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Bernese5.0操作手册.pdf
Bernese GPS Software
Version 5.0
Edited by
Rolf Dach, Urs Hugentobler,
Pierre Fridez, Michael Meindl
January 2007
AIUB
Astronomical Institute, University of Bern
User manual of the Bernese GPS Software Version 5.0
Copyright cAstronomical Institute, University of Bern
January 2007
Please send comments on the Bernese GPS Software and
this manual as well as requests for copies to:
Dr. Rolf Dach
Astronomical Institute
University of Bern
Sidlerstrasse 5
CH-3012 Bern
Switzerland
Phone: +41 − 31 − 631 85 91 (secretary)
Fax:
E-mail:
+41 − 31 − 631 38 69
rolf.dach@aiub.unibe.ch
For contact and support send e-mail to:
Peter Walser
Phone: +41 − 31 − 631 85 93
E-mail:
bernese@aiub.unibe.ch
Produced in Digital Print by St¨ampfli Publications AG, Bern in January 2011.
Bernese GPS Software
Version 5.0
Astronomical Institute, University of Bern
G. Beutler, H. Bock, R. Dach, P. Fridez, A. G¨ade,
U. Hugentobler, A. J¨aggi, M. Meindl, L. Mervart,
L. Prange, S. Schaer, T. Springer, C. Urschl, P. Walser
Important External Contributors:
Federal Office of Topography swisstopo, Wabern, Switzerland
E. Brockmann, D. Ineichen, S. Schaer
IAPG, Technische Universit¨at M¨unchen, Germany
U. Hugentobler, R. Schmid, D. ˇSvehla
Federal Agency for Cartography and Geodesy, Germany
H. Habrich
GeoForschungsZentrum Potsdam, Germany
M. Rothacher, P. Steigenberger, D. Thaller
IPG, Technische Universit¨at Dresden, Germany
M. Fritsche, A. R¨ulke
University Corporation for Atmospheric Research, Boulder, CO., U.S.A.
D. Hunt
Pecn´y Geodetic Observatory, Ondˇrejov, Czech Republic
J. Douˇsa
Contents
List of Figures
List of Tables
1.
Introduction and Overview
1.1 From Version 3 to Version 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Main Objectives and General Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Program Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 About this Document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Acknowledgments
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Fundamentals
2.1.1
2.1.2
2.1 GPS and GLONASS—A Short Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
GPS System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.1 GPS Satellites and Their Constellation . . . . . . . . . .
The Satellite Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.2
2.1.1.3
Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
GLONASS System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2.1 GLONASS Satellites and Their Constellation . . . . . .
The Signals of the GLONASS Satellites . . . . . . . . . .
2.1.2.2
2.1.2.3
IGEX and IGLOS: Global GLONASS Campaigns . . . .
2.2 GNSS Satellite Orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2
Celestial Mechanics
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2.1
2.2.2.2
. . . . . . . . . . . . .
2.2.2.3 Deterministic Orbit Parameterization . . . . . . . . . . .
2.2.2.4
Pseudo-Stochastic Orbit Parameterization . . . . . . . .
2.2.2.5 Variational Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerical Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Observation Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Code Pseudoranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1
2.3.2
Phase Pseudoranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Measurement Biases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forming Differences
2.3.4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.5
Receiver Clocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Combinations of Observations . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.6
The Keplerian Orbit
The Osculating Orbital Elements
2.2.3
XVII
XXIII
1
1
2
6
8
9
11
11
12
12
13
16
17
17
19
22
24
24
25
26
27
31
32
33
34
35
36
36
37
38
39
39
Bernese GPS Software Version 5.0
Page I
Contents
2.3.6.1
Ionosphere-Free Linear Combination L3 . . . . . . . . . .
2.3.6.2 Geometry-Free Linear Combination L4 . . . . . . . . . .
2.3.6.3 Wide-Lane Linear Combination L5
. . . . . . . . . . . .
2.3.6.4 Melbourne-W¨ubbena Linear Combination L6 . . . . . . .
GLONASS Single-Difference Bias Term . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.7
3. Campaign Setup
3.1 Create a new Campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 File Naming Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Session Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Create Station Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Create Reference Coordinate/Velocity File
. . . . . . . . . . . . .
Create Station Information File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Other Station Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Processing Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1
3.4.2
3.4.3
4.
4.2.4
4.2.5
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.2.1
4.2.2
4.2.3
Import and Export of External File Formats
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 RINEX Observation Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
History of RINEX and Format Definitions . . . . . . . . . . . . . .
Content of RINEX Observation Files and Naming Convention . . .
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1 Data Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2
Station Name . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.3 Antenna Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.4 Verification of RINEX Header Information . . . . . . . .
4.2.3.5 Naming of Bernese Observation Files . . . . . . . . . . .
Export from Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 RINEX Navigation Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Export from Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Precise Orbit Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1
Import/Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2
Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IGS and IERS Pole Files
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1
4.5.2
Import/Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SINEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.3 Writing SINEX Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7 Troposphere SINEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.1
4.7.2 Writing Troposphere SINEX Files
4.5
4.6
40
40
41
41
42
43
43
44
45
47
48
48
49
50
51
51
53
53
53
54
55
57
59
59
62
62
63
65
65
65
65
66
66
67
67
68
68
68
68
68
70
71
71
71
71
Page II
AIUB
Contents
4.8
4.10 RINEX Meteo Files
4.9.1
4.9.2
4.9.3 Writing Clock RINEX File
IONEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.1
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.2 Writing IONEX Files
4.9 Clock RINEX File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.2
4.11 ANTEX Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11.2
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12 External Data Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12.1 CODE Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12.1.1 Products in the Bernese Software User Directory . . . .
4.12.1.2 Products in the CODE Directory . . . . . . . . . . . . .
IGS Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12.2
5. Preparation of Earth Orientation, GNSS Orbit, and Satellite Clock Information
5.2.1
5.2.2
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Preparation of Earth Orientation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . .
General Dataset Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Update of Pole Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Preparation of GNSS Broadcast Information . . . . . . . . . . . . . . . . .
Standard Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alternative Procedure for GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Checking GNSS Broadcast Messages . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 Preparation of Precise Orbit Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conversion of Precise Orbit Information to Tabular Format . . . .
Generation of Standard Orbit Information . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Preparation of Satellite Clock Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Concatenation of Orbit Information and Orbit Comparison . . . . . . . . .
Concatenation of Precise Orbit Information . . . . . . . . . . . . .
Comparison of Satellite Orbits
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1
5.4.2
5.6.1
5.6.2
6. Data Preprocessing
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Preprocessing on the RINEX Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data Screening Based on Melb.-W¨ubbena Linear Combination . .
Data Screening Based on Geometry-Free Linear Combination . . .
Data Screening Based on Ionosphere-Free Linear Combination . .
Code Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resulting Smoothed RINEX Files
.
Receiver Clock Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
Preprocessing of Code Observations
6.3 Receiver Clock Synchronization and Preprocessing of Code Observations
6.3.1
6.3.2
71
71
73
74
74
74
75
75
75
76
76
76
76
76
76
78
80
81
83
83
85
85
85
87
87
88
89
89
91
91
98
98
98
99
101
101
103
103
105
105
106
107
108
108
110
Bernese GPS Software Version 5.0
Page III
Contents
6.3.3
6.3.4
6.4.1
6.4.2
6.5 Preprocessing Phase Observations
Kinematic Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Forming Baselines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Algorithm for Baseline Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strategies for Baseline Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Non-Parameter Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1
Epoch-Difference Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2
Automatic Cycle Slip Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3
Clock Events in Preprocessing of Zero-Difference Files . . . . . . .
6.5.4
Kinematic Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.5
Screening of LEO Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.6
Program Output Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.7
6.5.8
Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Screening of Post-Fit Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.1
Browsing the Residual Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Generating Residual Statistic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.2
6.6.3
Detect Misbehaving Stations and Satellites
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Use of Satellite Problem File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.1 Manipulation of Observation Files
6.7.2
6.7 Marking of Observations
6.6
7. Parameter Estimation
7.4.1
7.4.2
7.4.3
7.4.4
7.4.5
7.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Basic Theory of Least-Squares Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 The Observations
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Weighting and Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A Priori Sigma of Unit Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
Station-Specific Weighting of Observations
Elevation-Dependent Weighting of Observations
. . . . . . . . . .
Real and Normalized Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Correlations between Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Parameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Types of Parameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piece-Wise Linear Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Epoch-Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Constraining of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.4.1 Absolute Constraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relative Constraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.4.2
Zero-Mean Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.4.3
Fixing of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.4.4
Pre-Elimination of Parameters
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Back-Substitution of Epoch-Parameters . . . . . . . . . . . . . . .
7.6 Flow Diagram of Program GPSEST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Special Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7
7.7.1
. . . . . . . . . . . .
Preparation for Processing . . . . . . . . . . . . . . . . .
Orbit Determination for Low Earth Orbiters
7.7.1.1
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.5.4
7.5.5
7.5.6
111
112
113
114
115
115
117
117
118
120
121
121
122
129
130
130
132
134
136
136
137
139
139
139
141
143
143
143
144
144
146
147
147
148
149
149
150
151
151
152
152
153
154
154
154
154
Page IV
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