ALBERT

Description: Bevölkerungswachstum und Klimawandel haben tiefgreifende Veränderungen im Mekong Delta verursacht. Eine dieser Veränderungen betrifft das zunehmende Auftreten extremer Hochwasserereignisse. Um das Leben der Menschen in den Küstenbereichen des Deltas während solcher Ereignisse zu schützen, ist es von großer Bedeutung, die Wasserstandhöhe in diesen Bereiche kontinuierlich zu überwachen. Standardmäßig kommen dafür Pegelmessstationen zum Einsatz. Sie ermöglichen die Bestimmung der Wasserstandhöhe mit großer Genauigkeit und hoher zeitlichen Auflösung. Ein Nachteil dieser Methode liegt in der lediglich punktuellen Verfügbarkeit von Messwerten. Aufgrund steigender Wartungskosten wird die Anzahl der Messstationen ferner kontinuierlicher verringert. Eine zukunftsträchtige Alternative stellt die Global Positioning System-Reflectometry (GPS-R) dar, da Wasseroberflächen eine hohe Reflektivität für GPS L-band Signale zeigen. Phasenbeobachtungen haben das Potenzial, genauere Ergebnisse zu liefern. Um die Möglichkeit des Einsatzes eines darauf beruhenden Verfahrens als Pegelmessinstrument zu prüfen, wurden zwei 14-tägige Messkampagnen, 2012 und 2013, im Mekong-Delta durchgeführt. Dabei kam eine neue Generation von GORS-Empfänger zum Einsatz. Um eine Aussage über den Einfluss der Antennenposition auf Qualität und Quantität der registrierten Phasenbeobachtungen treffen zu können, wurden zwei unterschiedliche Antennenhöhen verwendet. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass hauptsächlich die Rauheit der Wasseroberfläche für den Verlust der Kohärenz der Phasenbeobachtungen verantwortlich ist. Bedingt durch die hohe Datenrate, ein neues Algorithmus zur automatisierte Extraktion von kohärente Phasenbeobachtungen wird vorgestellt. Dabei zeigen die Analyse der Ergebnisse eine Übereinstimmung von 82%. Die Analyse zeigte ferner die Präsenz von Mehrwegeffekte. Dieses bereits in anderen Veröffentlichungen festgestellte Phänomen stellt weiterhin eine offene Fragestellung dar. In der vorliegenden Arbeit werden diese Effekte durch die Anwendung einer adaptierten Version der empirischen Modenzerlegung Empirical Mode Decomposition reduziert, was zu einer deutlichen Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Wasserstandhöhen führt. Des Weiteren kann durch die Analyse der Daten das Vorhandensein einer Vielzahl von Phasensprüngen und deren hohes Maß an Korrelation mit der Umgebung der Antenne nachgewiesen werden. Um den Höhenunterschied zwischen Empfänger und Wasseroberfläche zu bestimmen, wird eine Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Da die Genauigkeit des geschätzten Höhenunterschieds von der Genauigkeit der berechnete Entfernungsdifferenz zwischen dem direkten und dem reflektierten Signal abhängig ist, muss der Einfluss von systematischen Fehlern, die die Signale beeinflussen, minimiert werden. Für diesen Zweck, werden zum einen verschiedene Strategien für die Korrektur der durch die Troposphäre verursachten Fehlers verglichen, wobei gezeigt wird, dass atmosphärische Höhenschicht und die Gesamtzenitverzögerung genau berechnet werden müssen. Zum anderen werden die Einflüsse des Phase Wind-up sowie von Antennenphasenzentrumvariationen und -offset analysiert und Korrekturverfahren vorgestellt. Für eine erfolgreiche Bestimmung der Wasserstandhöhe ist neben der Korrektur systematischer Fehler die korrekte Festsetzung der Mehrdeutigkeiten in den Phasenbeobachtungen erforderlich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann festgehalten werden, dass unter diesen Voraussetzungen die Bestimmung der Wasserstandhöhen mit einer Auflösung von 10 Minuten und einer Genauigkeit im dm-Bereich möglich ist. Es konnte ferner gezeigt werden, dass bei gleichzeitigem Vorliegen von Daten mehrerer Satelliten Genauigkeiten im cm-Bereich erzielt werden. Während die größtenteils nicht vorhandene Redundanz den Hauptgrund für die eingeschränkte Genauigkeit darstellt, liegt dieser für die fehlende Kontinuität in dem häufig auftretenden Verlust der Kohärenz der Phasenbeobachtungen. Darüber hinaus, um die allgemeine Anwendbarkeit der in dieser Arbeit entwickeltes Algorithmus zu überprüfen, wurde die Methode auf Daten einer in 2014 durchgeführte Messung in Midelt, Marokko, angewandt. Die daraus resultierenden Wasserstandhöhen im dm-Bereich, zeigen die Anwendbarkeit des entwickelte Algorithmus auf andere grund- und phasenbasierte GPS-R Anwendungen.

Description: Ground-based gauge instrumentation enables a high altimetric accuracy with high temporal resolution, but for a point location only. However, their number is decreasing worldwide. GPS-R reveals new perspectives for water level monitoring, since water surfaces show a high reflectivity for the GPS L-band signal. To test the possibility of using this innovative technique, two field campaigns were conducted in Vietnam within the WISDOM project. As phase observations has the potential to offer more accurate results, a new generation of GORS receiver has been successfully tested. GPS-R phase-based altimetry imply continuous coherent phase observations. Due to the high sampling rate of the recorded data, a new automated algorithm, based on an ellipse fitting, is proposed to extract coherent observations. A hit rate of 82% could be reached. To test the geometrical impact of the antenna position on quality and quantity of the recorded observations, two antenna heights were used. A detailed analysis of the recorded observations was performed and correction techniques were developed. The results of the analysis show that the roughness of the water surface had a major influence on loss of coherency. Additionally, the surroundings of the antennas and the river geometry restrict the use of reflection events. The analysis also showed the presence of multipath effects other than the water, deteriorating the results. A phenomena already found in other research activities but not resolved. These multipath effects are mitigated and filtered based on an adjusted Empirical Mode Decomposition method showing an improvement of several centimetres in the obtained water level results. The data also reveals the strong presence of cycle slips that distort the results. A cycle slip detection strategy was therefore proposed. To extract water level changes, a LS method is used. As the accuracy of the extracted altimetric heights are strongly dependent on the accurate calculation of the geometrical excess paths between the direct and the reflected signal, effort was made to analyse the impact of systematic errors that influence the signals. Different tropospheric correction strategies are compared, showing that atmospheric height layer and total zenith delay have to be precisely calculated. Additionally, the impact of the mostly ignored phase wind-up effects in GPS-R applications is underlined. As the recorded coherent phase observations are ambiguous, an ambiguity fixing strategy for different satellite redundancy is proposed. Mostly, only L1 coherent phase observations from a single satellite are present. In this case, water level heights within the set goal of decimetre level of accuracy can be calculated with an interval of 10 min. In the most desirable case, with the presence of redundant satellites, water level heights could be estimated at the centimetre level of accuracy. To test the general applicability of the proposed algorithm, recorded observations during a measurement campaign, conducted 2014 within the PMARS project in Midelt, Morocco, were used. The obtained results within the decimetre level of accuracy, underline the applicability of the proposed algorithm to other ground and phase-based GPS-R altimetry applications. All the obtained results are verified by comparing them with tide gauge measurements in the vicinity of the antennas.

Description: Mit der Modernisierung von GPS (Global Positioning System), Wiederherstellung von GLONASS (das russische Global Navigation Satellite System) und neu entstehende Konstellationen, wie das chinesische Beidou und dem europäischen Galileo-System, die Welt der Global Navigation Satellite Systems (GNSS) hat im Bereich der Multi-Konstellation GNSSerfahrendedramatische Veränderungen.Die schnelle Entwicklung des aktuellen GNSS Konstellation bringt eine vielversprechende Perspektive für die Echtzeit-Abfrage von der troposphärische Verzögerungsparameter wie Gesamtverzögerung im Zenit (ZTD) und niederschlagbarer Wasserdampf (PWV), die für die Unterstützung der zeitkritischen meteorologische Anwendungen von großem Nutzen ist wie Nowcasting oder Unwetter-Überwachung. Mit der schnelle Entwicklung des bestehenden GNSS und die Echtzeit-PPP (genaue Punkt-Positionierung) Technik, das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Echtzeit-GNSS-PPP-Verarbeitung für zeitkritische meteorologische Anwendungen zu entwickeln. Die Kernforschung und die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt zusammengefasst: Wir entwickeln eine Echtzeit-ZTD/PWV-Verarbeitung basierend auf den Beobachtungen aus dem individuellen System: GPS, GLONASS und BeiDou. Die Leistung von ZTD und PWV, die von jedem System unter Verwendung von Echtzeit-PPP-Verfahren abgeleitet werden, wird untersucht. Der Beitrag der Kombination von BeiDou oder GLONASS mit GPS für die ZTD/PWV-Abfrage wird ebenfalls bewertet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die GLONASS ZTD-Zeitreihen insgesamt sehr gut mit der GPS ZTD-Zeitreihe übereinstimmt: Die Effektivwerte der ZTD-Differenzen betragen etwa 8 mm, was 1.2 mm PWV entspricht. Die nur mit BeiDou erzeugte ZTD-Zeitreihen zeigen ebenfalls gute Übereinstimmung mit den GPS: Die Effektivwerte betragen etwa 11-16 mm, entspricht etwa 2-3 mm im PWV. Die Echtzeit-ZTD/PWV aus GPS-einzelne, GLONASS-einzelne, BeiDou-einzelne, GPS/ GLONASS und GPS/BeiDou kombinierten Lösungen werden mit denen aus der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) und Radiosonden abgeleitet. Die Vergleiche zeigen, dass GLONASS zu echtzeit-meteorologischen Anwendungen mit nahezu der gleichen Genauigkeit wie GPS beitragen kann, ähnlich für BeiDou, die etwas weniger genau als GPS ist. Außerdem können genauere und zuverlässigere Wasserdampf-Schätzwerte erhalten werden, wenn die GLONASS- oder BeiDou-Beobachtungen mit den GPS-Beobachtungen in der Echtzeit-PPP-Datenverarbeitung kombiniert werden, etwa 1.5-2.3 mm in PWV. Außerdem wird ein Multi-GNSS-Modell (GLONASS + GPS + Galileo + BeiDou) zur vollständigen Nutzung aller verfügbaren Beobachtungen aus dem aktuellen GNSS zur Ableitung des Echtzeit-ZTD/PWV basierend auf der Echtzeit-PPP-Verarbeitung angeboten. Beobachtungen von Stationen, die die Multi-Konstellation verfolgen können, werden sowohl im Einzel- als auch im Multi-Systemmodus verarbeitet. Die aus dem einzelnen GNSS und den kombinierten Multi-GNSS-Lösungen abgerufenen ZTD/PWV werden durch Vergleich mit Daten aus den benachbarten Radiosonden-Stationen beurteilt. Das Nutzen der Multi-GNSS-Kombination für die Echtzeit-Wasserdampf-Schätzungen wird bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Genauigkeit auf dem mm-Niveau, d.h. 1.2-1.3 mm, für die Echtzeit-PWV-Schätzungen mit der Multi-GNSS-Verarbeitung erreichbar ist. Die erhaltenen Wasserdampf-Schätzungen mit erhöhter Genauigkeit und Zuverlässigkeit zeigen die möglichen Vorteile der Multi-GNSS-Fusion für atmosphärische Überwachungssysteme, insbesondere für die zeitkritischen meteorologischen Anwendungen. Die troposphärischen horizontalen Gradienten mit hohen räumlich-zeitlichen Auflösungen liefern wichtige Informationen, um die azimutal asymmetrischen Verzögerungen zu beschreiben und die Fähigkeit von bodenbasiertem GNSS im Bereich der meteorologischen Studien signifikant zu erhöhen. Die neue schnelle Entwicklung von Multi-GNSS-Konstellationen hat das Potential, solche hochauflösenden Gradienten mit einem signifikanten Gradienten an Genauigkeit bereitzustellen. Wir entwickeln eine Multi-GNSS-Verarbeitung für die präzise Abfrage hochauflösender troposphärische Gradienten. Die troposphärischen Gradienten mit unterschiedlichen zeitlichen Auflösungen, die sowohl aus Einzelsystem- als auch aus Multi-GNSS-Lösungen gewonnen wurden, werden mit Hilfe von unabhängigen numerischen Wettermodellen (NWM) und Wasserdampfradiometern (WVR) validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die hochauflösenden Multi-GNSS-Gradienten gut mit denen aus dem NWM und dem WVR übereinstimmen, insbesondere für die sich schnell ändernden Spitzen, die meistens mit synoptischen Fronten assoziiert sind. Die Multi-GNSS-Gradienten verhalten sich viel stabiler als die Ein-System-Schätzungen, vor allem in Fällen hoher zeitlicher Auflösung, die von der erhöhten Anzahl beobachteter Satelliten und verbesserter Beobachtungsgeometrie profitieren. Weiterhin kann durch die Multi-GNSS-Fusion auch die Präzision der Stationspositionen merklich verbessert werden, und es lassen sich gesteigerte Ergebnisse erzielen, wenn die hochauflösende Gradientenschätzung statt der üblicherweise verwendeten täglichen Gradientenschätzung in der Multi-GNSS-Datenverarbeitung durchgeführt wird. Die genaue Positionierung mit dem aktuellen BeiDou erweist sich als mit GPS vergleichbar genau, was bei den horizontalen Komponenten und dem Sub-Dezimeter-Niveau für die vertikale Komponente im Zentimeter liegt. Aber das BeiDou-PPP zeigt seine Einschränkung bei der Erfordernis einer relativ langen Konvergenz-Zeit. Somit entwickeln wir einen NWM-erweiterten PPP-Verarbeitungsalgorithmus, um die genaue Positionierung von BeiDou zu verbessern. Troposphärische Verzögerungsparameter, d.h. Verzögerungen im Zenit, Abbildungsfunktionen und horizontale Verzögerungsgradienten, die aus Kurzbereichsprognosen des globalen Prognosesystems (GFS) der nationalen Zentren für Umweltvorhersage (NCEP) abgeleitet sind, werden in BeiDou-Echtzeit-PPP angewendet. Beobachtungsdaten von Stationen, die die BeiDou-Konstellation verfolgen können, werden sowohl mit dem Standard-PPP als auch mit der eingeführten NWM-erweiterten PPP-Verarbeitung verarbeitet. Die Positionierungsergebnisse zeigen, dass mit der NWM-erweiterten PPP-Lösung gegenüber den Standard-PPP-Lösungen eine Verbesserung der Konvergenz-Zeit bis zu 60.0 % bzw. 66.7 % für die Ost- und Vertikal-Komponenten erreicht werden kann, während nur eine geringe Verbesserung der Lösungskonvergenz erreicht für die Nordkomponente gefunden werden kann. Eine Positionierungsgenauigkeit von 2.0 cm für die Nordkomponente wird mit dem NWM-verstärkten PPP erreicht, im Vergleich zu 3.7 cm des Standard-PPP mit einer Verbesserung von 45.9 %. Verglichen mit der Genauigkeit von 5.7 cm für die Ost-Komponente, die von der Standard-PPP-Lösung abgeleitet ist, wird diejenige der NWM-verstärkten PPP-Lösung auf 3.5cm, um etwa 38.6 %, verbessert. Die Positionierungsgenauigkeit für die Up-Komponente verbessert sich von 11.4 cm mit der Standard-PPP-Lösung auf 8.0 cm mit der NWM-verstärkten PPP-Lösung, was einer Verbesserung von 29.8 % entspricht. Eine signifikante Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit, Zuverlässigkeit sowie der Konvergenz-Zeit mit der Multi-GNSS-Fusion kann im Vergleich mit der einzelne System-Verarbeitung wie GPS beobachtet werden. In dieser Studie wurde ein NWM erweitert PPP-Verarbeitungssystem entwickelt, um die Multi-GNSS genaue Positionierung zu verbessern. Troposphärische Verzögerungsparameter, die aus der ECMWF-Analyse abgeleitet werden, werden auf das Multi-GNSS-PPP (eine Kombination von vier Systemen: GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou) angewendet. Beobachtungen von Stationen aus dem IGS-Multi-GNSS-Experiment (MGEX)-Netzwerk werden verarbeitet, wobei sowohl das Standard-Multi-GNSS-PPP als auch die vorgeschlagene NWM eine mehrfache GNSS-PPP-Verarbeitung unterstützt. Die hohe Qualität und Genauigkeit der von ECMWF abgeleiteten troposphärischen Verzögerungsparameter werden durch Vergleich und Validierung mit den endgültigen troposphärischen IGS-Verzögerungsprodukten demonstriert. Im Vergleich zur Standard-PPP-Lösung wird die Konvergenz-Zeit mit der NWM-erweiterten PPP-Lösung um 20.0 %, 32.0 % bzw. 25.0 % für die Nord-, Ost- und Vertikalkomponenten verkürzt. Die Positionierungsgenauigkeit profitiert auch von der NWM-erweiterten PPP-Lösung, die sich um 2.5 %, 12.1 % bzw. 18.7 % für die Nord-, Ost- und Vertikal-Komponenten verbessert.

Description: With the modernization of GPS (Global Positioning System), recovery of GLONASS (the Russian GLObal NAvigation Satellite System), and newly emerging constellations, like the Chinese BeiDou Navigation Satellite System and the European Galileo system, the world of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) has experienced dramatic changes within the field of multi-constellation GNSS. The rapid development of the current GNSS constellation brings a promising prospect for the real-time retrieval of tropospheric delay parameters like zenith total delay (ZTD) and precipitable water vapor (PWV), which is of great benefit for supporting the time-critical meteorological applications such as nowcasting or severe weather event monitoring. With the increasing development of the existing GNSS and the real-time PPP (precise point positioning) technique, the objective of this thesis is to develop a real-time GNSS PPP processing for time-critical meteorological applications. The core research and the contributions of this thesis are summarized as following: We develop a real-time ZTD/PWV processing based on the observations from individual system: GPS, GLONASS, and BeiDou. The performance of ZTD and PWV derived from each system using real-time PPP technique is investigated. The contribution of combining GLONASS or BeiDou with GPS for ZTD/PWV retrieving is evaluated as well. Our results show that the real-time GLONASS ZTD series agree quite well with the GPS ZTD series in general: the root mean square (RMS) values of ZTD differences are about 8 mm, which is equal to 1.2 mm in PWV. The real-time BeiDou-only ZTD series also show good agreement with the GPS-only ones: the RMS values are about 11-16 mm, of about 2-3 mm in PWV. The real-time ZTD/PWV derived from GPS-only, GLONASS-only, BeiDou-only, GPS/GLONASS and GPS/BeiDou combined solutions are compared with those derived from the Very Long Baseline Interferometry (VLBI) and radiosondes. The comparisons show that GLONASS can contribute to real-time meteorological applications, with almost the same accuracy as GPS, similar for BeiDou which is slightly less accurate than GPS. Besides, more accurate and reliable water vapor estimates can be obtained if the GLONASS or BeiDou observations are combined with the GPS observations in the real-time PPP data processing, about 1.5-2.3 mm in PWV. A multi-GNSS (GLONASS+GPS+Galileo+BeiDou) model is also presented to fully exploit all available observations from the current GNSS for deriving the real-time ZTD/PWV based on the real-time PPP processing. Observations from stations capable of tracking the multi-constellation are processed in both single- and multi-system modes. The ZTD/PWV retrieved from the individual GNSS and the combined multi-GNSS solutions are assessed by comparing with data from the nearby radiosonde stations. The benefit of the multi-GNSS combination for real-time water vapor derivation is evaluated. The results show that an accuracy at the mm-level, i.e. 1.2-1.3 mm, for the real-time PWV estimates is achievable with the multi-GNSS processing. The obtained water vapor estimates with enhanced accuracy and reliability reveal the potential benefits of multi-GNSS fusion for atmospheric monitoring systems, in particular for the time-critical meteorological applications. The tropospheric horizontal gradients with high spatiotemporal resolutions provide important information to describe the azimuthally asymmetric delays and significantly increase the ability of ground-based GNSS within the field of meteorological studies. The recent rapid development of multi-GNSS constellations has potential to provide such high-resolution gradients with a significant degree of accuracy. We develop a multi-GNSS processing for the precise retrieval of high-resolution tropospheric gradients. The tropospheric gradients with different temporal resolutions, retrieved from both single-system and multi-GNSS solutions, are validated using independent numerical weather model (NWM) and water vapor radiometer (WVR) data. The benefits of multi-GNSS processing for the retrieval of tropospheric gradients, as well as for the improvement of precise positioning, are demonstrated. The results show that the multi-GNSS high-resolution gradients agree well with those derived from the NWM and WVR, in particular for the fast-changing peaks, which are mostly associated with synoptic fronts. The multi-GNSS gradients behave in a much more stable manner than the single-system estimates, especially in cases of high temporal resolution, benefiting from the increased number of observed satellites and improved observation geometry. Furthermore, the precision of station positions can also be noticeably improved by the multi-GNSS fusion, and enhanced results can be achieved if the high-resolution gradient estimation is performed, instead of the commonly used daily gradient estimation in the multi-GNSS data processing. Precise positioning with the current BeiDou is proven to be of comparable accuracy to GPS, which is at centimeter level for the horizontal components and sub-decimeter level for the vertical component. But the BeiDou PPP shows its limitation in requiring a relatively long convergence time. Thus, we develop a NWM augmented PPP processing algorithm to improve BeiDou precise positioning. Tropospheric delay parameters, i.e., zenith delays, mapping functions, and horizontal delay gradients, derived from short-range forecasts from the Global Forecast System (GFS) of the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) are applied into BeiDou real-time PPP. Observational data from stations that are capable of tracking the BeiDou constellation are processed with both the standard PPP and the introduced NWM augmented PPP processing. The positioning results show that an improvement of convergence time up to 60.0 % and 66.7 % for the east and vertical components, respectively, can be achieved with the NWM augmented PPP solution compared to the standard PPP solutions, while only slight improvement of the solution convergence can be found for the north component. A positioning accuracy of 2.0 cm for the north component is achieved with the NWM augmented PPP, in comparison to 3.7 cm of the standard PPP, showing an improvement of 45.9 %. Compared to the accuracy of 5.7 cm for the east component derived from the standard PPP solution, the one of the NWM augmented PPP solution is improved to 3.5 cm, by about 38.6 %. The positioning accuracy for the up component improves from 11.4 cm with the standard PPP solution to 8.0 cm with the NWM augmented PPP solution, an improvement of 29.8 %. Significant improvement on positioning accuracy, reliability, as well as convergence time with the multi-GNSS fusion can be observed in comparison with the single-system processing like GPS. In this study, a NWM augmented PPP processing system is developed to improve the multi-GNSS precise positioning. Tropospheric delay parameters which are derived from the ECMWF analysis are applied to the multi-GNSS PPP (a combination of four systems: GPS, GLONASS, Galileo, and BeiDou). Observations of stations from the IGS Multi-GNSS Experiments (MGEX) network are processed, with both the standard multi-GNSS PPP and the proposed NWM augmented multi-GNSS PPP processing. The high quality and accuracy of the tropospheric delay parameters derived from ECMWF are demonstrated through comparison and validation with the IGS final tropospheric delay products. Compared to the standard PPP solution, the convergence time is shortened by 20.0 %, 32.0 %, and 25.0 % for the north, east, and vertical components, respectively, with the NWM augmented PPP solution. The positioning accuracy also benefits from the NWM augmented PPP solution, which gets improved by 2.5 %, 12.1 %, and 18.7 % for the north, east, and vertical components, respectively.

Description: 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.

Description: 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.

Description: Carboniferous organic-rich mudrocks are proven source rocks for conventional gas systems in Northwestern Europe and have sourced most of the gas found in the Rotliegend sandstones (di Primio et al., 2008). They are therefore considered as one of the stratigraphic horizons in the North German Basin that potentially could host unconventional gas occurrences. Recent gas-in-place (GIP) estimates of the German Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR) attribute 3.1–13.9 Bcm of shale gas to fine-grained sediments in depths between 1,000–5,000 m of which ∼ 40 % are assigned to carbonaceous mudrocks of the Lower Carboniferous (Ladage et al., 2016). The research and exploration activities on Carboniferous sediments in Germany in the last decades led to an overall good understanding of the formation and the collection of vast amount of data. However, despite the numerous boreholes that have been drilled to explore for conventional hydrocarbons in these successions, the potential for shale gas resources remains unassessed. In this integrated study, the potential for shale gas occurrences in Lower and Early Upper Carboniferous sediments is evaluated based on data compiled from different sources. The aim of this study is to elucidate the interrelationship of depositional features, rock characteristics and diagenetic influences on the governing processes for shale gas occurrences by incorporating: • a comprehensive literature database that emerged from intense research on various aspects of petroleum systems in general and unconventional shale gas systems in particular, • field data, e.g., from well reports, and • new laboratory measurements. The results of the initial shale gas and reservoir quality assessment conducted through comparison with successful U.S. shale gas system parameters and the detailed geochemical, petrographic and petrophysical measurements reveal, that heterogeneity in the investigated sample set is manifold. In general it seems, that variations too small to be resolved by the methodology applied can make a difference in serving as important discriminators for separating lithologic variations of significance for understanding reservoir quality. The Culm-sediments, especially the Lower and Upper Alum Shale (“Liegende” and “Hängende Alaunschiefer”) encountered in Dutch and German boreholes as well as the Rhenish Slate and Harz Mountains are characterized by favorable total organic carbon (TOC) contents and kerogen Types. These baseline parameters in combination with bulk mineralogical compositions make the sediments comparable to the Barnett Shale of the Fort Worth Basin in Texas. Yet, the emplacement and expulsion of Permian in- and extrusives accounts for high maturities that along with deep burial and insufficient thickness limit the overall economic shale gas prospectivity of these sediments. For the “Kohlenkalk” Formation (Carboniferous Limestone) in the Rügen island and Aachen area, only parameters from shale gas systems that are currently under exploration (i.e., the Conasauga Shale in the Appalachian Thrust belt and the Pearsall Formation of the Maverick Basin in Texas) could be drawn on for comparison. In both investigated areas, high TOC contents and favorable kerogen Types occur. Yet strong overmaturity limits the presence of gaseous hydrocarbons along the southwestern basin margin making a shale gas potential unlikely. The succession in the Rügen area however, attained favorable thermal maturities with variable porosity related to clay-mineral content and diagenetic overprint. The combination of the observed parameters indicate a potential for shale oil occurrences in the upper part of the succession and a shale gas potential in the deeper parts. Sediments of the “Altmark–North-Brandenburg Culm” (Synorogenic Flysch Formation) have moderate TOC contents as well as sedimentary structures and gas storage mechanisms that resemble the Lewis Total Petroleum System (TPS) of the Washakie, Great Divide, and Sand Wash Basins in Wyoming and Colorado. Along with favorable thermal maturities this could indicate a possible hybrid gas accumulation. However, a strong diagenetic overprint has mostly destroyed the primary porosity and pore sizes are reduced to a degree such that pores are difficult to detect even with advanced imaging techniques. This substantially reduces the reservoir quality especially in areas with high burial depths.

Description: Die kohlenstoffreichen Sedimente des Karbon im Norddeutschen Becken sind seit langem bekannte Muttergesteine für konventionelle Gasvorkommen in Nordwesteuropa. Aus diesem Grund werden sie auch als Zielhorizonte für mögliche Schiefergasvorkommen in Betracht gezogen. Neueste Gas-In-Place (GIP) Berechnungen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) sprechen 3,1–13,9 Bill. m3 an Schiefergasvorkommen den feinkörnigen Sedimenten in Tiefen zwischen 1.000–5.000 m zu. Davon werden wiederum ∼40% den Tonsteinformationen des Unterkarbons zugeordnet (Ladage et al., 2016). Die Untersuchungen und Explorationen der letzten Jahrzehnte hat zu einem guten Kenntnisstand der deutschen Karbonvorkommen sowie eine große Sammlung an Daten geführt. Und trotz der großen Anzahl an Bohrungen bleibt eine Abschätzung möglicher Schiefergasvorkommen in diesen Sedimenten unzureichend. In den hier vorliegenden Untersuchungen soll das Schiefergaspotenzial des Unter- und frühen Oberkarbon auf Grundlage von Daten aus unterschiedlichen Quellen bewertet werden. Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen Ablagerungsprozessen, Gesteinseigenschaften und Diagenese sowie deren Einfluss auf mögliche Schiefergasvorkommen aufzuklären. Dies geschieht unter Einbeziehung: • eines umfangreichen Literaturbestands, der durch ausgedehnte Untersuchungen zu unterschiedlichen Aspekten konventioneller Kohlenwasserstoffsysteme sowie unkonventioneller Schiefergasvorkommen vorhanden ist, • Feldaten, z.B. aus Bohrberichten und • neuen Labordaten. Die Ergebnisse der initialen Abschätzung zum Schiefergasvorkommen und Reservoirqualität die durch Vergleiche mit produktiven Schiefergassystemen in den USA aufgestellt und durch detaillierte geochemische, petrografische und petrophysische Messungen ergänzt wurden, offenbaren dass die Heterogenität der untersuchten Proben sehr vielschichtig ist. Allgemein lässt sich festhalten, dass die Variationen, die eine Unterscheidung lithologischer Faktoren, die Einfluss auf die Reservoirqualität haben, zu gering sind, um mit der hier angewendeten Methodologie differenziert zu werden. Die Kulmsedimente, besonders die Liegenden und Hangenden Alaunschiefer, die in niederländischen und deutschen Bohrungen sowie in Aufschlüssen des Rheinischen Schiefergebirges und des Harz angetroffen wurden, zeichnen sich durch erhöhte Kohlenstoffgehalte und geeignete Kerogentypen aus. Diese grundlegenden Parameter in Kombination mit der Gesteinszusammensetzung erlauben einen Vergleich mit dem Barnett Shale des Fort Worth Basins in Texas. Jedoch führte die Platznahme permischer In- und Extrusiva zu einer starken thermischen Überprägung der Sedimente, die in Kombination mit großen Versenkungstiefen und geringen Mächtigkeiten zu einer Herabsetzung des Schiefergaspotenzials führt. Für einen Vergleich der Kohlenkalkfazies auf Rügen und im Rheinischen Schiefergebirge mit Schiefergasvorkommen aus den USA konnten nur Systeme herangezogen werden, die sich zur Zeit ausschließlich unter Exploration befinden (der Conasauga Shale in den Appalachen und die Pearsall Formation des Maverick Basins in Südtexas). Für beide untersuchten Gebiete wurden geeignete Kohlenstoffgehalte und Kerogentypen ermittelt. Jedoch führt eine hohe thermische Reife am südwestlichen Rand des Norddeutschen Beckens zu einer Herabsetzung des Schiefergaspotenzials. Auf Rügen hingegen, wurden geeignete thermische Reifen erreicht. Die Porosität variiert mit der Gesteinszusammensetzung und ist abhängig vom Tonmineralgehalt und der diagenetischen Überprägung. Die Kombination der ermittelten Parameter lässt ein Schieferölpotenzial in den oberen Abschnitten der Abfolge und ein Schiefergaspotenzial in den unteren Teilen der Abfolge vermuten. Die Gesteine des Altmark-Nordbrandenburg-Kulms zeichnen sich durch ähnliche Kohlenstoffgehalte sowie einen vergleichbaren sedimentären Aufbau und Gasspeichermechanismus wie im Lewis Total Petroleum System (TPS) der Washakie, Great Divide und Sand Wash Basins in Wyoming und Colorado aus. Dies deutet, zusammen mit geeigneten thermischen Reifen, auf ein mögliches Tight-Gas-Potenzial. Jedoch führt eine starke diagenetische Überprägung zu großen Porositätsverlusten bei dem einzelne Poren selbst unter Zuhilfenahme modernster Bildgebungsverfahren nicht mehr dargestellt werden können. Dieser Faktor führt zu einer drastischen Herabsetzung der Reservoirqualität, besonders in Gebieten in denen die Gesteine tief versenkt wurden.