische Geodäsie und Satellitengeodäsie
Hinterlegungsdatum: 27 Apr 2014 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3843
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-38435
Gutachter / Prüfer: Becker, Prof. Dr. Matthias ; Werner, Prof. Dr. Enderle
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Januar 2014
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) sind ein wesentlicher Bestandteil in vielen Bereichen des täglichen Lebens. Sie finden Anwendung im privaten, gewerblichen und wissenschaftlichen Bereich und dienen zur Erfüllung von polizeilichen und militärischen Aufgaben. Ihre grundlegende Bedeutung für Industrieländer war nicht zuletzt der Auslöser für die vorlaufende Modernisierung der bestehenden und die Entwicklung neuer Systeme. Ergänzt werden die globalen Satellitennavigationssysteme durch regionale Satellitennavigationssysteme (RNSS) und satellitengestützte Erweiterungssysteme (SBAS). Die Vielfalt der Systeme, der angewendeten Signalmodulationen und Trägerfrequenzen, nicht zuletzt auch deren Kombination birgt eine Vielzahl neuer Möglichkeiten und damit verbunden neue Herausforderungen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Verwendung von Satellitennavigationssystemen für präzise Positionierungs- und Zeitmessungsanwendungen, sowie für wissenschaftliche Analysen. Eine grundlegende Voraussetzung für optimale und umfassende Ergebnisse ist eine gleichwertige Kombination aller verfügbaren Systeme und Signale. In Anbetracht der Zielsetzung sind relative, auf Beobachtungsdifferenzen basierende Ansätze eher ungeeignet. Aus diesem Grund befasst sich die vorliegende Arbeit in erster Linie mit der Methode der präzisen Punktbestimmung (PPP), allerdings unter dem vollständigen Verzicht auf Linearkombinationen. Die Zielsetzung ist die Entwicklung eines universell einsetzbaren, präzisen Punktbestimmungsansatzes für Einzelpunkt- und Netzwerkanalysen. Die Verwendung von Rohbeobachtungen (raw) hat den Vorteil, dass sie die wahren physikalischen Eigenschaften der Beobachtungen erhält. Dies ermöglicht eine detaillierte Untersuchung aller einzelnen Signaleigenschaften, allerdings mit der Konsequenz, dass diese behandelt werden müssen. Die Verwendung von Rohbeobachtungen macht den Ansatz sehr flexibel. Der Ansatz ermöglicht die Verwendung von physikalischen Modellen und erlaubt eine beobachtungstypbezogene Gewichtung und Bearbeitung. Die gemeinsame Auswertung alle Beobachtungen und die Schätzung aller Parameter in einem Prozess führt zu einer deutlichen Vereinfachung der Verarbeitungsabläufe. Der erste Teil der Arbeit führt allgemein in die Thematik der GNSS-Analyse ein und hebt die Beschränkungen der herkömmlichen Analyseansätze hervor. Die Technik der Rohdatenverarbeitung wird im zweiten Teil der Arbeit behandelt. Hierbei werden die Unterschiede zu dem gängigen ionosphärenfreien Ansatz dargelegt und die Herausforderungen der Rohdatenverarbeitung diskutiert. Das präsentierte Konzept ist flexibel auf jegliche GNSS-Anwendung anpassbar. Diese Flexibilität basiert auf der Vielzahl an Interpretationsmöglickeiten der Beobachtungsgleichung. Einer der wichtigsten Parameter für die Auswertung von Rohbeobachtungen sind die sogenannten unkalibrieten Signalverzögerungen. Die vorliegende Arbeit zeigt beispielhaft deren Eigenschaften und diskutiert die Auswirkungen auf die Analyse. Für eine maximal Stabilität der Ergebnisse ist es gängig, die ganzzahligen Trägerphasenmehrdeutigkeiten zu lösen und in der Lösung zu verwenden. Die vorliegende Arbeit diskutiert und demonstriert die Umsetzbarkeit dieser Methodik für den implementierten Ansatz. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz die Auflösung von Trägerphasenmehrdeutigkeiten zwischen GNSS deutlich vereinfacht und das Spektrum der lösbaren Mehrdeutigkeiten erweitert. Das vorgeschlagene Konzept bietet eine zumindest gleichwertige Alternative zu den herkömmlichen Strategien. Es ist sowohl für hochgenaue Einzelpunktpositionierungen wie auch für Netzwerk-PPP-Lösungen einsetzbar. Weiterhin ermöglicht es eine vereinfachte, konsistente Verarbeitung einer beliebigen Anzahl an Beobachtungen und ist geeignet, um beliebige Beobachtungstypen flexibel und gleichwertig in einem einzigen Durchlauf zu verarbeiten. Damit führt der Ansatz eine neue Dimension der GNSS-Auswertungen mit einem direkten Zugang zu allen individuellen Beobachtungen und Parametern ein.Deutsch
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