The code observable of global navigation satellite systems (GNSS) is influenced by group delay variations (GDV) of transmitter and receiver antennas. For the Global Positioning System (GPS), the variations can sum up to 1 m in the ionosphere-free linear combination and thus can significantly affect precise code applications. The contribution of the GPS transmitters can amount to 0.8 m peak-to-peak over the entire nadir angle range. To verify the assumption of their time-invariance, we determined daily individual satellite GDV for GPS transmitter antennas over a period of more than two years. Dual-frequency observations of globally distributed reference stations and their multipath combination form the basis for our analysis. The resulting GPS GDV are stable on the level of a few centimeters for C1, P2, and for the ionosphere-free linear combination. Our study reveals that the inconsistencies of the GDV of space vehicle number (SVN) 55 with respect to earlier studies are not caused by temporal instabilities, but are rather related to receiver properties.

The code observable of global navigation satellite systems (GNSS) is influenced by group delay variations (GDV) of transmitter and receiver antennas. For the Global Positioning System (GPS), the variations can sum up to 1 m in the ionosphere-free linear combination and thus can significantly affect precise code applications. The contribution of the GPS transmitters can amount to 0.8 m peak-to-peak over the entire nadir angle range. To verify the assumption of their time-invariance, we determined daily individual satellite GDV for GPS transmitter antennas over a period of more than two years. Dual-frequency observations of globally distributed reference stations and their multipath combination form the basis for our analysis. The resulting GPS GDV are stable on the level of a few centimeters for C1, P2, and for the ionosphere-free linear combination. Our study reveals that the inconsistencies of the GDV of space vehicle number (SVN) 55 with respect to earlier studies are not caused by temporal instabilities, but are rather related to receiver properties.

Globale Navigationssatellitensysteme (global navigation satellite systems, GNSS) ermöglichen die Positionsbestimmung, Navigation und Zeitübertragung überall auf der Erde und zu jeder Zeit. Dabei können durch spezielle Auswerteverfahren und die Berücksichtigung von Messabweichungen, denen die Beobachtungen der Satelliten unterliegen, deutlich höhere Genauigkeiten erreicht werden als ursprünglich vorgesehen. Ursachen für Messabweichungen sind neben Phänomenen, die den Signalweg beeinflussen, auch elektronische und elektromagnetische Effekte an den Satelliten und Empfangssystemen. Richtungsabhängige Verzögerungen der Codebeobachtungen (group delay variations, GDV) stellen eine solche Art der Messabweichung dar. Sie entstehen durch richtungsabhängige Sende- und Empfangseigenschaften der Satelliten- bzw. Empfangsantennen und sind frequenzabhängig. Aufgrund steigender Genauigkeitsanforderungen hat sich die Bestimmung und Korrektion von Messabweichungen zu einem wichtigen Forschungsfeld etabliert. Hier leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag. Sie beschäftigt sich mit der Bestimmung von GDV auf der Grundlage von Beobachtungen terrestrischer Referenzstationen, wobei die GDV der GNSS-Satellitenantennen im Vordergrund stehen. Da eine Codebeobachtung sowohl die GDV der Satellitenantenne als auch die der Empfangsantenne enthält, stellt die exakte Trennung beider Anteile eine besondere Herausforderung dar. Sie kann nur gelingen, wenn für eine der Antennen absolute Werte bekannt sind. Absolute GDV von Satelliten- und Empfangsantennen haben den Vorteil, dass sie unabhängig voneinander nutzbar sind. Im Gegensatz dazu beziehen sich relative Satellitenantennen-GDV auf die verwendeten Empfangsantennen und sind nicht unabhängig von ihnen. Die kumulative Dissertation basiert auf drei wissenschaftlichen Publikationen zur Bestimmung relativer und absoluter GDV. Am Beispiel relativer GDV der GPS-Satellitenantennen wird zunächst deren zeitliche Stabilität untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass von zeitlicher Stabilität über die Dauer von mindestens zwei Jahren ausgegangen werden kann. Daraufhin erfolgt mit Beobachtungen jeweils nur einer Orbitperiode die Bestimmung relativer GDV für die Satellitenantennen von GLONASS und Galileo. Es stellt sich heraus, dass Orbitperioden von mehreren Tagen die Datenakquise deutlich erleichtern. Zudem ermöglichen die Kriterien hinsichtlich des Equipments der ausgewählten Referenzstationen typspezifische Betrachtungen der Empfangsantennen. Schließlich können auf der Grundlage absoluter GDV-Korrektionen für GNSS-Empfangsantennen auch absolute GDV für die Satellitenantennen von GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou und QZSS bestimmt werden. Mit diesem Ergebnis steht erstmals ein umfangreiches Set absoluter Multi-GNSS- und Multifrequenz-GDV für einen Großteil der GNSS-Satellitenantennen zur Verfügung. Es gewährt einen systemübergreifenden Überblick und kann zur Korrektion von Codebeobachtungen verwendet werden. Auch wenn sich die Genauigkeit der GDV-Schätzungen noch nicht abschließend beurteilen lässt, birgt die angewendete Methode das Potenzial, GDV mit einer Präzision von wenigen Zentimetern zu bestimmen.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Beschreibung richtungsabhängiger Codeverzögerungen 1.2 Stand der Forschung 1.3 Motivation 2 Bestimmung richtungsabhängiger Codeverzögerungen 2.1 Richtungen an Satelliten- und Empfangsantennen 2.2 Methoden 2.3 Code-Minus-Carrier-Methode 2.3.1 Code-Minus-Carrier-Linearkombination 2.3.2 Schätzung richtungsabhängiger Codeverzögerungen 2.3.3 Aspekte der untersuchten GNSS 2.4 Ergebnisse 3 Publikationen P1 Die zeitliche Stabilität der Code-Verzögerungen von GPS-Sendeantennen P2 Die Code-Verzögerungen von Galileo und GLONASS P3 Bestimmung absoluter Code-Verzögerungen für GNSS-Satellitenantennen auf der Grundlage absoluter Code-Verzögerungen von Empfangsantennen 4 Schlussfolgerungen und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang / Global navigation satellite systems (GNSS) provide positioning, navigation, and timing services anywhere on Earth and at any time. Sophisticated processing methods and the consideration of measurement deviations make it possible to achieve much higher accuracies than originally intended. Measurement deviations originate, aside from phenomena affecting the signal path, from electronic and electromagnetic effects on the satellites and receiving systems. Direction-dependent delays of the code observations, so-called group delay variations (GDV), represent such a type of measurement deviations. They are caused by direction-dependent transmission and reception properties of the satellite and receiver antennas, respectively, and are frequency-dependent. Due to increasing accuracy requirements, the investigation and correction of GNSS measurement deviations has become an important field of research. This thesis makes a contribution to this field. It deals with the estimation of GDV based on GNSS observations of terrestrial reference stations, with a focus on the GDV occurring at the satellite antennas. Since GNSS code observations contain both the GDV of the satellite and that of the receiver antenna, the exact separation of both parts is a special challenge. It becomes possible only if absolute GDV are available for one of the antennas. Absolute GDV of satellite and receiver antennas have the advantage that they can be used independently of each other. On the contrary, relative satellite antenna GDV refer to the receiver antennas and are not independent from them. The cumulative dissertation is based on three scientific publications on the determination of relative and absolute GDV. First, the temporal stability of the satellite antenna GDV is investigated using the example of relative GDV for GPS satellite antennas. The results indicate that temporal stability can be assumed over a period of at least two years. Second, with observations of only one orbit period each, the determination of relative GDV for GLONASS and Galileo satellite antennas is carried out. It turns out that orbit periods of several days significantly facilitate data acquisition. In addition, the criteria regarding the equipment of the selected reference stations reveal type-specific properties of the receiver antennas. Finally, based on absolute GDV corrections for GNSS receiver antennas, absolute GDV can also be estimated for the satellite antennas of GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, and QZSS. With this result, a comprehensive set of absolute multi-GNSS and multi-frequency GDV is available for the majority of present GNSS satellite antennas for the first time. It provides a cross-system overview and can be used to correct code observations. Even if the accuracy of the GDV estimates cannot yet be conclusively assessed, the applied method has the potential to estimate GDV with a precision of a few centimeters.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Beschreibung richtungsabhängiger Codeverzögerungen 1.2 Stand der Forschung 1.3 Motivation 2 Bestimmung richtungsabhängiger Codeverzögerungen 2.1 Richtungen an Satelliten- und Empfangsantennen 2.2 Methoden 2.3 Code-Minus-Carrier-Methode 2.3.1 Code-Minus-Carrier-Linearkombination 2.3.2 Schätzung richtungsabhängiger Codeverzögerungen 2.3.3 Aspekte der untersuchten GNSS 2.4 Ergebnisse 3 Publikationen P1 Die zeitliche Stabilität der Code-Verzögerungen von GPS-Sendeantennen P2 Die Code-Verzögerungen von Galileo und GLONASS P3 Bestimmung absoluter Code-Verzögerungen für GNSS-Satellitenantennen auf der Grundlage absoluter Code-Verzögerungen von Empfangsantennen 4 Schlussfolgerungen und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang

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