Heft 70/2001

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 70/2001

ROSSBACH, Udo

Positioning and Navigation Using the Russian Satellite System GLONASS

Dissertation
VIII, 159 S.

Auflage:  150

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Abstract

Zusammenfassung



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

Promotionsausschuß:  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Reinhardt
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. W. Hein
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. E. Groten
3. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Eissfeller

Die Dissertation wurde am 2. März 2000 bei der Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  20. Juni 2000
 



Inhaltsverzeichnis
(in Englisch)

Abstract / Zusammenfassung II
Contents III
List of Figures VI
List of Tables VIII
 
1  Introduction 1
 
2  History of the GLONASS System 3
 
3  GLONASS System Description 7
    3.1  Reference System 7
           3.1.1  Time Systems 7
           3.1.2  Coordinate Systems 7
    3.2  Ground System 8
    3.3  Space System 9
    3.4  GLONASS Frequency Plan 10
    3.5  Signal Structure 12
           3.5.1  C/A-Code 12
           3.5.2  P-Code 14
           3.5.3  C/A-Code Data Sequence 14
           3.5.4  Time Code 14
           3.5.5  Bit Synchronization 15
           3.5.6  Structure of Navigation Data 15
           3.5.7  GLONASS-M Navigation Data 16
    3.6  System Assurance Techniques 19
    3.7  User Segment and Receiver Development 24
    3.8  GLONASS Performance 29
 
4  Time Systems 31
    4.1  GLONASS Time 31
    4.2  GPS Time 31
    4.3  UTC, UTCUSNO, UTCSU and GLONASS System Time 32
    4.4  Resolving the Time Reference Difference 33
           4.4.1  Introducing a Second Receiver Clock Offset 33
           4.4.2  Introducing the Difference in System Time Scales 34
           4.4.3  Application of A-priori Known Time Offsets 35
           4.4.4  Dissemination of Difference in Time Reference 36
    4.5  Conclusions 36
 
5  Coordinate Systems 39
    5.1  PZ-90 (GLONASS) 39
    5.2  WGS84 (GPS) 39
    5.3  Realizations 40
    5.4  Combining Coordinate Frames 40
    5.5  7-Parameter Coordinate Transformation 42
    5.6  Transformation Parameters 42
           5.6.1  Methods for Determination of Transformation
                     Parameters

42
           5.6.2  Russian Estimations 43
           5.6.3  American Estimations 44
           5.6.4  German Estimations 44
           5.6.5  IGEX-98 Estimations 45
    5.7  Applying the Coordinate Transformation 46
    5.8  Coordinate Frames in Differential Processing 50
    5.9  GLONASS Ephemerides in WGS84 53
 
6  Determination of Transformation Parameters 55
    6.1  Preparations and Realization of Ifen's Measurement Campaign 55
    6.2  Data Analysis 57
           6.2.1  Single Point Positioning 58
           6.2.2  Double Difference Baselines 61
    6.3  Direct Estimation of Transformation Parameters 62
 
7  Satellite Clock and Orbit Determination 73
    7.1  Satellite Clock Offset 73
    7.2  Satellite Orbit Determination 74
           7.2.1  Orbital Force Model 74
           7.2.2  Orbit Integration 77
           7.2.3  Integration Error 78
    7.3  Satellite Positions from Almanac Data 83
 
8  Observations and Position Determination 85
    8.1 Pseudorange Measurements 85
           8.1.1  Single Point Positioning 85
           8.1.2  Single Difference Positioning 91
           8.1.3  Double Difference Positioning 96
    8.2  Carrier Phase Measurements 103
           8.2.1  Single Point Observation Equation 103
           8.2.2  Single Difference Positioning 105
           8.2.3  Double Difference Positioning 106
    8.3  GLONASS and GPS/GLONASS Carrier Phase Positioning 111
           8.3.1  Floating GLONASS Ambiguities 111
           8.3.2  Single Difference Positioning and Receiver Calibration 111
           8.3.3  Scaling to a Common Frequency 112
           8.3.4  Iterative Ambiguity Resolution 113
    8.4  A Proposed Solution to the Frequency Problem 114
    8.5  Ionospheric Correction 120
           8.5.1  Single Frequency Ionospheric Correction 120
           8.5.2  Dual Frequency Ionospheric Correction 123
    8.6  Dilution of Precision 126
 
9  GPS/GLONASS Software Tools 135
 
10  Summary 139
 
Appendix 141
    A  Bibliography 141
    B  GLONASS Launch History 149
    C  Symbols 151
        C.1  Symbols Used in Mathematical Formulae 151
        C.2  Vectors and Matrices 151
        C.3  Symbols Used as Subscripts 152
        C.4  Symbols Used as Superscripts 152
    D  Abbreviations and Acronyms 153
 
Dank 157
Lebenslauf 159
 

 
Abstract

Satellite navigation systems have not only revolutionized navigation, but also geodetic positioning. By means of satellite range measurements, positioning accuracies became available that were previously unknown, especially for long baselines. This has long been documented for applications of GPS, the American Global Positioning System. Besides this, there is the Russian Global Navigation Satellite System GLONASS. Comparable to GPS from the technical point of view, it is suffering under the economic decline of the Russian Federation, which prevents it from drawing the attention it deserves.

Due to the similarities of GPS and GLONASS, both systems may also be used in combined applications. However, since both systems are not entirely compatible to each other, first a number of inter-operability issues have to be solved. Besides receiver hardware issues, these are mainly the differences in coordinate and time reference frames. For both issues, proposed solutions are provided. For the elimination of differences in coordinate reference frames, possible coordinate transformations are introduced, determined using both a conventional and an innovative approach.

Another important topic in the usage of GLONASS for high-precision applications is the fact that GLONASS satellites are distinguished by slightly different carrier frequencies instead of different PRN codes. This results in complications, when applying double difference carrier phase measurements to position determination the way it is often done with GPS. To overcome these difficulties and make use of GLONASS double difference carrier phase measurements for positioning, a new mathematical model for double difference carrier phase observations has been developed.

These solutions have been implemented in a GLONASS and combined GPS/GLONASS processing software package.
 


 
Zusammenfassung

Satelliten-Navigationssysteme haben nicht nur die Navigation, sondern auch die geodätische Positionsbestimmung revolutioniert. Mit Hilfe von Entfernungsmessungen zu Satelliten wurden vorher nicht gekannte Genauigkeiten in der Positionierung verfügbar. Für Anwendungen des amerikanischen GPS Global Positioning System ist dies schon lange dokumentiert. Daneben gibt es das russische Global Navigation Satellite System GLONASS. Vom technischen Standpunkt her vergleichbar zu GPS, leidet es unter dem wirtschaftlichen Niedergang der Russischen Föderation und erhält deswegen nicht die Aufmerksamkeit, die es verdient.

Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen GPS und GLONASS können beide System auch gemeinsam in kombinierten Anwendungen genutzt werden. Da beide System jedoch nicht vollständig zueinander kompatibel sind, müssen vorher noch einige Fragen der gemeinsamen Nutzung geklärt werden. Neben Fragen der Empfänger-Hardware sind dies hauptsächlich die Unterschiede in den Koordinaten- und Zeit-Bezugssystemen. Für beide Punkte wurden Lösungen vorgeschlagen. Um die Unterschiede in den Koordinaten-Bezugssystemen auszuräumen, werden mögliche Koordinatentransformationen vorgestellt. Diese wurden sowohl über einen konventionellen als auch mit einem innovativen Ansatz bestimmt.

Ein anderer wichtiger Punkt in der Nutzung von GLONASS für hochpräzise Anwendungen ist die Tatsache, daß sich GLONASS-Satelliten durch die leicht unterschiedlichen Trägerfrequenzen ihrer Signale unterscheiden, und nicht durch unterschiedliche PRN-Codes. Dies bringt Komplikationen mit sich bei der Anwendung doppelt-differenzierter Trägerphasenmessungen, wie sie bei GPS häufig verwendet werden. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden und auch doppelt differenzierte GLONASS-Trägerphasenmessungen für die Positionsbestimmung verwenden zu können, wurde ein neues mathematisches Modell der Doppeldifferenz-Phasenbeobachtungen hergeleitet.

Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in einem Software-Paket zur Prozessierung von GLONASS und kombinierten GPS/GLONASS Beobachtungen implementiert.
 


 
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