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The precise knowledge of aircraft position, velocity, and acceleration is a mandatory prerequisite for airborne gravimetry. For the determination of these quantities the Global Navigation Satellite System (GNSS) plays an important role. However, kinematic positioning over Antarctica is a challenging task which is different from positioning in low-latitude regions. The main reason is the sparse distribution of International GNSS Service (IGS) ground stations which is also difficult or impractical to be densified by setting up dedicated reference stations because of its hostile environment. Therefore, traditional double-differenced (DD) positioning using Global Positioning System (GPS) may be difficult to be applied. Precise Point Positioning (PPP) using a stand-alone receiver is recognized as a helpful tool for obtaining reliable and accurate trajectories of moving platforms based on precise orbit and clock products derived from a global reference network. Therefore, it is necessary to study the special characteristics of positioning over Antarctica and to exploit innovative and reliable approaches for precise position, velocity and acceleration determination. An extended precise positioning method called Precise Orbit Positioning (POP), which was originally developed in Salazar et al. (2009), is further developed towards application with multi-GNSS data. This approach takes advantage of a widely spaced network of ground stations to estimate satellite clock offsets and drifts and only relies on precise orbit information. It is illustrated that POP has the potential to achieve centimeter-level accuracy for the vertical component with sparse distributed reference stations. The aforesaid POP method is extended further to derive reliable and high accurate velocity and acceleration which are more important than position for airborne gravimetry. A GPS+GLONASS+Galileo+BDS four-system model is presented and proper weighting of different types of observations is investigated. The PPP solutions are also calculated with multi-GNSS observations for comparison. During static tests over Antarctica, it was found that POP derived velocity and acceleration tend to have much lower noise than the PPP solutions. Moreover, the addition of GLONASS, Galileo and BDS data can increase the accuracy of velocity and acceleration estimates by 32% and 43% with POP compared to a GPS-only solution when using data of 30-second sampling interval and the improvements are 28% and 31% with respect to the PPP solutions. Die genaue Kenntnis der Flugzeugposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung ist eine zwingende Voraussetzung für die gravimetrische Vermessung aus der Luft. Für die Bestimmung dieser Größen spielt das Global Navigation Satellite System (GNSS) eine wichtige Rolle. Die kinematische Positionierung über der Antarktis ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe, die sich von der Positionierung in Regionen mit niedriger Breite unterscheidet. Der Hauptgrund ist die spärliche Verteilung der Bodenstationen des Internationalen GNSS-Dienstes (IGS), die zudem aufgrund der widrigen Bedingungen in der Antarktis nur sehr schwierig durch die Einrichtung spezieller Referenzstationen verdichtet werden kann. Daher ist es schwierig, die traditionelle Doppeldifferenzmessung (DD) mit dem Global Positioning System (GPS) anzuwenden. Die präzise Punktpositionierung (PPP) mit einem eigenständigen Empfänger ist als hilfreiche Methode zur Erzielung zuverlässiger und genauer Trajektorien von bewegten Plattformen auf der Grundlage von präzisen Orbit- und Uhrenprodukten aus einem globalen Referenznetzwerk anerkannt. Einerseits kann die Genauigkeit von Echtzeitprodukten die Anforderung an die Trajektoriengewinnung für die luftgestützte Gravimetrie noch nicht erfüllen, andererseits weisen die IGS-Endprodukte noch eine tagesgebundene Diskontinuität auf. Zudem wurden bei Produkten neuerer GNSS-Systeme regionale Verzerrungen nachgewiesen, die die ganzzahlige Mehrdeutigkeitsauflösung der PPP erheblich verschlechtern können. Daher ist es notwendig, die besonderen Eigenschaften der Positionierung über der Antarktis zu untersuchen und innovative und zuverlässige Ansätze zur präzisen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbestimmung zu entwickeln. Eine erweiterte präzise Positionierungsmethode namens Precise Orbit Positioning (POP), die ursprünglich in Salazar et al. (2009) entwickelt wurde, wurde in Richtung der Anwendung mit Multi-GNSS-Daten weiterentwickelt. Dieser Ansatz nutzt ein weit verzweigtes Netz von Bodenstationen, um Versatz und Drift der Satellitenuhren zu schätzen und stützt sich nur auf präzise Orbitinformationen. Die vorgenannte POP-Methode wurde weiter ausgebaut, um zuverlässige und hochpräzise Geschwindigkeit und Beschleunigung abzuleiten, die für die luftgestützte Gravimetrie wichtiger sind als die Position. Ein GPS+GLONASS+Galileo+BeiDou Viersystemmodell wird vorgestellt und die richtige Gewichtung verschiedener Arten von Beobachtungen untersucht. Die PPP-Lösungen werden auch mit Multi-GNSS-Beobachtungen zum Vergleich berechnet. Bei statischen Tests über der Antarktis wurde festgestellt, dass die von POP abgeleitete Geschwindigkeit und Beschleunigung tendenziell viel weniger verrauscht sind als die PPP-Lösungen. Darüber hinaus kann die Hinzufügung von GLONASS-, Galileo- und BDS-Daten die Genauigkeit der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsschätzungen um 32% bzw. 43% gegenüber einer reinen GPS-Lösung bei Verwendung von Daten mit einem Abtastintervall von 30 Sekunden erhöht werden. Die Verbesserungen liegen dann bei 28% bzw. 31% gegenüber den PPP-Lösungen.

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) play an important role in precise positioning for geodesy and surveying engineering. The key to the real-time GNSS precise positioning is the instantaneous integer ambiguity resolution. However, some of the biases in carrier phase observations cannot be removed by differencing between either stations or satellites, so the integer nature of the double-differenced ambiguities is destroyed and thus the ambiguities cannot be fixed to integers. Two typical biases are the inter-frequency bias (IFB) in GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) data processing and the inter-system bias (ISB) in multi-GNSS integration. Hence, the main objective of this thesis is the investigation, estimation and correction of these biases in carrier phase observations to achieve better positioning accuracy, reliability and availability through the improvement of its ambiguity resolution. The estimated parameters of the carrier phase IFB and ISB are usually the IFB rate and the fractional ISB (F-ISB), respectively. Most of the current methods estimate IFB rate or F-ISB together with the float ambiguities and usually need observations of relatively long time due to their high correlation. Theoretically, the performance of the ambiguity resolution depends on the quality of the given IFB rate/F-ISB value if the observations are precisely modelled. In other words, the closer the given IFB rate/F-ISB value to the truth value is, the better the resolution will be. Therefore, the RATIO in the ambiguity fixing can be applied as the qualification factor of the IFB rate/F-ISB value. Based on this fact, a new methodology based on particle filter is developed to estimate these biases in both post-processing and real-time mode in this study. In the proposed method, the IFB/ISB is represented by its samples (i.e. particles) with the weights determined by the designed likelihood function of the related RATIO given the sample values, so that the true bias value can be estimated successfully by the particle filter approach. The integer nature of the ambiguities in the models with IFB/ISB parameters is well utilised in the ambiguity resolution with the given IFB rate/F-ISB values. Thus, the new method can significantly reduce the convergence time and increase the reliability of the estimation without a priori values. Besides, when more than one bias parameter is included in the model, the multi-dimensional particle filter approach is developed to estimate more than one bias parameter simultaneously in GNSS precise positioning. In this case, the aforementioned benefits of the method are obviously enlarged. In the GLONASS data processing with a nonzero IFB rate, the method can estimate the IFB rate from observations of a few epochs. With the estimated IFB rate, the GLONASS fixed solutions are as accurate as the GPS fixed solutions in the experiments with short baselines. In addition, the bias in the estimated IFB rate when the state noise is set to a very small value or even zero is significant, but this bias can be removed by utilising the regularized particle filter (RPF) and the precision of the estimated IFB rate is continuously improved by new observations. An approach for adapting the number of particles in the estimation of the IFB rate is also proposed to reduce the calculation burden by relating the number of particles to the standard deviation of the weighted particles. In the estimation of the F-ISB in multi-GNSS integration, the new method based on particle filter largely reduces the convergence time and improves the reliability of F-ISB estimation when satellites from each system are not sufficient for independent positioning. Due to the periodic characteristics of ISB, the F-ISB particles can be separated into different groups leading to the divergence of the filtering. This problem is solved successfully by introducing the cluster analysis method which can detect the groups automatically so that they can be shifted together into one group in the filtering. The estimation of the phase IFB rate with the new method enables the usage of GLONASS in real-time kinematic positioning even when the IFB between receivers is large. The estimation of the phase F-ISB with the new method allows the precise positioning to be carried out with fewer satellites from each system than the number of satellites required by the current methods. Therefore, the IFB rate/F-ISB estimation significantly extends the application of real-time kinematic GNSS positioning. It also proves that the developed new method is capable of estimating biases quickly and accurately, which initiates a new way of bias estimation in GNSS precise positioning. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) spielen eine wichtige Rolle bei der präzisen Positionierung für Geodäsie und Vermessungstechnik. Der Schlüssel für die präzise GNSS Echtzeitpositionierung ist die sofortige Auflösung der ganzzahligen Mehrdeutigkeit. Jedoch können einige der Bias in Trägerphasenbeobachtungen nicht durch Differenzbildung entweder zwischen Stationen oder Satelliten entfernt werden, so dass die ganzzahlige Natur der Mehrdeutigkeit durch doppelte Differenzbildung zerstört werden kann und somit können die Mehrdeutigkeit nicht als ganze Zahlen festgelegt werden. Zwei typische Biasarten sind die Inter-Frequency-Bias (IFB) in der Prozessierung von GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) Daten und die Inter-System-Bias (ISB) für Integration von mehreren GNSS. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit die Untersuchung, Schätzung und Korrektur dieser Bias in Trägerphasenbeobachtungen um bessere Positionierungsgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit durch die Verbesserung der Auflösung von Mehrdeutigkeiten zu erreichen. Die geschätzten Parameter der IFB und ISB von Trägerphasen sind normalerweise die IFB Rate und der bruchzahlige Teil von ISB (F-ISB). Die meisten der aktuellen Methoden schätzen die IFB Rate oder F-ISB zusammen mit den nicht-ganzzahligen Mehrdeutigkeiten und brauchen aufgrund ihrer hohen Korrelation meistens relativ lange Beobachtungszeitintervalle. Theoretisch hängt die Leistung der Auflösung von Mehrdeutigkeiten von der Qualität des gegebenen Wertes von IFB Rate/F-ISB ab, wenn die Beobachtungen präzise modelliert werden. Mit anderen Worten, je näher der gegebene Wert von IFB Rate/F-ISB an dem wahren Wert liegt, desto besser ist die Auflösung. Daher kann RATIO in der Festlegung von Mehrdeutigkeiten als Qualifizierungsfaktor des Wertes von IFB-Rate/F-ISB angewendet werden. Aufgrund dieser Tatsache wurde in dieser Arbeit eine neue auf dem Partikelfilter basierende Methode entwickelt, um diese Bias sowohl in Post-Prozessierung als auch im Echtzeit-Modus zu schätzen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die IFB/ISB durch deren Stichproben (d.h. Partikel) repräsentiert, mit den Gewichten die durch die konstruierte Wahrscheinlichkeitsverteilung (Likelihood-Funktion) von dem dazugehörigen RATIO für die gegebenen Stichprobenwerte so festgelegt werden, dass der wahre Biaswert mit dem Partikelfilterverfahren erfolgreich geschätzt werden kann. Die ganzzahlige Natur der Mehrdeutigkeiten in den Modellen mit IFB/ISB-Parametern wird in der Auflösung von Mehrdeutigkeit mit dem gegebenen Wert von IFB Rate/F-ISB vorteilhaft verwendet. Somit kann das neue Verfahren die Konvergenzzeit erheblich verringern und die Zuverlässigkeit der Schätzung ohne a priori Werte erhöhen. Außerdem, für den Fall wenn mehr als ein Bias-Parameter in dem Modell enthalten ist, wurde der mehrdimensionale Partikelfilter-Ansatz entwickelt, um mehr als einen Bias-Parameter gleichzeitig innerhalb der präzisen GNSS-Positionierung abzuschätzen. In diesem Fall sind die oben genannten Vorteile des Verfahrens noch offensichtlicher. In der GLONASS-Datenverarbeitung mit einer Nicht-Null IFB Rate kann das Verfahren die IFB Rate aus den Beobachtungen von einigen wenigen Epochen abschätzen. Mit der geschätzten IFB Rate sind in den Experimenten mit kurzen Basislinien die GLONASS Lösungen mit festgesetzten Mehrdeutigkeiten so genau wie die dazugehörigen GPS Lösungen. Zusätzlich ist das Bias in der geschätzten IFB Rate, wenn das Zustandsrauschen als ein sehr kleiner Wert oder sogar Null festgelegt wird, signifikant, kann aber mit dem regularisierten Partikelfilter (RPF) entfernt werden und die Präzision des geschätzten IFB wird mit neuen Beobachtungen kontinuierlich verbessert. Ein Ansatz für die Anpassung der Anzahl der Teilchen in der Schätzung der IFB Rate wurde auch vorgeschlagen, um die Berechnungslast zu reduzieren, indem die Anzahl der Partikel mit der Standardabweichung der gewichteten Teilchen in Beziehung gesetzt wurde. In der Schätzung der F-ISB in der Integration von mehreren GNSS reduziert das neue auf dem Partikelfilter basierende Verfahren weitgehend die Konvergenzzeit und verbessert die Zuverlässigkeit der F-ISB Schätzung, wenn Satelliten von jedem einzelnen System zu wenige für eine unabhängige Positionierung sind. Aufgrund der periodischen Eigenschaften von ISB, können die F-ISB Partikel in verschiedene Gruppen getrennt werden, was zur Divergenz der Filterung führen kann. Dieses Problem wird durch die Einführung der Cluster-Analyse, die die Gruppen automatisch erkennen kann, so dass sie in der Filterung in eine Gruppe zusammengeführt werden können, erfolgreich gelöst. Die Schätzung der IFB Rate der Phase mit dem neuen Verfahren ermöglicht die Nutzung von GLONASS in Echtzeit für kinematische Positionierung, auch wenn das Bias zwischen den Empfängern groß ist. Die Schätzung des F-ISB der Phase mit dem neuen Verfahren erlaubt, dass die präzise Positionierung mit weniger Satelliten von jedem System durchgeführt wird, als erforderlich für gängige Methoden. Daher erweitert die Schätzung der IFB Rate/F-ISB bedeutend die Anwendung von kinematischen GNSS Echtzeitpositionierung. Es beweist auch, dass die entwickelte neue Methode Bias schnell und genau schätzen kann, und eine neue Art der Biasschätzung in der präzisen GNSS Positionierung einführt.

The Global Geodetic Reference Frame (GGRF) plays a fundamental role in geodesy and related Positioning, Navigation, and Timing applications, and allows to quantify the Earth’s change in space and time. The ITRF and ICRF are the two most important components to realize GGRF, while the determination of these two reference frames relies on the combination of several space geodetic techniques, mainly, VLBI, SLR, GNSS, and DORIS. The combination is currently done on either the parameter level, or the normal equation level. However, the combination on the observation level, or the so-called integrated processing of multi-technique on the observation level, provides the results of best consistency, robustness, and accuracy. This thesis focuses on the investigation of the integrated processing of GNSS and VLBI on the observation level. The benefits of integrated processing are demonstrated in terms of TRF, CRF, and EOP, while the impact of global ties (EOP), tropospheric ties, and local ties are underlined. Several issues in integrated processing are addressed, including the systematic bias in ties (for instance, LOD and tropospheric ties), the relative weighting. An automatic reweighting strategy based on the normalized residuals is developed, which can properly handle the uncertainty of the ties without losing too much constraint. A software with state-of-the-art modules is the prerequisite to perform integrated processing. Based on the GNSS data processing software: Positioning And Navigation Data Analyst (PANDA), the VLBI and SLR modules are implemented in the common least-squares estimator. Therefore, the best consistency can be guaranteed. The software capability is demonstrated with the single-technique solutions. The station coordinate precision is at millimeter level for both GNSS and VLBI, while the EOP estimates are comparable to other Analysis Centers and the IERS products. It is also demonstrated that the SLR station coordinate precision is improved by 20% to 30% with additional GLONASS and GRACE satellites to contributing to the LAGEOS and ETALON constellation. Focusing on the tropospheric ties in GNSS and VLBI integrated processing, its contribution is demonstrated for the first time comprehensively. Applying tropospheric ties improves the VLBI station coordinate precision by 12% on the horizontal components and up to 30% on the vertical component. The network scale repeatability is reduced by up to 33%. The EOP estimates are also improved significantly, for instance, 10% to 30% for polar motion, and up to 10% for other components. Furthermore, applying the gradient ties in the VLBI intensive sessions reduces the systematic bias in UT1-UTC estimates. The consistent TRF, CRF, and EOP are achieved in the integrated VLBI and GNSS solution. Applying the global ties, tropospheric ties, and local ties stables the reference frame. The ERP estimates in the integrated solution are dominated by the GNSS technique, and the VLBI technique introduces additional 10% improvement on the y-pole component in terms of the day-boundary-discontinuity. The UT1-UTC and celestial pole offsets are also slightly improved in the integrated solution. It is also demonstrated that applying the LTs inappropriately distorts the network and introduces systematic biases to the ERP estimates, addressing the necessity of updating the local surveys. Moreover, the coordinates of AGN are also enhanced by up to 20% in the integrated solutions, especially the southern ones. This study reveals the importance of integrated processing of multi-technique on the observation level, as the best consistency can be achieved, and the applied ties improve the solutions significantly. It is strongly recommended that for the future realization of celestial and terrestrial reference frames, the concept of integrated processing on the observation level should be implemented, and all the possible ties should be applied, including the global ties (EOP), local ties, space ties, and tropospheric ties. Such kind of integrated solution of all the four techniques can provide robust estimates of the reference frames and EOP, with the advantage of each technique exploited to its full extend. Der Globale Geodätische Referenzrahmen (Global Geodetic Reference Frame, GGRF) spielt eine fundamentale Rolle in der Geodäsie und den damit verbundenen Positionierungs-, Navigations- und Zeitmessungsanwendungen (Positioning, Navigation, and Timing, PNT) und ermöglicht die Quantifizierung der Veränderung der Erde in Raum und Zeit. Der ITRF und der ICRF sind die beiden wichtigsten Komponenten zur Realisierung des GGRF, wobei die Bestimmung dieser beiden Referenzrahmen auf der Kombination verschiedener raumgeodätischer Techniken beruht, hauptsächlich VLBI, SLR, GNSS und DORIS. Die Kombination wird derzeit entweder auf der Parameterebene oder auf der Normalgleichungsebene durchgeführt. Die Kombination auf der Beobachtungsebene oder die sogenannte integrierte Daten-Verarbeitung von Multi-Techniken auf der Beobachtungsebene, bietet jedoch eine Lösung mit der besten Konsistenz, Robustheit und Genauigkeit. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der integrierten Daten-Verarbeitung von GNSS und VLBI auf der Beobachtungsebene. Die Vorteile der integrierten Lösung werden in Bezug auf TRF, CRF, und EOP aufgezeigt, während die Auswirkungen von „Global Ties (EOP), Tropospheric Ties, and Local Ties“ hervorgehoben werden. Einige Punkte der integrierten Verarbeitung werden in dieser Arbeit untersucht, einschließlich der systematischen Abweichungen von „Ties“ (z.B. LOD und Tropospheric Ties), der relativen Gewichtung usw. Anhand der normalisierten Residuen wird eine automatische Umgewichtungsstrategie entwickelt, mit der die Unsicherheit der „Ties“ angemessen behandelt werden kann, ohne dass zu viel Einschränkung dabei verloren geht. Eine Software mit modernsten Modulen ist die Voraussetzung für die integrierte Daten Verarbeitung. Basierend auf der GNSS-Datenverarbeitungssoftware Paket: Positioning And Navigation Data Analyst (PANDA) werden die Module VLBI und SLR in demselben Least-Squares-Estimator wie GNSS implementiert, damit kann man die beste Konsistenz in der Datenverarbeitung erreichen. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit der Software mit den Ein-Technik-Lösungen demonstriert. Die Genauigkeit der Stationskoordinaten liegt sowohl für GNSS als auch für VLBI im Millimeterbereich, und die geschätzten EOP-Parameter sind auch mit der anderer Analysezentren und den IERS-Produkten vergleichbar. Es wird auch gezeigt, dass die Koordinatengenauigkeit der SLR-Station um 20-30% verbessert wird, wenn zusätzliche GLONASS- und GRACE-Satelliten zur LAGEOS und ETALON-Konstellation beitragen. Mit dem Schwerpunkt auf den „Tropospheric Ties“ in der integrierten GNSS- und VLBI- Daten Verarbeitung wird ihr Beitrag zum ersten Mal umfassend dargestellt. Die Anwendung der „Tropospheric Ties“ verbessert die Genauigkeit der VLBI-Koordinaten um 12% bei der horizontalen Komponente und bis zu 30% bei der vertikalen Komponente. Die Genauigkeit im Netzwerkmaßstab wird um bis zu 33% verbessert. Auch die EOP-Bestimmungen werden deutlich verbessert, z.B. um 10-30% bei polaren Bewegungen und bis zu 10% bei anderen Komponenten. Darüber hinaus reduziert die Einführung der „Gradient Ties“ in der VLBI-Intensivsession die systematische Abweichung in den dUT1-Bestimmungen. Die konsistente TRF, CRF, und EOP werden bei der integrierten VLBI- und GNSS-Lösung erreicht. Die Anwendung der „Global Ties, Tropospheric Ties and Local Ties“ stabilisiert die Bestimmungen des Referenzrahmens. Die ERP-Bestimmungen in der integrierten Lösung werden von der GNSS-Technik dominiert, und die VLBI-Technik bringt eine zusätzliche Verbesserung um 10% auf die Tagesgrenzen-Diskontinuität (day-boundary-discontinuity, DBD) für die y-Pol-Komponente. Die dUT1- und CPO werden in der integrierten Lösung ebenfalls leicht verbessert. Es wird auch gezeigt, dass eine ungeeignete Anwendung der LTs das Netzwerk verzerrt und systematische Abweichungen in die ERP-Bestimmungen einführt, wodurch die Notwendigkeit einer Aktualisierung der lokalen Tie Messungen deutlich wird. Darüber hinaus werden die Koordinaten der AGN in den integrierten Lösungen um bis zu 20% verbessert, insbesondere im Süden. Diese Arbeit zeigt die Bedeutung der integrierten Daten Verarbeitung von Multi-Technik auf der Beobachtungsebene, da die beste Konsistenz erreicht werden kann und die angewandten „Ties“ die Lösungen erheblich verbessern. Es wird nachdrücklich empfohlen, für die zukünftige Realisierung von himmelsfesten und erdfesten Referenzrahmen das Konzept der integrierten Verarbeitung auf Beobachtungsebene durchzuführen und alle möglichen „Ties“ anzuwenden, einschließlich der „Global Ties (EOP), Local Ties, Space Ties, and Tropospheric Ties“. Eine solche integrierte Lösung aller vier Techniken kann die robusten Bestimmungen der Referenzrahmen und der EOP liefern, wobei die Vorteile jeder Technik voll ausgeschöpft werden.