The potential of modernized GNSS signal linear combinations for real-time positioning on small and medium baselines

Abstract

Real-time Positionierung hat sich in den letzten zehn Jahren als eine effiziente Methode zur präzisen Echtzeit-Positionierung entwickelt. Es zeichnet sich durch geringe Kosten und seine Einfachheit in der Verwendung aus. Mehrere Parameter charakterisieren die Leistung des Real Time Positionierung: Verfügbarkeit, Präzision, Genauigkeit, und die Lösungsmethode. In dieser Forschungsarbeit werden die Auswertung von Signal Linear-Kombinationen zur Real-Time Positionierung vorgestellt. Die resultierenden Parameter werden verwendet, um die Real-Time Positionierungsqualität zu beurteilen. Beabsichtigt wird die Positionierungsgenauigkeit zu verbessern und die Verfügbarkeit zu erhöhen, sodass präzise Positionslösungen für Anwender ermöglicht werden. Diese Arbeit beginnt mit den Untersuchungen zu Linearkombinationen (LC) die sich aus den Signalen der beiden Systeme (GPS und Galileo) ergeben. Einige davon zeigen potenzielle Verbesserungen zur Bestimmung der ganzzahligen Trägerphasenwellenlängen. Für jedes System, wurden verschiedene Trägerphasen-kombinationen untersucht und analysiert. Die vielversprechendsten Kombinationen wurden für Auswertung mit Hilfe des Least-Square Ambiguity Decorrelation Adjustment (LAMBDA) verwendet. Die Ergebnisse der Berechnung mit Hilfe verschiedener Linearkombinationen auf unterschiedlichen Basislinienlängen wurden miteinander verglichen. Sie weisen eine Korrelation zwischen der Anzahl ganzzahlig fixierter Lösungen im Datensatz und der Länge der Basisline, sowie der Wahl der Linearkombination auf. Aus den Signalen mit dem geringsten Signal-Rauschverhältnis wurde eine Real Time Positionierung Referenzlösung erzeugt. Der entwickelte Algorithmus wurde anhand von simulierten GPS und Galileo Daten getestet. Die Daten wurden mit den typischen Fehlereinflüssen wie Mehrwegeffekten und troposphärischen und ionosphärischen Verzögerungen überlagert. Es wurden Basislinien von 1 km bis 70 km untersucht. Zusammengefasst zeigen Galileo Signale (speziell E5) hohes Potential zur Steigerung der Positionierungsperformance, sowahl im statischen als auch kinematischen Fall. Da die realen und simulierten Testdatensätze relativ klein waren, werden weitere Untersuchungen mit umfangreichem Datenmaterial angeregt. Abschließend wurden die Daten interpretiert und Anregungen für weitere Arbeiten gegeben.

GNSS positioning has become popular in the past decade as an efficient method of precise and real-time positioning. It is relatively low cost and ease-of-use. Up to now, several parameters were defined to characterize the performance of real-time positioning: availability, precision, accuracy. This research evaluates the performance of signal linear combinations for real-time positioning, both for static as well as the kinematic positioning. This thesis starts with the investigation of linear combinations (LC) rising from the carrier frequencies of the GPS and Galileo system. Some Linear Combination shows potential benefits in carrier phase integer ambiguity resolution, particularly utilizing the E5 Galileo signal phase carrier. For each system, a set of combinations was studied, analyzed, and then selected during the development of a GPS/Galileo positioning method utilizing the Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment (LAMBDA). Special signal selection can affect the estimated position and its standard deviation. To further analyze, the results obtained from data processing are compared with respect to baselines and signals. The ambiguity fixing rate is correlated with the baseline length and the method as well as the signals that were used. The analysis of the measurement noise level was first conducted to set a baseline for the real-time GNSS positioning application. According to the test results with real and simulated data, the combined GPS/Galileo approach always performs the best, albeit dominated by GPS. Moreover, a combined Galileo linear combination shows the best insusceptibility in the presence of any errors using simulated and real data. Further efforts were spent for the last step. Tests, analysis and comparison of the algorithms were made in simulated scenarios of the two systems under error conditions of typical multipath, troposphere, and ionosphere. Baselines of a length between 1 km to 70 km using real and simulated data were evaluated, followed by final conclusions and suggestions for future work. As the conclusion, Galileo signals have potencies to provide best performances for static and kinematic positioning, particularly when utilizing the E5 Galileo signal. Since the performance was tested using only a limited amount of real and simulated data, further investigations how to fulfill technical and user requirements are recommended.