Echtzeit Bahn- und Uhrberechnung der GPS-Satellitenkonstellation basierend auf Beobachtungsdaten des RTIGS-Stationsnetzwerks

Abstract

In den letzten Jahren zeigt sich auf dem Gebiet der Positionierung und Navigation mit Hilfe globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS) immer mehr die Tendenz, neben der präzisen Positionsbestimmung mittels Nachprozessierung (Postprocessing ), Echtzeit-Beobachtungsdaten für die präzise Positionierung bzw. für die Erstellung neuer Produkte und Services einzusetzen. Zum Einen ermöglicht dies die weltweit immer bessere Vernetzung (Kommunikationsnetzwerke) von Beobachtungsstationen über das Internet, zum Anderen bieten Datenformatstandards wie z.B. RTCM (NTRIP), RTIGS, usw. die Grundlage GNSS-Beobachtungsdaten an diverse Nutzer sicher und einfach zu übertragen. In diesem Zusammenhang hat der internationale Dienst für GNSS (International GNSS Service, IGS) vor einigen Jahren mit dem Aufbau eines globalen Referenzstationsnetzwerks begonnen.<br />Dessen Stationen (RTIGS-Stationen) übermitteln ihre Beobachtungsdaten in Echtzeit über das Internet an authorisierte Benutzer, um diesen die Entwicklung potentieller neuer Echtzeit-Dienste und Produkte zu ermöglichen. Für diese Zwecke wurde vom IGS die Arbeitsgruppe für Echtzeit (Real-Time Working Group, RTWG) eingerichtet. Ein Beispiel für eine innerhalb der RTWG entwickelte Software ist die in dieser Arbeit beschriebene Echtzeit-Berechnungsroutine RTIGU-Control. RTIGU-Control erfüllt dabei 2 wesentliche Hauptaufgaben. Zum Einen werden die prädizierten Bahn- und Uhrprodukte von IGS (IGU-Produkte) durch die Verwendung aktueller Beobachtungsdaten kontrolliert und auf Konsistenz geprüft. Zum Anderen werden, basierend auf den bereits qualitativ hochwertigen Bahnprädiktionen der IGU-Produkte, qualitativ höherwertige Uhrprodukte im Vergleich zu den IGU-Prädiktionen erzeugt. Mit Hilfe phasen-geglätteter Code-Beobachtungen, die zusätzlich um eine Reihe von die GNSS-Beobachtungen beinussende Eekte korrigiert sind (wie z.B.<br />Laufzeitverzögerung der Signale durch die Erdatmosphäre, relativistische Eekte, usw.), ermittelt RTIGU-Control basierend auf den IGU-Bahnprädiktionen in einem ersten Schritt präzise Werte für die Satelliten- und Stationsuhrkorrekturen. In einem zweiten Schritt werden die zuvor berechneten Uhrkorrekturen für die Kontrolle der prädizierten IGU-Bahnen herangezogen (Kontrolle der Integrität). Für beide Berechnungsschritte hat sich das Verfahren der Kalman-Filterung als praktikabel erwiesen. Die von RTIGU-Control auf diese Weise ermittelten Echtzeit Bahn- und Uhrprodukte werden einerseits tageweise in standardisierten Produktdateien (Clock-RINEX, Orbit-SP3) archiviert, andererseits in Form eines kontinuierlichen Datenstroms für Positionierungsaufgaben in Echtzeit zur Verfügung gestellt. Vergleiche der RTIGU-Control Produkte mit hochwertigen Produkten (wie z.B. die präzisen Produkte des IGS) zeigen die signifikante Steigerung der Qualität der von RTIGU-Control in Echtzeit berechneten Uhrprodukte im Vergleich zu den prädizierten IGU-Uhrprodukten.<br />Die Standardabweichungen der in Echtzeit ermittelten Uhrkorrekturen liegen im Bereich von etwa 0.30.5 Nanosekunden, was aufgrund der Genauigkeit der verwendeten phasen-geglätteten Code-Beobachtungen von 1.52 dm durchaus realistisch erscheint. Ein Hauptanwendungsgebiet präziser Echtzeit Bahn- und Uhrprodukte liegt in der Verwendung für globale Positionierungsund Navigationsaufgaben ohne Bildung von Basislinien zu umliegenden GNSS-Referenzstationen (zero-dierence). Ein für diese Zwecke geeigneter Algorithmus ist jener des Precise Point Positioning, PPP. PPP benötigt dabei neben diversen Modellansätzen und Parametern zur Berücksichtigung der auf die GNSS-Beobachtungen wirkenden Einüsse, zusätzlich präzise Satellitenuhr- und Bahninformationen. Die Verwendung der in Echtzeit generierten Satellitenuhrkorrekturen von RTIGU-Control gemeinsam mit den prädizierten IGU-Bahnen zeigt das enorme Potential dieser Echtzeit-Produkte für globale Positionierungsaufgaben mittels des Verfahrens des PPP (Real-Time PPP, RTPPP). Bei RTPPP Testmessungen mit Einbeziehung der RTIGU-Control Produkte konnten dabei Positionsgenauigkeiten von 0.30.5 Meter erzielt werden.<br />Mit RTIGU-Control konnte ein erster Schritt in Richtung Erzeugung und Bereitstellung qualitativ hochwertiger GPS-Satellitenuhrkorrekturen und Bahnparameter in nahezu Echtzeit vollzogen werden. Die vorliegende Arbeit zeigt das bereits vorhandene Potential dieser Echtzeit-Produkte im Hinblick auf Punktbestimmungen mittels echtzeit-nahem Postprocessing bzw. in quasi-Echtzeit.<br />

Due to the development of faster communication networks and improving computer technology beside postprocessing techniques real-time applications and services are more and more created and used in the field of precise positioning and navigation using global navigation satellite systems (GNSS) like GPS. Data formats like RTCM (NTRIP) or RTIGS serve in this manner as basic tool to transmit real-time GNSS observation data to a field of users. To handle this trend to real-time, the International GNSS Service (IGS) or more precisely the Real-Time Working Group (RTWG) of the IGS started to establish a global GNSS station network several years ago. These reference stations (RTIGS stations) transmit their observation data in real-time via the open internet to registerd users to support the development of potential new real-time products and services. One example for such a new real-time application based on the observations of the RTIGS network is the software RTIGU-Control developed within this PHD thesis. RTIGU-Control fulls 2 main tasks. The first task is the monitoring (integrity) of the predicted IGS orbit and clock products (IGU products) using real-time observations from the station network. The second task deals with calculating more precise satellite and station clock corrections compared to the predicted values of the IGU solutions based on the already very precise IGU orbit solutions. In a first step RTIGU-Control calculates based on the IGU orbit predictions together with code-smoothed station observations precise values for the satellite and station clock corrections.<br />The code-smoothed observations are additionally corrected for several corrections eecting the GNSS observations (for example the delay of the signal propagation time due to the atmosphere, relativistic eects, etc.). The second calculation step deals with monitoring the IGU predicted orbits using the calculated clock solution in the calculation step before and again the corrected real-time observations from the RTIGS stations. For both calculation steps the principle of Kalman-Filtering is used. All calculated real-time clock corrections and orbit solutions are stored in standardised product files (clock-rinex, orbit-SP3) but also transmitted in real-time within a continuous data stream to support real-time positioning applications. Comparisons of the RTIGU-Control products with for example the precise IGS products show the significant increase of quality of the RTIGU-Control real-time clock products in relation to the predicted IGU clock corrections. The standard deviation of the real-time clock values lies in the region of about 0.30.5 nanoseconds. This value seems rather realistic using code-smoothed observations with a standard deviation of 1.52 dm. One of the main fields of use of real-time orbit and clock products is the precise positioning and navigation of GNSS receivers without building baselines to adjacient GNSS reference stations (zero-dierence). A suitable approach for doing this is the so called algorithm of Precise Point Positioning or PPP. PPP uses additionally to appropriate models accounting for a number of inuences eecting the GNSS observations precise satellite orbit and clock informations.<br />Using the real-time clock correction terms of RTIGU-Control together with the predicted IGU orbit solutions the huge potential of applying this type of real-time products to global PPP solutions becomes visible (Real-Time PPP, RTPPP). Test measurements have shown a positioning accuracy of a state of the art GPS receiver in the region of 0.30.5 meters. The development of RTIGU-Control is the first step in the field of providing precise real-time satellite clock and orbit parameters. This PHD-thesis has shown the great potential of using this real-time products for near real-time postprocessing or real-time positioning algorithms.