In this dissertation, the implementation and evaluation of methods and algorithms for the generation of robust and precise relative orbit solutions have been analyzed. Recent experience with the GRACE and TanDEM-X missions showed the feasibility of obtaining relative navigation solutions with precision at the mm/sub-mm level. A key element to achieve such precision levels is the use of carrier phase observations from the Global Positioning System (GPS) with fixed ambiguities. However, when integer ambiguities cannot be correctly fixed, the precision of final baseline solutions is degraded. Hence, although general baseline precision requirements have been fulfilled, the performance of current algorithms may be downgraded under certain mission conditions affecting a correct integer ambiguity resolution or the estimation scheme in general. This is particularly true for mission profiles with long baselines (due to high ionospheric delays), sundry receiver characteristics (e.g. high pseudorange noise, half-cycle ambiguities) and frequent orbit control maneuvers. In this context, the robustness of schemes, characterized by the preservation of proper functionality of estimation techniques regardless of the formation-flying mission profile, started to play a fundamental role. An imperative demand of high levels of robustness for relative orbit determination systems has thus arisen as a key requirement to allow a reliable long-term generation of precise baseline products. In a first stage of this research, a dedicated scheme for integer ambiguity resolution in the low Earth orbit (LEO) scenario has been developed. This scheme aims at improving the robustness levels of current approaches by using dedicated algorithms for the estimation and validation of float and integer ambiguities. For float ambiguity estimation, a developed sequential/batch strategy for data arrangement is used together with an a priori-constrained least-squares estimator. Integer ambiguities were estimated using the optimal integer least-squares estimator. Solution ambiguities were validated with a series of theoretical and empirical validation tests. The ambiguity resolution scheme has been complemented with a baseline determination method based on an extended Kalman filter. The proposed algorithms have been extensively tested using flight data from the GRACE, TanDEM-X and Swarm missions to validate their performance under various mission profiles. An improved robustness with GRACE data has been obtained, directly benefiting the long-term availability of precise solutions. State-of-the-art performance has been achieved for the TanDEM-X mission in short and medium-length baseline configurations. Robust functionality and performance with Swarm data in a long baseline scenario has been attained, even in the presence of half-cycle ambiguities. In a second stage, the overall robustness of the system has been extended. A precise relative orbit determination method based on a batch least-squares estimator has been implemented. This scheme aims to provide more robustness to data gaps and orbit control maneuvers and delivers a relative orbit solution that is completely differentiable. An important feature of this proposed scheme is the added capability of orbit control maneuver estimation using differential GPS observations. The method has been validated using representative data arcs from the GRACE, TanDEM-X and PRISMA missions. Improved solution quality around maneuver periods has been obtained for the three missions under analysis. Maneuver estimates were assessed using a proposed technique called dummy maneuvers insertion. An improved precision of maneuver estimates has been achieved, with potential benefits for maneuver calibration in flight dynamics operations.     «

In this dissertation, the implementation and evaluation of methods and algorithms for the generation of robust and precise relative orbit solutions have been analyzed. Recent experience with the GRACE and TanDEM-X missions showed the feasibility of obtaining relative navigation solutions with precision at the mm/sub-mm level. A key element to achieve such precision levels is the use of carrier phase observations from the Global Positioning System (GPS) with fixed ambiguities. However, when...     »

Die Implementierung und Auswertung von Methoden und Algorithmen für die Erzeugung von hochpräzisen Relativbahnbestimmungslösungen wurden in dieser Dissertation analysiert. Die jüngsten Erfahrungen mit den GRACE und TanDEM-X Raumfahrtmissionen haben die Durchführbarkeit von Relativnavigationslösungen mit mm/sub-mm Präzision gezeigt. Ein entscheidendes Element, um einen solchen Präzisionsgrad zu erreichen, ist die Anwendung von Trägerphasenmessungen vom Global Positioning System (GPS) mit festgesetzten Mehrdeutigkeiten. Jedoch, wenn ganzzahlige Mehrdeutigkeiten nicht richtig festgesetzt sind, die Präzision von Basislinelösungen ist abgebaut. Daher, obwohl die generelle Vorausetzungen um Basisliniepräzision erfüllt wurden, die Leistung von heutigem Algorithmen kann unter bestimmten Bedingungen degradiert werden. Dies ist besonders wahr für Missionprofilen mit langen Basislinien (wegen hoher ionosphärischer Laufzeitverschiebungen), verschiedenen Empfängereigenschaften (hoch Pseudorange Rausch, Halbzyklus Mehrdeutigkeiten) und häufigen Bahnregelungsmanövern. In diesem Kontext, die Robustheit der Systeme, die durch die Erhaltung der Funktionalität von Schätzungsmethoden ungeachtet von Missionprofilen charakterisiert werden kann, begann eine grundlegende Rolle zu spielen. Ein unerlässlicher Bedarf an hohen Robustheitsgraden für Relativebahnbestimmungssysteme hat sich als eine entscheidende Voraussetzung für eine verlässliche und langfristige Erzeugung von hochpräzisen Orbitprodukten herauskristallisiert. In der Anfangsphase dieser Forschung wurde, ein dediziertes Verfahren für Mehrdeutigkeitsauflösung im niedrigen Erdorbit (LEO) entwickelt. Dieser Ansatz zielt auf die Verbesserung des Robustheitgrades von aktuellen Methoden, indem er dedizierte Algorithmen für die Bestimmung und Validierung von reellwertigen und ganzzahligen Mehrdeutigkeiten anwendet. Für die Bestimmung reellwertiger Mehrdeutigkeiten wurde eine entwickelte sequenzielle/stapelweise-verarbeitete Strategie für Datenordnung angewendet, zusammen mit einem a priori-einengenden Least-Squares Schätzer. Ganzzahlige Mehrdeutigkeiten wurden mit einem optimalen Integer Least-Squares Schätzer geschätzt. Lösungsmehrdeutigkeiten wurden mit einer Reihe von theoretischen und empirischen Validierungstests überprüft. Das Mehrdeutigkeitsauflösungsverfahren wurde durch eine Extended-Kalman-Filter-basierte Basislinienbestimmungsmethode ergänzt. Die vorgeschlagenen Algorithmen sind mit Flugdaten der GRACE, TanDEM-X und Swarm Raumfahrtmissionen ausgiebig getestet worden, um ihre Leistung unter verschiedenen Missionprofilen zu bestätigen. Eine verbesserte Robustheit mit Daten der GRACE Mission wurde erhalten, die direkte Vorteile zur Verfügbarkeit von hochpräzisen Lösungen bietet. Eine state-of-the-art Leistung wurde mit Daten der TanDEM-X Mission in Konfigurationen von kurzen und mittellangen Basislinien erhalten. Robuste Funktionalität und Leistung wurden mit Daten der Swarm Mission in einem Langebasislinie-Szenario erhalten, auch in Anbetracht von Halbzyklus-Mehrdeutigkeiten. In einer zweiten Phase wurde die gesamte Robustheit des Systems weiterentwickelt. Eine Least-Squares-basierte Methode für hochpräzise Relativbahnbestimmung wurde implementiert. Dieses Verfahren zielt darauf ab, eine höhere Robustheit gegen Datenlücken und Bahnregelungsmanövern zu schaffen, und dazu liefert es eine Relativbahnlösung, die voll differenzierbar ist. Eine wichtige Eigenschaft dieses vorgeschlagenen Verfahrens ist die zusätzliche Möglichkeit einer Bahnregelungsmanöverschätzung durch differentielle GPS-Messungen. Die Methode wurde mit Flugdaten aus repräsentativen Phasen der GRACE, TanDEM-X und PRISMA Raumfahrtmissionen bestätigt. Eine verbesserte Qualität von Relativbahnlösungen in der Nähe der Manöverzeitpunkte wurde für die drei hier analysierten Raumfahrtmissionen erhalten. Manöverschätzungen wurden durch die Nutzung eines vorgeschlagenen Verfahrens namensDummy-Manöver-Einführung beurteilt. Eine verbesserte Präzision der Manöverschätzungen wurde erhalten, die potenzielle Vorteile für Manöverkalibrierung in Flugdynamikbetrieben haben könnte.     «

Die Implementierung und Auswertung von Methoden und Algorithmen für die Erzeugung von hochpräzisen Relativbahnbestimmungslösungen wurden in dieser Dissertation analysiert. Die jüngsten Erfahrungen mit den GRACE und TanDEM-X Raumfahrtmissionen haben die Durchführbarkeit von Relativnavigationslösungen mit mm/sub-mm Präzision gezeigt. Ein entscheidendes Element, um einen solchen Präzisionsgrad zu erreichen, ist die Anwendung von Trägerphasenmessungen vom Global Positioning System (GPS) mit festges...     »