Parameter estimation based on global multi-GNSS network data

Abstract

Die Geodäsie hat mit dem Aufkommen moderner Weltraumgeodätischer Techniken eine tiefgreifende Veränderung durchlaufen. Diese Methoden ermöglichen präzise Messungen der Form, der Rotation und der Orientierung der Erde im Raum. Zudem spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Überwachung der Erdatmosphäre und der Beobachtung geophysikalischer Phänomene. Sie dienen sowohl der wissenschaftlichen Forschung als auch praktischen Anwendungen.Im Rahmen dieser Arbeit wurden GNSS-basierte Anwendungen genutzt. Diese nehmen eine herausragende Stellung unter den Weltraumgeodätischen Techniken ein. Sie ermöglichen präzise Schätzungen der Polkoordinaten (x, y) und der Tageslänge (LoD), die gemeinsam als Erdrotationsparameter (ERPs) bezeichnet werden. Hochgenaue ERP-Zeitreihen sind unerlässlich,um komplexe Dynamiken der Erde zu verstehen und genaue Referenzsysteme zu etablieren. Davon profitieren die meisten Anwendungen in der Navigation und Positionierung.Dank eines umfangreichen Netzwerks weltweit aktiver GNSS-Stationen ist eine globale Abdeckung gewährleistet, welche eine beispiellos genaue Bestimmung der ERPs ermöglicht. Allerdings sind mehrere Fehlerquellen, welche die GNSS-Signallaufzeit zwischen Satellitund Empfänger beeinflussen, zu beachten. Eine Hauptfehlerquelle ist die Ionosphäre, ein für Mikrowellen dispersives Medium das Signalverzögerungen verursacht, wenn die Signaled urch die Erdatmosphäre zu bodengebundenen Empfängern gelangen. Durch die Nutzung von Beobachtungen auf 2 Frequenzen ist es allerdings möglich, mit der sogenannten ionosphärenfreien Linearkombination einen erheblichen Teil dieser Verzögerung zu eliminieren. Andererseits ermöglicht die geometriefreie Linearkombination von Mehrfrequenzbeobachtungen die Erstellung von Ionosphärenmodellen und damit die Beschreibung von ionosphärischen Zustandsgrößen. Diese Modelle können anschließend verwendet werden um Laufzeitkorrekturen für Beobachtungen von Massenmarkt- Einfrequenz-Empfängern zu berechnen.Das Ziel dieser Arbeit war es, die bereits erwähnten Erdrotationsparameter (ERPs) als auch ionosphärische Informationen in Form von VTEC-(Vertical Total Electron Content)-Karten zu schätzen und zu analysieren. Hierfür wird insbesondere eine Kombination aus GPS- und Galileo-Beobachtungen prozessiert, um zu beurteilen, in wieweit diese Lösungen durch die Verwendung von Multi-GNSS-Kombinationen im Gegensatz zu einzig auf GPS Daten basierenden Beobachtungen verbessert wurden.Besondere Aufmerksamkeit gilt dem europäischen Galileo-System. Seit dem Start seinesersten Testsatelliten im Dezember 2005 hat Galileo eine entscheidende Rolle als Ergänzung zu etablierten GNSS-Systemen wie dem US-amerikanischen GPS und dem russischen GLONASS gespielt. Es kann gezeigt werden, dass die Kombination von Galileo- mit GPSBeobachtungen eine deutlich verbesserte Genauigkeit bei der präzisen Parameterabschätzung liefert, sofern für Galileo hochpräzise Bahndaten basierend auf neuen Strahlungsdruckmodellen zur Verfügung stehen.Die Methodik dieser Forschung umfasste die Verarbeitung von Beobachtungsdaten in der Bernese GNSS Software Version 5.2 (BSW). Beobachtungen von einem weltweit verteilten Netzwerk von GNSS IGS-Stationen wurden verwendet, um ERP-Zeitreihen (Erdrotationsparameter) zu schätzen. Je nach Kombination der Beobachtungen (nur GPS oder kombiniertes GPS+Galileo) und dem verwendeten Strahlungsdruckmodell wurden sechs Lösungen über 1-Tages- und 3-Tages-Bögen berechnet. Zusätzlich wurde ein detailliertes regionales Ionosphärenmodell für die mittleren Breiten Europas mithilfe von Daten von GNSS IGS und EPOSA-Permanentstationen (Echtzeit Positionierung Austria) erstellt, wobei die modifizierte Single-Layer-Mapping-Funktion (MSLM) und die geometriefreie lineare Kombination verwendet wurden. Die Ergebnisse wurden anhand einer Gegenüberstellung mit etablierten Modellen validiert. Dabei konnten erhebliche Verbesserungen bei der Integration von Multi-GNSS-Daten hervorgehoben werden.Der Beitrag dieser Studie spiegelt sich in der Demonstration einer verbesserten Genauigkeit wider, die durch die Integration von Multi-GNSS erreicht werden kann, in diesem Fall bei ERP- und Ionosphärenmodellierung. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen die Bedeutung der Verwendung mehrerer GNSS-Systeme für präzise geodätische Anwendungen. Es wird daher empfohlen, auf kombinierte Beobachtungsdaten zurückzugreifen, um künftige Verbesserungen gewährleisten zu können. Die Genauigkeitssteigerung für ERPs liegt bei ungefähr 25%, während die VTEC Schätzungen im Sommer um etwa 60% und im Winter bis zu 80% im Vergleich zu externen Referenzmodellen verbessert werden konnten.

With the advent of modern space geodetic techniques Geodesy has undergone a profound transformation. These methods enable precise measurements of the Earth’s shape, rotation, and orientation in space. Moreover, they play a crucial role in monitoring the Earth’s atmosphere and observing geophysical phenomena. They serve both scientific research and practical applications.This study leverages GNSS-based applications, which hold a prominent position among space geodetic techniques. They enable precise estimations of the pole coordinates (x, y) and the length of day (LoD), collectively referred to as Earth Rotation Parameters (ERPs). Highly accurate ERP time series are essential for understanding the complex dynamics of the Earth and establishing precise reference systems. Most navigation and positioning applications benefit from this. Thanks to a comprehensive network of globally active GNSS stations, global coverage is ensured, allowing for an unprecedentedly accurate determination of ERPs.However, several error sources that affect the GNSS signal travel time between the satellite and the receiver must be considered. A major error source is the ionosphere, a medium dispersive for microwaves, causing signal delays as the signals pass through the Earth’s atmosphere to ground-based receivers. By using observations on two frequencies, it is possible to eliminate a significant portion of this delay with the so-called ionosphere-free linear combination. On the other hand, the geometry-free linear combination of multi-frequency observations enables the creation of ionospheric models and thus the description of ionosphericstate variables. These models can then be used to calculate travel time corrections for observations from mass-market single-frequency receivers.The aim of this work was to estimate and analyze the aforementioned Earth Rotation Parameters (ERPs) as well as ionospheric information in the form of VTEC (Vertical Total Electron Content) maps. For this purpose, a combination of GPS and Galileo observations was processed to assess the extent to which these solutions are improved by using multi- GNSS combinations versus GPS-only data.Special attention is given to the European Galileo system. Since the launch of its first test satellite in December 2005, Galileo has played a crucial role as a complement to established GNSS systems such as the American GPS and the Russian GLONASS. The study shows that combining Galileo with GPS observations significantly improves accuracy in precise parameterestimation, provided that high-precision orbit data based on new radiation pressuremodels are available for Galileo.The methodology for this research involved processing observation data in the Bernese GNSS Software version 5.2 (BSW). Observations from a globally distributed network of GNSS IGS stations were used to estimate ERP (Earth rotation parameters) time series. Six solutions across 1-day and 3-day arcs were calculated, depending on the combination of observations (GPS-only or GPS+Galileo combined) and the radiation pressure model used.Additionally, a detailed regional ionosphere model covering mid-latitude Europe was generated using data from GNSS IGS and EPOSA (Echtzeit Positionierung Austria) permanentstations, employing the modified single-layer mapping function (MSLM) and the geometry free linear combination. Results were validated against established models, highlighting significant improvements when integrating multi-GNSS data.The contribution of this study is reflected in the demonstration of improved accuracy, which can be achieved through multi-GNSS integration, in this case in ERP and ionospheric modeling. The findings verify the importance of utilizing multiple GNSS systems for precise geodetic applications. Thus, it is recommended that combined observation data be relied on for future improvements.The accuracy improvement for ERPs is approximately 25%, while the VTEC estimates couldbe improved within the range of 60% during summer months up to 80% in winter, with respect to external reference models.