(Schw)Ehre, wem (Schw)Ehre gebührt : Festschrift zur Verabschiedung von Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernhard Heck

Die Festschrift zur Verabschiedung von Prof. Bernhard Heck enthält 41 Beiträge aus dem Freundeskreis, der Kollegenschaft sowie von ehemaligen Promovierenden. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf den Gebieten der Physikalischen und Satellitengeodäsie sowie der Geodynamik und spiegelt das vielfältige Wirken von Bernhard Heck wider. Abgerundet wird die Schrift durch Beiträge zur Ausbildung am Geodätischen Institut des KIT und zur Stellung der Geodäsie im gesellschaftlichen Kontext

GNSS-Precise Point Positioning (PPP) mittels ionosphären-freier Auswertung von Einfrequenz-Messungen

Die klassische Precise Point Positioning PPP-Lösung ermöglicht eine absolute Positionsbestimmung im Zentimeterbereich. Dazu sind kontinuierliche Code- und Phasenbeobachtungen auf zwei Frequenzen erforderlich. Die Bereitstellung dieser Beobachtungen verlangt hochwertige und teure Ausrüstungen. Im Gegensatz zu diesen teuren GNSS-Messgeräten werden seit längerer Zeit kostengünstige Geräte für die relative Positionsbestimmung mit Zentimetergenauigkeit, z. B. RTK verwendet. Diese Ausrüstungen stellen nur Beobachtungen auf der ersten Frequenz zur Verfügung und können damit die ionosphärischen Korrekturen mittels der ionosphären-freien Linearkombination der Phasenbeobachtungen nicht bestimmen. Die ionosphärischen Laufzeitverzögerungen können aber durch eine ionosphären-freie Linearkombination zwischen Code- und Phasenbeobachtungen beseitigt werden. Dieser Ansatz der ausschließlichen Nutzung der ersten Frequenz wird als Einfrequenz-PPP-Lösung bezeichnet. Aus ökonomischer Sicht ist diese Lösung von großer Bedeutung. Die schlechte Genauigkeit der Codebeobachtungen aufgrund der Codemehrwegeeffekte, des Messrauschens und der Codeverzögerungsvariationen group delay variations (GDV) ist der Hauptgrund für die geringe Positionsgenauigkeit der Einfrequenz-PPP-Lösung. Die GDV wurden in Bezug auf Zweifrequenzphasenbeobachtungen kalibriert und zu entsprechenden Modellen, die von der Frequenz, dem Nadir-Winkel und dem Elevationswinkel abhängig sind, zusammengefasst. Die zeitliche Stabilität der Korrekturmodelle wurde nachgewiesen, sodass diese Modelle ohne zeitliche Beschränkung zur Korrektur von GDV verwendet werden können. Bei der Verwendung von hochwertigen GNSS-Ausrüstungen zeigte die Einfrequenz-PPP-Lösung die geringste Genauigkeit in der Höhenkomponente, etwa 5-mal schlechter als in der Nordkomponente. Durch das Anbringen der Korrekturmodelle bezüglich der GDV an die Codebeobachtungen konnte diese Genauigkeit auf das Doppelte erhöht werden. Zusätzlich ist keine Abhängigkeit der Höhengenauigkeit vom Antennentyp mehr erkennbar. Bei der Auswertung von Daten preisgünstiger GNSS-Ausrüstungen mittels Einfrequenz-PPP-Lösung lagen die RMS-Werte der Abweichungen zur Solllösung für alle drei Koordinatenkomponenten unter einem Dezimeter. Das Anbringen der Code-Korrekturen steigert die Genauigkeit der Höhe und der Nordkomponente um einen Faktor von zwei bzw. vier. Mit diesen erreichbaren Genauigkeiten und den günstigen Beschaffungskosten bildet die Einfrequenz-PPP-Lösung eine gute und preiswerte Alternative zur klassischen PPP-Lösung.:Kurzfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 13 1.1 Motivation 13 1.2 Aktueller Stand der Forschung 14 1.3 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 17 2 Grundlagen 21 2.1 GNSS 21 2.1.1 GPS 21 2.1.2 GLONASS 22 2.2 Referenz- und Koordinatensysteme 23 2.2.1 Internationales Terrestrisches Referenzsystem 24 2.2.2 Das World Geodetic System 1984 (WGS84) 25 2.2.3 Parametry Zemli (PZ-90.02) 25 2.3 Zeitsysteme 26 2.3.1 Sonnenzeit – UT – UT1 26 2.3.2 Atomzeit (TAI) und koordinierte Weltzeit (UTC) 27 2.3.3 Das GPS-Zeitsystem 28 2.3.4 Das GLONASS-Zeitsystem 29 2.4 Positionsbestimmung 29 2.4.1 Codebeobachtungen als primäre Messgröße 31 2.4.2 Phasenbeobachtungen als primäre Messgröße 32 2.5 Ausgleichungsrechnung und Statistik 34 2.5.1 Funktionales Modell 34 2.5.2 Stochastisches Modell 36 2.5.3 Parameterschätzung mit dem Gauß-Markov-Modell 37 2.5.4 Eliminierung von Unbekannten 39 2.5.5 Sequentielle Ausgleichung 41 2.5.6 Statistik 42 3 Precise Point Positioning mit einem Einfrequenz-Empfänger 43 3.1 Präzise Satellitenpositionen und -uhrkorrektionen 44 3.1.1 IGS 44 3.1.2 Präzise Satellitenkoordinaten 46 3.1.3 Präzise Satellitenuhrkorrektion 47 3.1.4 Satellitenantennenkorrektionen 48 3.1.5 Phase Wind-up 49 3.2 Atmosphärische Korrektionen 49 3.2.1 Troposphäre 50 3.2.2 Ionosphäre 52 3.3 Instrumentelle Verzögerungen 55 3.4 Korrektionen an der Station 56 3.4.1 Empfangsantennenkorrektionen 56 3.4.2 Erdgezeiten, Polbewegung und ozeanische Auflasten 57 3.4.3 Mehrwegeeffekte 57 3.5 Auswertung von GRAPHIC-Beobachtungen 58 3.5.1 Beobachtungsgleichungen 58 3.5.2 Funktionales Modell 61 3.5.3 Stochastisches Modell 62 3.5.4 Sequentielle Ausgleichung der statischen Beobachtungen 64 4 Modellierung von GDV 65 4.1 Motivation 65 4.2 Einführung 69 4.3 Methodik 70 4.3.1 Analyse der Code-Beobachtungen anhand der MP-Linearkombination 70 4.3.2 Trennung der Satellitenantennen-GDV von Empfangsantennen-GDV 72 4.3.3 Satelliten- und Empfangsantennenphasenkorrektionen 75 4.4 Bestimmung der GDV 79 4.4.1 GDV der GPS- und GLONASS-Satellitenantennen 79 4.4.2 GDV der Empfangsantennen 90 4.5 Zeitliche Stabilität der GDV 93 5 Untersuchungen zur Verwendung hochwertiger Empfangsantennen bei der Einfrequenz-PPP-Lösung 99 5.1 Wasoft 99 5.1.1 Warino 99 5.1.2 Wappp 100 5.2 Datensatz und Auswertekonfiguration 101 5.3 Untersuchung zur Genauigkeit der Solllösung 105 5.4 Positionsgenauigkeit in Abhängigkeit von der Empfangsantenne, der Frequenz, dem GNSS und den Auswirkungen der GDV 107 5.4.1 Erreichbare Genauigkeit ohne Korrektur der GDV 108 5.4.2 Auswirkung der GDV auf die Positionsgenauigkeit 113 6 Untersuchungen zur Genauigkeit der PPP-Lösung in Abhängigkeit von den Beschaffungskosten 119 6.1 Daten 120 6.1.1 Verwendete preisgünstige Empfänger und Empfangsantenne 120 6.1.2 Datensatz 1 121 6.1.3 Datensatz 2 122 6.2 Auswirkungen des verwendeten Empfängertyps auf die Positionsbestimmung 124 6.3 L1-Einfrequenz-PPP-Lösung mit preisgünstigen GNSS-Empfängern 127 6.3.1 Bestimmung der GDV der preisgünstigen Antenne TW3870 127 6.3.2 Erreichbare Positionsgenauigkeit 128 7 Schlussfolgerungen und Ausblick 133 Literaturverzeichnis 137 Anhang 14

GNSS-Precise Point Positioning (PPP) mittels ionosphären-freier Auswertung von Einfrequenz-Messungen

Die klassische Precise Point Positioning PPP-Lösung ermöglicht eine absolute Positionsbestimmung im Zentimeterbereich. Dazu sind kontinuierliche Code- und Phasenbeobachtungen auf zwei Frequenzen erforderlich. Die Bereitstellung dieser Beobachtungen verlangt hochwertige und teure Ausrüstungen. Im Gegensatz zu diesen teuren GNSS-Messgeräten werden seit längerer Zeit kostengünstige Geräte für die relative Positionsbestimmung mit Zentimetergenauigkeit, z. B. RTK verwendet. Diese Ausrüstungen stellen nur Beobachtungen auf der ersten Frequenz zur Verfügung und können damit die ionosphärischen Korrekturen mittels der ionosphären-freien Linearkombination der Phasenbeobachtungen nicht bestimmen. Die ionosphärischen Laufzeitverzögerungen können aber durch eine ionosphären-freie Linearkombination zwischen Code- und Phasenbeobachtungen beseitigt werden. Dieser Ansatz der ausschließlichen Nutzung der ersten Frequenz wird als Einfrequenz-PPP-Lösung bezeichnet. Aus ökonomischer Sicht ist diese Lösung von großer Bedeutung. Die schlechte Genauigkeit der Codebeobachtungen aufgrund der Codemehrwegeeffekte, des Messrauschens und der Codeverzögerungsvariationen group delay variations (GDV) ist der Hauptgrund für die geringe Positionsgenauigkeit der Einfrequenz-PPP-Lösung. Die GDV wurden in Bezug auf Zweifrequenzphasenbeobachtungen kalibriert und zu entsprechenden Modellen, die von der Frequenz, dem Nadir-Winkel und dem Elevationswinkel abhängig sind, zusammengefasst. Die zeitliche Stabilität der Korrekturmodelle wurde nachgewiesen, sodass diese Modelle ohne zeitliche Beschränkung zur Korrektur von GDV verwendet werden können. Bei der Verwendung von hochwertigen GNSS-Ausrüstungen zeigte die Einfrequenz-PPP-Lösung die geringste Genauigkeit in der Höhenkomponente, etwa 5-mal schlechter als in der Nordkomponente. Durch das Anbringen der Korrekturmodelle bezüglich der GDV an die Codebeobachtungen konnte diese Genauigkeit auf das Doppelte erhöht werden. Zusätzlich ist keine Abhängigkeit der Höhengenauigkeit vom Antennentyp mehr erkennbar. Bei der Auswertung von Daten preisgünstiger GNSS-Ausrüstungen mittels Einfrequenz-PPP-Lösung lagen die RMS-Werte der Abweichungen zur Solllösung für alle drei Koordinatenkomponenten unter einem Dezimeter. Das Anbringen der Code-Korrekturen steigert die Genauigkeit der Höhe und der Nordkomponente um einen Faktor von zwei bzw. vier. Mit diesen erreichbaren Genauigkeiten und den günstigen Beschaffungskosten bildet die Einfrequenz-PPP-Lösung eine gute und preiswerte Alternative zur klassischen PPP-Lösung.:Kurzfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 13 1.1 Motivation 13 1.2 Aktueller Stand der Forschung 14 1.3 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 17 2 Grundlagen 21 2.1 GNSS 21 2.1.1 GPS 21 2.1.2 GLONASS 22 2.2 Referenz- und Koordinatensysteme 23 2.2.1 Internationales Terrestrisches Referenzsystem 24 2.2.2 Das World Geodetic System 1984 (WGS84) 25 2.2.3 Parametry Zemli (PZ-90.02) 25 2.3 Zeitsysteme 26 2.3.1 Sonnenzeit – UT – UT1 26 2.3.2 Atomzeit (TAI) und koordinierte Weltzeit (UTC) 27 2.3.3 Das GPS-Zeitsystem 28 2.3.4 Das GLONASS-Zeitsystem 29 2.4 Positionsbestimmung 29 2.4.1 Codebeobachtungen als primäre Messgröße 31 2.4.2 Phasenbeobachtungen als primäre Messgröße 32 2.5 Ausgleichungsrechnung und Statistik 34 2.5.1 Funktionales Modell 34 2.5.2 Stochastisches Modell 36 2.5.3 Parameterschätzung mit dem Gauß-Markov-Modell 37 2.5.4 Eliminierung von Unbekannten 39 2.5.5 Sequentielle Ausgleichung 41 2.5.6 Statistik 42 3 Precise Point Positioning mit einem Einfrequenz-Empfänger 43 3.1 Präzise Satellitenpositionen und -uhrkorrektionen 44 3.1.1 IGS 44 3.1.2 Präzise Satellitenkoordinaten 46 3.1.3 Präzise Satellitenuhrkorrektion 47 3.1.4 Satellitenantennenkorrektionen 48 3.1.5 Phase Wind-up 49 3.2 Atmosphärische Korrektionen 49 3.2.1 Troposphäre 50 3.2.2 Ionosphäre 52 3.3 Instrumentelle Verzögerungen 55 3.4 Korrektionen an der Station 56 3.4.1 Empfangsantennenkorrektionen 56 3.4.2 Erdgezeiten, Polbewegung und ozeanische Auflasten 57 3.4.3 Mehrwegeeffekte 57 3.5 Auswertung von GRAPHIC-Beobachtungen 58 3.5.1 Beobachtungsgleichungen 58 3.5.2 Funktionales Modell 61 3.5.3 Stochastisches Modell 62 3.5.4 Sequentielle Ausgleichung der statischen Beobachtungen 64 4 Modellierung von GDV 65 4.1 Motivation 65 4.2 Einführung 69 4.3 Methodik 70 4.3.1 Analyse der Code-Beobachtungen anhand der MP-Linearkombination 70 4.3.2 Trennung der Satellitenantennen-GDV von Empfangsantennen-GDV 72 4.3.3 Satelliten- und Empfangsantennenphasenkorrektionen 75 4.4 Bestimmung der GDV 79 4.4.1 GDV der GPS- und GLONASS-Satellitenantennen 79 4.4.2 GDV der Empfangsantennen 90 4.5 Zeitliche Stabilität der GDV 93 5 Untersuchungen zur Verwendung hochwertiger Empfangsantennen bei der Einfrequenz-PPP-Lösung 99 5.1 Wasoft 99 5.1.1 Warino 99 5.1.2 Wappp 100 5.2 Datensatz und Auswertekonfiguration 101 5.3 Untersuchung zur Genauigkeit der Solllösung 105 5.4 Positionsgenauigkeit in Abhängigkeit von der Empfangsantenne, der Frequenz, dem GNSS und den Auswirkungen der GDV 107 5.4.1 Erreichbare Genauigkeit ohne Korrektur der GDV 108 5.4.2 Auswirkung der GDV auf die Positionsgenauigkeit 113 6 Untersuchungen zur Genauigkeit der PPP-Lösung in Abhängigkeit von den Beschaffungskosten 119 6.1 Daten 120 6.1.1 Verwendete preisgünstige Empfänger und Empfangsantenne 120 6.1.2 Datensatz 1 121 6.1.3 Datensatz 2 122 6.2 Auswirkungen des verwendeten Empfängertyps auf die Positionsbestimmung 124 6.3 L1-Einfrequenz-PPP-Lösung mit preisgünstigen GNSS-Empfängern 127 6.3.1 Bestimmung der GDV der preisgünstigen Antenne TW3870 127 6.3.2 Erreichbare Positionsgenauigkeit 128 7 Schlussfolgerungen und Ausblick 133 Literaturverzeichnis 137 Anhang 14

(Schw)Ehre, wem (Schw)Ehre gebührt : Festschrift zur Verabschiedung von Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Bernhard Heck

The commemorative publication in honor of Prof. Bernhard Heck contains 41 contributions written by friends, colleagues, co-workers and former PhD-students. The focus of the scientific articles is on Physical and Satellite Geodesy as well as on geodynamics. It reflects the wide range of academic and scientific research activities of Bernhard Heck. The volume is completed by articles about education at the Geodetic Institute of KIT as well as the importance of Geodesy for society