Heft 51

Schriftenreihe des Studiengangs Geodäsie und Geoinformation
der Universität der Bundeswehr München

 


 

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Heft 51

Untersuchungen zu hochpräzisen kinematischen DGPS-Echtzeitverfahren mit besonderer Berücksichtigung atmosphärischer Fehlereinflüsse
Dissertation

Autor: H. Blomenhofer

Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, 1996
X, 168 Seiten

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. A. Schödlbauer
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Beutler

Die Dissertation wurde am 11.08.1995 bei der Universität der Bundeswehr München,
D-8014 Neubiberg, Werner-Heisenberg-Weg 39, eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung: 21.12.1995

 


 

Inhalt

Abstract

Zusammenfassung

Einleitung, Zielsetzung und Überblick

Das Global Positioning System

  • Entwicklung und Aufgaben von Raum- und Kontrollsegment
  • GPS-Signalstruktur und Systemgenauigkeit
  • Der GPS-Empfänger
    • Erkennung und Verarbeitung von GPS-Signalen
    • Beobachtung der L2 bei aktivem Anti-Spoofing
    • Verbesserte C/A-Code Pseudoentfernungsmessungen
    • Auswirkungen des Beobachtungstyps auf differentielle Positionierungsverfahren

Formulierung eines Auswertemodells für die DGPS-Datenprozessierung in Echtzeit

  • Die Beobachtungsgleichungen
  • Linearkombinationen von GPS-Trägerphasenbeobachtungen
  • Das Gauß-Markov-Modell
  • Das diskrete Kalman Filter
  • Methoden zur Berechnung von phasengeglätteten Lösungen
  • Die Bestimmung der Phasenmehrdeutigkeiten in der Bewegung
    • Die Phasenmehrdeutigkeitssuche im Positionsraum
    • Die Phasenmehrdeutigkeitssuche im Beobachtungsraum
      • Die Ambiguitätenauflösung nach Hatch (1989, 1990)
      • Die zeitoptimierte Mehrdeutigkeitssuche (Euler, Landua, 1992)
      • Die Ambiguitätentransformation (Teunissen, 1993, 1994)
      • Die Basisreduzierungsmethode (Ober, 1993)
    • Unterstützung der Mehrdeutigkeitsbestimmung durch zusätzliche Information
    • Testkriterien zur Identifikation und Akzeptanz der Mehrdeutigkeitslösung

Modellierbarkeit von GPS-Signalverhalten im Hinblick auf Phasenmehrdeutigkeitsbestimmung

  • Der Signalverlauf in der Atmosphäre
  • Die troposphärische Refraktion
    • Modellierung der troposphärischen Refraktion
    • Diskussion meteorologischer Meßdaten
    • Auswirkung unmodellierter troposphärischer Resteinflüsse auf GPS-Beobachtungen
    • Betrachtung von Inversionswetterlagen
    • Fehlerfortpflanzung unmodellierter troposphärischer Reste im Differenzmodell
      • Fehlerfortpflanzung bei Verwendung meteorologischer Bodenmeßwerte
      • Ausnutzung der meteorologischen Korrelation bei Nahbereichsanwendungen
    • Einfluß troposphärischer Restfehler auf Linearkombinationen
    • Positionierungsfehler durch troposphärische Resteinflüsse bei DGPS-Echtzeitverfahren
    • Einfluß troposphärischer Restfehler auf die Ambiguitätsbestimmung
    • Beseitigung elevationsabhängiger troposphärischer Resteinflüsse bei DGPS-Echtzeitverfahren
  • Die ionosphärische Refraktion
    • Der Brechungsindex
    • Der Elektronengehalt der Ionosphäre
    • Szintillationen und wandernde ionosphärische Störungen
    • Modellierung der ionosphärischen Refraktion
    • Korrektur bei Zweifrequenzmessungen
    • Die differentielle ionosphärische Refraktion bei Einfrequenz-GPS-Beobachtungen
      • Ionosphärisch bedingte differentielle Positionierungsfehler
      • Wirkung der Ionosphäre auf die L1-Ambiguitätsbestimmung
      • Beseitigung ionosphärischer Restfehler bei DGPS-Echtzeitverfahren
  • FISAR - "Functional Integer Scaling for Ambiguity Resolution"
    • Beseitigung atmosphärischer Störungen in den phasengeglätteten Positionslösungen
    • Die Phasenmehrdeutigkeitsbestimmung mit FISAR zur Beseitigung atmosphärischer Störungen
  • Mehrwegeausbreitungen
    • Entstehung von Mehrwegeausbreitungen
    • Fehler durch Mehrwegeausbreitungen bei GPS-Beobachtungen
    • Maßnahmen zur Vermeidung oder Eliminierung von Effekten durch Mehrwegeausbreitungen

Bestimmung der Meeresoberfläche mit GPS in Bojen zur Radaraltimeterkalibrierung von TOPEX/POSEIDON und Validierung des ERS-1 Bias

  • Prinzip der Satellitenaltimetrie
  • Bisherige Verfahren zur Radaraltimeterkalibrierung
  • Beschreibung der Kalibrierungsmethode GPS in Bojen
  • Die Lampedusa Kalibrierung
    • Umgebungseinflüsse
    • Instrumentelle Erfordernisse
  • Durchführung der Messungen
    • Bestimmung des Eintauchverhaltens der Bojen
    • Beobachtungen
  • GPS-Datenanalyse
  • Altimeter Bias-Bestimmung mit GPS in Bojen
  • Vergleich der Wellenbewegung
  • Schlußbemerkungen zu GPS in Bojen

Zusammenfassung und Schlußfolgerungen

Literaturverzeichnis

Anhang A: Einige Modelle zur Berechnung der troposphärischen Refraktion

Anhang B: Das Klobuchar Modell zur Berechnung der ionosphärischen Refraktion

Lebenslauf

Dank

 


 

Zusammenfassung

Beim Einsatz von Differential-GPS zur Navigation und Positionierung in Echtzeit konnten vor allem Fehler in der Signalausbreitung als limitierende Faktoren für Genauigkeit und Zuverlässigkeit identifiziert werden. Hierzu zählen die atmosphärischen Refraktionen in Troposphäre und Ionosphäre und Fehler durch die Mehrwegeausbreitung.

Nach einer kurzen Einführung zum Satellitennavigationssystem GPS, der Signalstruktur und dem Signalempfang wird ein Echtzeit-DGPS-Auswertemodell vorgestellt. Vorliegende Arbeit beschäftigt sich dabei sowohl mit der Positionierung anhand von Phasenglättungsmethoden, als auch mit Verfahren zur Phasenmehrdeutigkeitsbestimmung.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Behandlung des Einflusses der troposphärischen und ionosphärischen Refraktion auf die Signalausbreitung sowie den Mehrwegeeffekten. Die Wirkungsweise von Modellen zur Beseitigung dieser Fehlerquellen und die Abschätzung der differentiellen Restfehler nach der Modellierung und auch deren Einfluß auf die Positionsbestimmung bei Echtzeitanwendungen werden beschrieben. Da sich diese Restfehler gerade bei der Ohasenmehrdeutigkeitsbestimmung als signifikant herausstellten, wurde die neue Methode "Functional Integer Scaling for Ambiguity Resolution" (FISAR) entwickelt, um atmosphärische Resteinflüsse zu beseitigen. Die Voraussetzung für dieses Verfahren ist, daß ein funktionaler Zusammenhang der atmosphärischen Refraktionen in den Satellitensignalen pro GPS Beobachter hergestellt werden kann. Bei geodätischen Basislinienmessungen ist die Schätzung eines troposphärischen Skalierungsfaktors zur Eliminierung dieses Residuums eine übliche Methode. In ähnlicher Weise kann auch für die ionosphärische Refraktion ein Skalierungsfaktor eingeführt werden. Die Kombination des troposphärischen und des ionosphärischen Skalierungsfaktors ist im Vefrahren FISAR realisiert.

Die Methode FISAR wurde in Simulationen ausgiebig getestet. Im Experiment "GPS in Bojen" konnte das Verfahren zum ersten Mal erfolgreich eingesetzt werden, um differentielle Unterschiede in den atmosphärischen Ausbreitungsverzögerungen zu schätzen und zu beseitigen.

 


 

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