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Bernese5.2说明书.pdf
Bernese GNSS Software
Version 5.2
Edited by
Rolf Dach, Simon Lutz,
Peter Walser, Pierre Fridez
November 2015
AIUB
Astronomical Institute, University of Bern
User manual of the Bernese GNSS Software, Version 5.2
Please send comments on the Bernese GNSS Software and
this manual as well as requests for copies to:
PD Dr. Rolf Dach
Astronomical Institute
University of Bern
Sidlerstrasse 5
CH–3012 Bern
Switzerland
Phone: +41 − 31 − 631 85 91 (secretary)
E-mail:
rolf.dach@aiub.unibe.ch
For contact and support send e-mail to:
Pierre Fridez
Phone: +41 − 31 − 631 85 93
E-mail:
bernese@aiub.unibe.ch
ISBN:
DOI:
Freely available online at http://www.bernese.unibe.ch .
978-3-906813-05-9 ;
10.7892/boris.72297
University of Bern, Bern Open Publishing.
This
is an open access book licensed under a Creative Commons Attribution-
NonCommercial 4.0 International license (CC BY-NC 4.0). This license allows anyone
to download, share, reuse, reprint, adapt, distribute and/or copy the work providing the
original authors and source are credited and the purpose is non-commercial. No permis-
sion is required from the authors or the publisher in these cases. Further details about CC
BY–NC licenses are available at https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
Copyright c Astronomical Institute, University of Bern
November 2015
Produced in Digital Print by Publikation Digital AG, Biel in December 2015.
Bernese GNSS Software
Version 5.2
Astronomical Institute, University of Bern
R. Dach,
F. Andritsch, D. Arnold, S. Bertone, P. Fridez, A. Jäggi,
Y. Jean, A. Maier, L. Mervart, U. Meyer, E. Orliac,
E. Ortiz–Geist, L. Prange, S. Scaramuzza, S. Schaer,
D. Sidorov, A. Sušnik, A. Villiger, P. Walser,
C. Baumann, G. Beutler, H. Bock, A. Gäde, S. Lutz,
M. Meindl, L. Ostini, K. Sośnica, A. Steinbach, D. Thaller
Important External Contributors:
Federal Office of Topography swisstopo, Wabern, Switzerland
E. Brockmann, D. Ineichen, S. Lutz, S. Schaer
IAPG, Technische Universität München, Germany
U. Hugentobler, C. Rodriguez–Solano, P. Steigenberger
Federal Agency for Cartography and Geodesy, BKG, Germany
D. Thaller
IPG, Technische Universität Dresden, Germany
M. Fritsche, A. Rülke
The Version 5.2 is based on the Version 5.0 that had been developed
until May 2004 by many former institute members and several external
contributors.
Contents
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
2.2. GNSS Satellite Orbits
2.1. Global Navigation Satellite Systems — A Short Review . . . . . . . . . .
GPS System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
GPS Satellites and Their Constellation . . . . . . .
2.1.1.1.
The Satellite Signal
2.1.1.2.
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.3.
Signal Processing
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
GLONASS System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . .
GLONASS Satellites and Their Constellation . . . .
2.1.2.1.
2.1.2.2.
The Signals of the GLONASS Satellites . . . . . . .
Comparison between GPS and GLONASS . . . . .
2.1.2.3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Celestial Mechanics
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
The Keplerian Orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2.1.
The Osculating Orbital Elements . . . . . . . . . . .
2.2.2.2.
2.2.2.3.
Deterministic Orbit Parameterization . . . . . . . .
Pseudo–Stochastic Orbit Parameterization . . . . .
2.2.2.4.
2.2.2.5.
Variational Equations . . . . . . . . . . . . . . . . .
Numerical Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Observation Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Code Pseudoranges
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phase Pseudoranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Measurement Biases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forming Differences
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Receiver Clocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Combinations of Observations . . . . . . . . . . . . . . .
Ionosphere–Free Linear Combination L3 . . . . . . .
2.3.6.1.
. . . . . . .
2.3.6.2.
Geometry–Free Linear Combination L4
2.3.6.3. Wide–Lane Linear Combination L5
. . . . . . . . .
2.3.6.4. Melbourne–Wübbena Linear Combination L6 . . . .
GLONASS Single–Difference Bias Term . . . . . . . . . . . . .
2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.3.4.
2.3.5.
2.3.6.
2.2.3.
2.1.1.
2.1.2.
2.2.1.
2.2.2.
2.3.7.
1
1
3
8
10
16
19
19
20
20
22
26
27
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49
50
51
51
51
52
52
53
53
Page I
Contents
I. Program Usage and Parameter Estimation
3. Directory Structure and Campaign Setup
3.1. Overview of the Directory Structure
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Program Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.
User Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2.
Temporary Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3.
Data Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4.
3.2.
Populating the Datapool Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Create a New Campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.
Session Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.
File Naming Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Create Station Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Create Reference Coordinate/Velocity Files . . . . . . . . . . .
Create Station Information File . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Other Station Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Copying Data from the Datapool Area into the Campaign . . . . . . . .
3.8.
Processing Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1.
3.6.2.
3.6.3.
4.
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1.
4.2.3.2.
Station Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Antenna Names
4.2.3.3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.4.
Verification of RINEX Header Information . . . . .
4.2.3.5. Metadata Verification for Satellite Laser Ranging
(SLR) Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
Naming of Bernese Observation Files
4.2.3.6.
4.2.3.7.
Import of RINEX3 Observation Files
. . . . . . . .
Export from Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4.
Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Precise Orbit Files
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1.
Import/Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.
4.3.3.
Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IGS and IERS Pole Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1.
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2.
Import/Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SINEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1.
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2.
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3. Writing SINEX Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Troposphere SINEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
Utility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1.
4.6.2. Writing Troposphere SINEX Files
4.6.3.
4.3.
4.4.
4.5.
55
57
57
57
59
60
60
61
62
64
66
67
67
68
68
69
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73
73
75
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78
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82
82
83
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86
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90
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91
91
91
93
93
93
94
94
95
95
96
96
Page II
AIUB
Contents
4.8.
4.9. Clock RINEX File
4.7. ANTEX Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.1.
4.7.2.
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IONEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.1.
4.8.2. Writing IONEX Files
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.1.
4.9.2.
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.3. Writing Clock RINEX Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.4.
Utility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10. RINEX Navigation Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.1.
4.10.2.
Export from Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.3. Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11. RINEX Meteo Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11.1. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11.2.
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11.3. Writing RINEX Meteo Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12. SLR Normal Point Observation Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12.1. Historic CSTG Normal Point Format
. . . . . . . . . . . . . .
4.12.2. Current Consolidated Laser Ranging Data Format (CRD) . . .
Import to Bernese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12.3.
4.13. External Data Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13.1. CODE Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13.2.
IGS Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Preparation of Earth Orientation, GNSS Orbit, and Satellite Clock Informa-
5.3.
tion
5.1. Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.
. . . . . . . . . . . . . . .
Preparation of Earth Orientation Parameters
General Dataset Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1.
Update of Pole Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2.
Preparation of GNSS Broadcast Information . . . . . . . . . . . . . . . .
Standard Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1.
5.3.2.
Alternative Procedure for GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3.
Checking GNSS Broadcast Messages . . . . . . . . . . . . . . .
Preparation of Precise Orbit Information . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Center of Mass Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1.
5.4.2.
Conversion of Precise Orbit Information to Tabular Format . .
Generation of Standard Orbit Information . . . . . . . . . . . .
5.4.3.
5.4.4.
Use of the Satellite Problem File . . . . . . . . . . . . . . . . .
Service Programs for Orbit Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1.
Concatenation of Precise Orbit Information . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2.
Comparison of Satellite Orbits
Preparation of Satellite Clock Corrections
. . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.
5.5.
5.6.
6. Data Preprocessing
6.1. Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
96
96
97
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123
123
124
124
125
127
127
Bernese GNSS Software, Version 5.2
Page III
Contents
6.2.
6.6.
6.2.4.
6.2.3.
6.2.5.
6.2.6.
6.2.7.
Preprocessing on the RINEX Level
6.2.1.
6.2.2.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Checking the Receiver Clock Consistency . . . . . . . . . . . .
Data Screening Based on Melbourne–Wübbena Linear Combi-
nation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data Screening Based on the Geometry–Free Linear Combina-
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data Screening Based on the Ionosphere–Free Linear Combina-
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Code Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resulting Smoothed RINEX Files
. . . . . . . . . . . . . . . .
Special Modes in RNXSMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Receiver Clock Synchronization and Preprocessing of Code Observations
Receiver Clock Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1.
Preprocessing of Code Observations
. . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2.
Kinematic Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.3.
6.3.4.
Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Forming Baselines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Algorithm for Baseline Selection . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1.
6.4.2.
Strategies for Baseline Definition . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.3.
. . . . . . . . .
Special Options for Poorly Observed Satellites
Preprocessing Phase Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Non–Parametric Screening
6.5.1.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2.
Epoch–Difference Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Automatic Cycle Slip Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3.
Clock Events in Preprocessing of Zero–Difference Files . . . . .
6.5.4.
6.5.5.
Kinematic Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Screening of LEO Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.6.
Program Output Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.7.
6.5.8.
Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Screening of Post–Fit Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Browsing the Residual Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.1.
Generating Residual Statistic . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.2.
6.6.3.
Detect Misbehaving Stations and Satellites
. . . . . . . . . . .
6.7. Marking of Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Manipulation of Observation Files . . . . . . . . . . . . . . . .
Use of Satellite Problem File . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.1.
6.7.2.
6.4.
6.5.
7. Parameter Estimation
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.
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 . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absolute Constraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relative Constraining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5. Constraining of Parameters
7.4.1.
7.4.2.
7.4.3.
7.4.4.
7.4.5.
7.5.1.
7.5.2.
129
129
130
131
131
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177
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179
Page IV
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