Towards instantaneous PPP convergence using multiple GNSS signals

Abstract

In den letzten Jahrzehnten hat sich Precise Point Positioning (kurz PPP, Präzise Einzelpunktbestimmung) als Technik etabliert, um, basierend auf den Signalen von Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS), die Position der Nutzer:innen zu berechnen. Mit PPP wird eine Positionsgenauigkeit im Zentimeter- oder sogar Millimeter-Bereich erreicht. Dabei werden Code- und Phasen-Beobachtungen, präzise Satellitenprodukte (z.B. Bahnen, Uhren und Biases) und ausgeklügelte Algorithmen verwendet. Ein derzeit noch großer Nachteil von PPP ist die meist beträchtliche Konvergenzzeit - also jene Zeitdauer, bis die Koordinaten den Zentimeter-Genauigkeitsbereich erreicht haben. Typischerweise benötigt eine PPP-Lösung, basierend auf GPS-Beobachtungen auch bei guter Satellitengeometrie, 20-30 Minuten um Koordinaten-Konvergenz zu erreichen.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von PPP-Ansätzen, welche die Konvergenzzeit der Koordinaten so weit wie möglich reduzieren. Dabei werden die Multi-Frequenz-Signale von allen global funktionstüchtigen GNSS zur Berechnung der Nutzer-Position verwendet. Darüber hinaus wird das sogenannte uncombined model als Alternative zum konventionellen PPP-Ansatz, welcher die ionosphären-freie Linearkombination verwendet, eingeführt. Dieses flexible PPP-Model basiert auf den rohen GNSS-Beobachtungsgleichungen und bietet mehrere Vorteile gegenüber der ionosphären-freien Linearkombination. Zum einen weisen die GNSS-Grundbeobachtungen ein geringeres Signalrauschen auf und zum anderen können ionosphärische Pseudobeobachtungen gewichtet in die Berechnung der PPP-Lösung einfließen, was zum uncombined model with ionospheric constraint führt. Außerdem werden die Phasen-Mehrdeutigkeiten in beiden PPP Modellen ganzzahlig fixiert.Die gezeigten Ansätze und Algorithmen sind in raPPPid, dem PPP-Modul der Vienna VLBI and Satellite Software (VieVS), implementiert. Diese Software wurde vom Autor im Zuge dieser Dissertation entwickelt. Mit raPPPid werden für statische GNSS-Empfänger unter guten Bedingungen Koordinaten-Konvergenzzeiten von einer Minute oder kürzer erreicht.

Over the past decades, the principle of Precise Point Positioning (PPP) has become a well-established technique for determining the user's position with Global Navigation Satellite Systems' (GNSS) signals. A position accuracy at the centimeter or even millimeter level is accomplished by using code and phase observations, exploiting precise satellite products (e.g. orbits, clocks, and biases), and applying sophisticated algorithms. However, the convergence time until the coordinates have reached this accuracy is well known as the primary concern of PPP. Typically, the convergence time of a PPP solution using GPS observations is 20-30 minutes, even with favorable satellite geometry. The main objective of this thesis is to develop PPP processing schemes reducing the coordinate convergence time as far as possible. Therefore, multi-frequency signals of all four globally-working GNSS are exploited and used to estimate the user's position. The uncombined model is developed as an alternative to the observation model of the conventional PPP approach using the ionosphere-free linear combination. This flexible model is based on the raw GNSS observation equations and shows several benefits compared with the ionosphere-free linear combination. For example, the raw observation noise is preserved and ionospheric pseudo-observations are included in the calculation of the PPP solution, resulting in the uncombined model with ionospheric constraint. Finally, integer ambiguity resolution is performed in the conventional as well as the uncombined model.The presented approaches, models, and algorithms are implemented in raPPPid, the PPP module of the Vienna VLBI and Satellite Software (VieVS). This software was developed in the course of this thesis. With raPPPid, convergence times of 1 minute or below to centimeter-level position accuracy are achieved for static receivers under good conditions.