Precise Point Positioning Augmentation for Various Grades of Global Navigation Satellite System Hardware

The next generation of low-cost, dual-frequency, multi-constellation GNSS receivers, boards, chips and antennas are now quickly entering the market, offering to disrupt portions of the precise GNSS positioning industry with much lower cost hardware and promising to provide precise positioning to a wide range of consumers. The presented work provides a timely, novel and thorough investigation into the positioning performance promise. A systematic and rigorous set of experiments has been carried-out, collecting measurements from a wide array of low-cost, dual-frequency, multi-constellation GNSS boards, chips and antennas introduced in late 2018 and early 2019. These sensors range from dual-frequency, multi-constellation chips in smartphones to stand-alone chips and boards. In order to be comprehensive and realistic, these experiments were conducted in a number of static and kinematic benign, typical, suburban and urban environments. In terms of processing raw measurements from these sensors, the Precise Point Positioning (PPP) GNSS measurement processing mode was used. PPP has become the defacto GNSS positioning and navigation technique for scientific and engineering applications that require dm- to cm-level positioning in remote areas with few obstructions and provides for very efficient worldwide, wide-array augmentation corrections. To enhance solution accuracy, novel contributions were made through atmospheric constraints and the use of dual- and triple-frequency measurements to significantly reduce PPP convergence period. Applying PPP correction augmentations to smartphones and recently released low-cost equipment, novel analyses were made with significantly improved solution accuracy. Significant customization to the York-PPP GNSS measurement processing engine was necessary, especially in the quality control and residual analysis functions, in order to successfully process these datasets. Results for new smartphone sensors show positioning performance is typically at the few dm-level with a convergence period of approximately 40 minutes, which is 1 to 2 orders of magnitude better than standard point positioning. The GNSS chips and boards combined with higher-quality antennas produce positioning performance approaching geodetic quality. Under ideal conditions, carrier-phase ambiguities are resolvable. The results presented show a novel perspective and are very promising for the use of PPP (as well as RTK) in next-generation GNSS sensors for various application in smartphones, autonomous vehicles, Internet of things (IoT), etc

Precise Orbit Determination of CubeSats

CubeSats are faced with some limitations, mainly due to the limited onboard power and the quality of the onboard sensors. These limitations significantly reduce CubeSats' applicability in space missions requiring high orbital accuracy. This thesis first investigates the limitations in the precise orbit determination of CubeSats and next develops algorithms and remedies to reach high orbital and clock accuracies. The outputs would help in increasing CubeSats' applicability in future space missions

Das Verfahren des GNSS Precise Point Positioning unter Anwendung des Äquivalenzprinzips

In the last decade Precise Point Positioning (PPP) has become a powerful and widely used technique for positioning by means of Global Navigation Satellite System (GNSS) in geodetic/scientific and civil/daily applications. Meanwhile, the equivalence principle of GNSS data processing has been developed and can now be easily explained and accepted since it was firstly algebraically pointed out in 2002. The objective of this thesis is to explore high-performance PPP algorithms and to develop GNSS algorithms with application of the equivalence principle. The core research and contributions of this thesis are summarized as follows. In this thesis it is the first time that the specific equivalence of un-differenced and time differencing PPP algorithms is proved theoretically on the basis of the equivalence principle and the equivalence property of un-differenced and differencing algorithms. Meanwhile, as a supplement to the equivalence property of the triple differences, an alternative method is proposed and derived to prove the equivalence between triple differences and zero-difference which up to now was missing. As a consequence of above conducted theoretical study, a time differencing PPP algorithm based on the equivalence principle is derived and can be used to obtain the coordinates difference and average velocity between two adjacent epochs. Such a time differencing PPP algorithm is able to provide both position and velocity results from the phase and code observations and is expected to be beneficial for applications, such as airborne gravimetry or earthquake monitoring, and could also be an efficient method to detect cycle slips in data processing. The influence of tropospheric delay on PPP, especially in the context of observations in the polar region or with low elevation cut-off angles, where the position results of the observations are more significantly affected by tropospheric delay, is analyzed and a methodology for minimizing its effect is proposed. Actual meteorological data are used and proved to be beneficial for improving PPP precision in the Antarctic region. The effect of tropospheric horizontal gradient correction on PPP is also analyzed and verified to remarkably improve PPP precision under lower elevation cut-off angles and higher humidity conditions. A priori constrained PPP algorithms are proposed and derived in this thesis to improve the efficiency and precision of PPP. The a priori information concerning the geometric and physical properties of observations, which is known with a certain a priori precision, is applied in the PPP algorithms. The contribution of different a priori information constraints on different parameters to PPP solution is analyzed and validated. The a priori constraints as employed in the PPP are specified according to coordinates-, receiver clock offset-, tropospheric delay- and ambiguities-constraints, respectively. The validation of the derived PPP algorithms shows a significant improvement concerning convergence time and positioning accuracy. Moreover, the applications of different constraints under specific conditions are discussed and validated. A multi-constellation combined PPP algorithm based on the equivalence principle is proposed and derived in this thesis. With such an algorithm, the exponentially increased computational load of the traditional multi-GNSS PPP algorithm can be reduced to the single linear increase when more GNSS satellites are available and used for combined computation. In case of GPS/BDS combination, a method which can speed up the determination of the ambiguities parameters of BDS through applying the contribution of GPS observations is proposed to significantly reduce the convergence time in BDS PPP. The GPS/BDS combined PPP algorithm with inter-system bias (ISB) parameter is also derived. Using the estimated ISB as a priori constraint in the GPS/BDS combined PPP is proposed. The result demonstrates that the a priori constraint of ISB shows superiority in the convergence time of PPP processing and can mainly improve the positioning accuracy in E component. In traditional combined PPP it is difficult to adaptively adjust the contribution of each single system to the combination through constructing total calculation, and it will lead to the deterioration in the combination accuracy. In this context, the adaptively combined PPP algorithms based on the equivalence principle are proposed and derived, which can easily achieve an adaptive adjustment of weight ratio of each system in the multi-GNSS combination. By using the posteriori covariance matrix of the shared parameters of each single system and the Helmert variance components to adaptively adjust the weight ratio of each system, the derived algorithms can improve the accuracy of combination significantly, compared to combined PPP with identical weight ratio. The developed algorithms are net applicable and can be used for cloud computation for internet GNSS service which is considered relevant for possible commercial applications.In den letzten zehn Jahren entwickelte sich das Verfahren des Precise Point Positioning (PPP) zu einer leistungsstarken und weit verbreiteten Technik in der Positionsbestimmung mittels des Global Navigation Satellite System (GNSS) in geodätischen/wissenschaftlichen und zivilen/täglichen Anwendungen. Ein wichtiges Grundprinzip der GNSS-Datenverarbeitung ist das Äquivalenzprinzip der GNSS-Datenverarbeitung, das 2002 erstmals beschrieben wurde. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Hochleistungs-PPP-Algorithmen und die Entwicklung von GNSS-Algorithmen unter Anwendung des Äquivalenzprinzips. Der Kern der Untersuchungen und die Beiträge dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammengefassen. Aufbauend auf dem Äquivalenzprinzip und den Äquivalenz-Eigenschaften von nicht-differenzierenden und differenzierenden GNSS-Algorithmen wird in dieser Arbeit zum ersten Mal die spezifische Gleichwertigkeit von nicht-differenzierenden und zeitdifferenzierenden PPP-Algorithmen theoretisch bewiesen. In diesem Zusammenhang beschreiben wir – als Ergänzung zu den Äquivalenz-Eigenschaften der Tripel-Differenzen - eine bis jetzt noch nicht existierende alternative Methode zum Beweis der Äquivalenz von Tripel-Differenzen und undifferenzierten Beobachtungen. Aufbauend auf der oben erwähnten theoretischen Untersuchung wurde ein zeitlich differenzierender PPP-Algorithmus abgeleitet, der auf dem Äquivalenzprinzip beruht und der dazu benutzt werden kann, die Koordinatendifferenz und die mittlere Geschwindigkeit zwischen benachbarten Beobachtungszeitpunkten zu bestimmen. Ein solcher zeitlich differenzierender PPP-Algorithmus ist in der Lage, sowohl Position als auch Geschwindigkeit aus Phasen- und Code-Beobachtungen zu liefern. Dieser Algorithmus sollte für Anwendungen wie Fluggravimetrie oder Erdbeben-Überwachung nützlich sein und stellt eine effiziente Methode zur Erkennung von Cycle-Slips dar. Diese Arbeit umfasst auch Analysen des Einflusses der Troposphärischen Signalverzögerung auf das PPP, vor allem im Blick mit Beobachtungen in den Polarregionen oder im Fall niedriger Höhengrenzwinkel (sog. Cut-off-Winkel), wo die Positionsbestimmung sehr stark von der Troposphärischen Signalverzögerung beeinflusst ist. In diesem Zusammenhang wird eine Methodologie zur Minimierung des Troposphäreneinflusses vorgeschlagen. Es werden reale meteorologische Daten verwendet und es wird gezeigt, dass dies zur Verbesserung der Präzision des PPP in antarktischen Regionen von Vorteil ist. Außerdem wird der Effekt der troposphärischen Horizontalgradienten-Korrektur analysiert und es wurde bewiesen, dass diese Methode zu einer deutlichen Verbesserung des PPP im Fall niedriger Cut-off-Winkel und hoher Luftfeuchtigkeit führt. In dieser Arbeit werden PPP-Algorithmen mit A-priori-Nebenbedingungen (sog. Constraint) vorgeschlagen und abgeleitet, um die Effizienz und Präzision des PPP zu verbessern. Die in den PPP-Algorithmen angewandten A-priori-Informationen betreffen die geometrischen und physikalischen Eigenschaften von Beobachtungen, von denen vorab eine bestimmte Genauigkeit bekannt ist. Der Einfluss von verschiedenen A-priori-Nebenbedingungen auf verschiedene Parameter innerhalb der PPP-Lösung wird analysiert und validiert. Diese in den PPP-Algorithmen angewandten A-priori-Bedingungen sind aus Nebenbedingungen für Koordinaten, Empängeruhren-Offsets, Troposphären-Verzögerung und Ambiguities abgeleitet. Die Validierung dieser Algorithmen zeigt eine deutliche Verbesserung bezüglich der Konvergenzzeit und der Genauigkeit in der Positionsbestimmung. Ferner wird die Anwendung verschiedener Constraints unter spezifischen Bedingungen diskutiert unf validiert. In dieser Arbeit wurde ein kombinierter PPP-Algorithmus für Multi-Satellitensysteme vorgeschlagen und abgeleitet, der auf dem genannten Äquivalenzprinzip beruht. Mit einem solchen Algorithmus kann die exponentiell ansteigende Computerlast des traditionellen Multi-GNSS-PPP dahingehend reduziert werden, dass es nur einen einfachen linearen Anstieg gibt, wenn mehr GNSS-Satelliten einbezogen werden. Für den Fall der Kombination von GPS mit dem chinesischen Beidou-System (BDS) wird eine Methode vorgeschlagen, die die Berechnung der Ambiguity-Parameter für das BDS-System durch Beitrag von GPS-Beobachtungen schneller beschleunigt. Diese Methode reduziert die Konvergenzzeit im BDS-PPP deutlich. Außerdem wird im Fall der Kombination von GPS und BDS ein Inter-System-Bias (ISB) abgeleitet. Es wird vorgeschlagen, diesen ISB als A-priori-Nebenbedingung in das PPP bei der Kombination von GPS und BDS einzuführen. Dadurch ergeben sich überlegene Resultate für die Konvergenzzeit in der PPP-Prozessierung und die Positionsgenauigkeit in der Ost-Komponente kann verbessert werden. Im traditionellen kombinierten PPP-Verfahren ist es schwierig, den Beitrag jedes einzelnen Systems zur Kombination durch Konstruktion einer Gesamtlösung adaptiv anzugleichen, was zur Verschlechterung in der Kombinationsgenauigkeit führt. In diesem Zusammenhang wurde ein adaptiv kombinierter PPP-Algorithmus vorgeschlagen und entwickelt, der auf dem Äquivalenzprinzip beruht. Dieser Algorithmus ermöglicht eine einfache adaptive Ausgleichung der relativen Wichtungen für jedes Satelliten-System in der Multi-GNSS-Kombination. Durch Nutzung der a-posteriori Kovarianz-Matrix, die für alle gemeinsamen Parameter der einzelnen Satelliten-Systeme aufgestellt wurde und durch die Anwendung der Helmertschen Varianzkomponenten-Schätzung zur adaptiven Ausgleichung der relativen Wichtungen der einzelnen Systeme kann die Genauigkeit der Kombination im Vergleich zum PPP mit identischen Relativgewichten deutlich gesteigert werden. Die entwickelten Algorithmen sind über das Internet anwendbar und könnten für Cloud-Berechnungen im Rahmen eines Internet-GNSS-Dienstes verwendet werden, was für mögliche kommerzielle Anwendungen von Bedeutung sein könnte