GPS clock correction estimation for near real-time orbit determination applications

Precise orbit determination for low Earth orbiting (LEO) satellites using the global positioning system (GPS) is usually done in a post-processing mode introducing GPS satellite orbits and clock corrections. Depending on the mission objectives, the latency and required accuracy of precise LEO orbit information can vary significantly. Near real-time (NRT) orbits for certain geodetic missions (e.g. atmospheric sounding or altimetry) may require accuracy down to 10 cm (radial) or 0.1 mms−1 (along-track) and with a latency of less than 2–3 hours after the GPS measurements have been taken on the satellite. In order to fulfill such a demand in NRT, it is crucial that GPS orbit and clock products are available within the desired time frame and with adequate accuracy. In response to the demanding NRT processing for future geodetic satellite missions (i.e. ESA's Sentinel series), the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) and Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) have made an effort in finding an alternative approach to obtain high-rate NRT GPS orbit and clock solutions by way of GPS clock corrections estimation. A realistic NRT orbit determination (OD) scenario has been simulated in this joint-study assuming a radial orbit accuracy of 10 cm and of 3 hours latency for the orbit product. A summary of all currently available NRT GPS orbit and clock products and a description of the generation of NRT GPS clock corrections are given in detail in this paper. The estimated GPS clock corrections are validated with a kinematic precise point positioning (PPP) for static ground stations. For direct evaluation of this innovative approach on the LEO orbits, the resultant merged high-rate NRT GPS product was tested using GPS data from the GRACE (Gravity Recover And Climate Experiment) mission. The results from the NRT simulation show promising aspect of such a concept to achieve unprecedented LEO orbit accuracy in NRT.

ZusammenfassungDie hochgenaue Bahnbestimmung für tieffliegende Erdsatelliten mit Hilfe des Global Positioning Systems (GPS) wird normalerweise in einer nachträglichen Verarbeitung der Daten mit einigen Tagen Verzögerung durchgeführt, wobei GPS Satellitenbahnen und Uhrkorrekturen eingeführt werden. Die Anforderungen an zeitliche Verfügbarkeit und Genauigkeit der Bahninformation des Satelliten können sich, abhängig von den Zielen der Mission, deutlich unterscheiden. Bei bestimmten geodätischen Missionen (Atmosphärensondierung, Altimetrie) können die Genauigkeitsanforderungen für Bahnen bei nur 10 cm (radial) oder 0.1 mms−1 (in Flugrichtung) liegen und die Bahnen müssen innerhalb von 2–3 Stunden, nachdem die GPS Messungen gemacht worden sind, verfügbar sein. Um diese Vorgaben erreichen zu können, ist es äusserst wichtig, dass GPS Bahn- und Uhrenprodukte innerhalb kürzester Zeit und mit der notwendigen Genauigkeit verfügbar sind. Zur Erfüllung der Vorgaben der fast Echtzeit-Datenverarbeitung zukünftiger geodätischer Satellitenmissionen (i.e. ESA's Sentinel Serie) haben das Astronomische Institut der Universität Bern und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ein Verfahren entwickelt, um GPS Bahn- und Uhrenlösungen mit hoher Datenrate in fast Echtzeit zu bestimmen. Ein realistisches Szenario für eine Bahnbestimmung in fast Echtzeit wurde für diese gemeinsame Studie simuliert, wobei eine zu erreichende radiale Bahngenauigkeit von 10 cm und eine Verfügbarkeit der Bahn innerhalb von 3 Stunden vorausgesetzt wurde. In diesem Artikel werden die zur Zeit existierenden GPS Bahn- und Uhrenprodukte vorgestellt, die das Verfügbarkeitskriterium erfüllen. Die neue mit kurzer Verzögerung durchgeführte GPS Uhrenschätzung wird genau beschrieben. Die geschätzten GPS Uhrkorrekturen werden mit Hilfe eines kinematischen ‘precise point positioning’ statischer Bodenstationen validiert. Die Anwendbarkeit des neuen Verfahrens auf die Bahnen eines tieffliegenden Satelliten wurde anhand von GPS Daten der GRACE Mission geprüft. Die Resultate der fast Echtzeit-Simulation zeigen die vielversprechenden Aussichten solch eines Konzeptes, beispiellose Bahngenauigkeit für tieffliegende Erdsatelliten schon nach wenigen Stunden erreichen zu können.