Zusammenfassung
This study presents an enhancement to the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) by integrating low Earth orbiters (LEOs) to a joint precise orbit determination (POD) processing. The Global Position System (GPS) operated by the United States is studied as a representative of all GNSS. The LEOs equipped with GNSS receivers supplement the receivers of the ground stations, especially for regions with a limited number of employed stations, which can be caused by various reasons. Due to the altitude and high velocity of LEOs, they not only contribute with additional observations, but also with a rapidly-changing observation geometry. Moreover, space-based observations have additional advantages over ground-based observations, e.g., signals are received without the impact of the troposphere. LEOs not only act as kinematic stations for GNSS satellites, but also bring additional orbit dynamics to the integrated system. The constraints caused by these orbit dynamics have an important impact on the determination of the orbits of the GNSS satellites and other parameters beyond that. In this thesis, the following topics are presented: 1) Background information and the basic principles related to the POD of GNSS satellites and LEOs, 2) the separated POD of GNSS satellites and LEOs, 3) the integrated POD, 4) the determination of the antenna phase center offsets (PCOs) of the GPS satellites and other geodetic parameters in the integrated POD.
The orbit modeling and processing configuration used in this study for GNSS satellites and LEOs are verified to be compatible with state-of-the-art studies by the separated POD. The orbits of the GNSS satellites and LEOs reach an accuracy of a few centimeters and are comparable with the state-of-art studies. A more efficient outlier detection method has been developed to improve the position determined by using pseudo-range observations. In the study about the enhancement of the GPS orbits by integrating LEOs, a 26-station ground network in a global and sparse distribution is supplemented by different subsets of seven LEOs including GRACE-A/B, OSTM/Jason-2, Jason-3 and, Swarm-A/B/C. A 34% improvement of the GPS orbit in 1D-mean RMS (from 37.5 mm to 23.9 mm) is achieved by including the seven LEOs. Both the number of space-based observations and the LEOs' orbital geometry affect the GPS orbits where the orbital geometry is shown to be more important. The estimated GPS PCOs are also improved by including LEOs. For the x- and y-components of the GPS PCOs, the formal error is reduced significantly due to the additional observations and expanded nadir angle coverage brought by the LEOs during the periods of large solar-elevation angle. The z-component of the GPS PCOs (z-PCO) are strongly correlated with the scale of the terrestrial reference frame. By introducing the orbit dynamics of the seven LEOs to the processing without applying a no-net-scale constraint, the correlation coefficients between the GPS z-PCOs and the scale are reduced from 0.85 to 0.30. Consequently, the GPS z-PCOs can be estimated independently from the a-priori scale and a purely GNSS-based scale can be determined as well. A system-specific -25.5 cm offset of the GPS z-PCOs relative to the values offered by the International GNSS Service (IGS) is computed based on the seven-LEO-integrated solution. Another approach based on Galileo also solves this problem. The GPS satellites, multi-GNSS stations, and Galileo satellites with ground calibrated PCOs are processed jointly to calibrate the GPS z-PCOs and simultaneously determine a Galileo-based scale simultaneously. Based on the comparison and cross-check, a good agreement is shown between the LEO-based and Galileo-based methods. There is a slight improvement in the geocenter when including three Swarm satellites to the processing with about 80 ground stations over a half year.
Based on the analysis in theory and the results derived from real data, an obvious enhancement to various aspects of GNSS by the integrated processing with LEOs is shown. More LEOs equipped with GNSS receivers and carefully calibrated PCOs are expected for further missions or even the next generation of GNSS.
In dieser Arbeit wird eine Verbesserung der globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS) durch die Einbindung von Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEOs) in eine gemeinsame präzise Bahnbestimmung (POD) vorgestellt. Das von den Vereinigten Staaten betriebene Global Positioning System (GPS) wird stellvertretend für alle GNSS untersucht. Die mit GNSS-Empfängern ausgestatteten LEOs ergänzen die Empfänger der Bodenstationen, vor allem in Regionen, in denen aus verschiedenen Gründen nur wenige Stationen verfügbar sind. Aufgrund der Orbithöhe und schnellen Bewegung der LEOs tragen diese nicht nur mit zusätzlichen Beobachtungen bei, sondern auch mit einer sich schnell verändernden Beobachtungsgeometrie. Darüber hinaus haben weltraumgestützte Beobachtungen zusätzliche Vorteile gegenüber bodengestützten Beobachtungen, z. B. werden Signale ohne den Einfluss der Troposphäre empfangen. LEOs stellen nicht nur kinematische Stationen für die GNSS-Satelliten dar, sondern bringen auch eine zusätzliche Bahndynamik in das integrierte System ein. Die durch diese Bahndynamik gegebenen Beschränkungen sind sowohl für die Bahnbestimmung der GNSS Satelliten als auch für weitere Parameter äußerst relevant. In dieser Arbeit werden die folgenden Themen behandelt: 1) Hintergrundinformationen und Grundprinzipien der POD von GNSS-Satelliten und LEOs, 2) eine separate POD von GNSS-Satelliten und LEOs, 3) eine integrierte POD, 4) die Schätzung der Antennen-Phasenzentrumsversätze (PCOs) der GPS-Satelliten und anderer geodätischer Parameter in der integrierten POD.
Die separaten PODs bestätigen, dass die in dieser Studie verwendete Bahnmodellierungs- und Prozessierungskonfiguration der GNSS-Satelliten und LEOs mit dem aktuellen Stand der Forschung kompatibel ist. Die Bahnen der GNSS-Satelliten und LEOs erreichen eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Es wurde eine effizientere Methode zur Erkennung von Ausreißern entwickelt, um die mit Hilfe von Pseudo-Range-Beobachtungen ermittelte Position zu verbessern. Ein Bodennetz mit 26 global dünn verteilten Stationen wird verwendet, um die Verbesserung der GPS-Bahnen durch die Integration von verschiedenen Teilgruppen der sieben LEOs GRACE-A/B, OSTM/Jason-2, Jason-3 und Swarm-A/B/C zu untersuchen. Bei der Einbeziehung aller sieben LEOs ergibt sich eine Verbesserung des 1D RMS Mittelwertes der GPS-Orbits von 34 % (von 37,5 mm auf 23,9 mm). Sowohl die Anzahl der weltraumgestützten Beobachtungen als auch die Geometrie der Bahnen der LEOs beeinflussen die GPS-Bahnen, wobei die Orbitgeometrie sich als der wichtigere Faktor erweist. Die geschätzten GPS PCOs werden durch die Einbeziehung von LEOs ebenfalls verbessert. Der formale Fehler der x- und y-Komponenten der GPS PCOs wird durch die zusätzlichen Beobachtungen und die größere Abdeckung des Nadirwinkels, den die LEOs während Perioden eines großen Sonnenstandswinkels mit sich bringen, erheblich reduziert. Die z-Komponente der GPS PCOs (z-PCO) ist mit dem Maßstabsfaktor des terrestrischen Referenzrahmens stark korreliert. Durch die Berücksichtigung der Bahndynamik der sieben LEOs in der Prozessierung werden ohne Fixierung des Maßstabes (d.h. ohne eine No-Net-Scale Bedingung) die Korrelationskoeffizienten zwischen den GPS z-PCOs und dem Maßstabsfaktor von 0,85 auf 0,30 reduziert. Folglich können zum einen die GPS z-PCOs unabhängig von einem externen Maßstab geschätzt werden und zum anderen kann ein rein GNSS-basierter Maßstabsfaktor bestimmt werden. Mit der integrierten Lösung mit sieben LEOs ergibt sich ein systemspezifischer Versatz der GPS z-PCOs von -25,5 cm relativ zu den vom International GNSS Service (IGS) veröffentlichten Werten. Ein anderer Ansatz basierend auf Galileo löst dieses Problem ebenfalls. Die GPS Satelliten, Multi-GNSS Bodenstationen und Galileo Satelliten mit bodenkalibrierten PCOs werden gemeinsam prozessiert, um die GPS z-PCOs zu kalibrieren und gleichzeitig einen Galileo-basierten Maßstabsfaktor zu bestimmen. Ein Vergleich zur Überprüfung zeigt eine hohe Übereinstimmung der LEO- und Galileo-basierten Methoden. Die Einbeziehung von drei Swarm Satelliten in eine Prozessierung mit etwa 80 Bodenstationen über ein halbes Jahr hinweg zeigt eine leichte Verbesserung des Geozentrums.
Auf der Grundlage der theoretischen Analyse und der aus realen Daten abgeleiteten Ergebnisse zeigt sich eine deutliche Verbesserung verschiedener Aspekte der GNSS durch die Integration von LEOs. Es ist zu erwarten, dass mehr LEOs, ausgestattet mit GNSS-Empfängern und sorgfältig kalibrierten PCOs, für künftige Missionen oder sogar die nächste GNSS Generation eingesetzt werden.
