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Untersuchungen zum Einfluss der Antennenkombination auf GPS-Basislinien.

Untersuchungen zum Einfluss der Antennenkombination auf GPS-Basislinien.
Typ:Diplomarbeit
Datum:2003
Betreuer:

Aufgabensteller:
Prof. Dr.-Ing. B. Heck
Betreuer:
Dipl.-Ing. M. Mayer
Dr.-Ing. K. Seitz

Bearbeiter:Schaack, P.
Zusatzfeld:

IBNr: 872

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Die Zahl der Permanentstationen des Global Positioning System (GPS) nimmt weltweit seit Jahren ständig zu. Diese Stationen sind wesentlicher Bestandteil der Realisierung einheitlicher globaler oder regionaler Referenzsysteme sowie der Erfassung ihrer zeitlichen Positionsveränderungen durch Krustendeformationen oder andere geophysikalische Phänomene.

 

Die Antennen von Permanentstationen sind auf i.Allg. festen Pfeilern montiert, so dass Fehler durch Variation der Aufstellung oder der Messung des örtlichen Vektors von einem Referenzpunkt zum Antennenphasenzentrum vermieden werden. Präzise Satellitenbahnen, Satellitenuhrfehler, Erdrotationsparameter, meteorologische Daten, Parameter der Tropo- und Ionosphäre werden vom International GPS Service (IGS) erfasst und über das Internet kostenlos zur Verfügung gestellt. Es bleiben jedoch eine Reihe anderer meist systematischer Fehler, welche die äußere Genauigkeit wesentlich beeinflussen, wie zum Beispiel Mehrwegeffekte oder lokale atmosphärische Anomalien. Dazu kommt, dass aufgrund der Diversität der weltweiten Netze keine Homogenität der eingesetzten Empfänger- und Antennentypen vorhanden ist.

 

Ein besonderes Augenmerk wurde in dieser Diplomarbeit auf Variationen des Antennenphasenzentrums gelegt, die durch die Bauweise der GPS-Antennen auftreten und elevations- und azimutabhängig sind. Dienste wie der IGS oder der NGS (National Geodetic Survey) führen relative und absolute Antennenkalibrierungen durch und die Ergebnisse werden ebenfalls über das Internet zur Verfügung gestellt. Außerdem wurde versucht, Permanentstationen mit Radomen gezielt zu berücksichtigen. Radome sind Abdeckungen um GPS-Antennen vor Witterungseinflüssen und Beschädigungen zu schützen. Auch hier kommen verschiedene Arten, betreffend Form, Material und Herstellung zum Einsatz. Unbestritten ist, dass diese Abdeckungen die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen beeinflussen sowie zu einer Verzögerung und Brechung der GPS-Signale führen.

 

Um eine aussagekräftige Datenbasis zusammenzustellen, wurde zunächst untersucht, welche Daten von GPS-Permanentstationen im Umkreis von circa 1000 km von der Permanentstation KARL (Karlsruhe) frei über das Internet zu erhalten sind. Dabei wurden die GPS-Permanentstationen folgender drei GPS-Netze untersucht:

  • IGS Tracking Network
  • EUREF Permanent Network (EPN)
  • German GPS Reference Network (GREF)

Das Netz des IGS wurde formal im Januar 1994 initiiert und umfasst weltweit nunmehr circa 300 Stationen. Das europäische Netz EPN wurde 1995 aus einzelne Stationen verschiedener nationaler Netze gebildet insbesondere auch aus Permanentstationen des deutschen Netzes GREF.

 

Da auf den Internetseiten dieser Netze keine übersichtlichen Tabellen aller Stationen zu erhalten waren, wurden die Informationen aller in Frage kommenden Stationen einzeln überprüft und zusammengetragen. Tabelle 1 zeigt alle in einem ersten Schritt erfassten Stationen. Es handelt sich dabei um 79 Stationen mit den dazugehörigen Näherungskoordinaten um die ungefähre Entfernung zur Permanentstation KARL zu bestimmen. Tabelle 2 enthält weitere Informationen zu Empfängern, Antennen, Radomen sowie zu der Netzzugehörigkeit. Zudem ist hier bereits die aus Näherungskoordinaten bestimmte Entfernung zur Station KARL enthalten. Da relativ schnell ersichtlich wurde, dass vorwiegend die Antennenmodelle TRM22020.00+GP, TRM29659.00 und TRM14532.00 der Firma TRIMBLE zum Einsatz kamen, wurde die weitere Analyse und Auswertung auf diese Modelle beschränkt. Beide Tabellen beziehen sich jeweils auf den Stand des Dezembers 2001. Tabelle 3 gibt einen Überblick über die zeitlichen Wechsel der Antennen und Radome in den Jahren 1997 bis 2001.

 

Um bei der Auswertung eine möglichst breitgefächerte Struktur der verschiedenen Basislinienlängen zu erhalten, wurde versucht darzustellen, wie sich die Basislinien verschiedener Antennenkombinationen entfernungsmäßig verteilen. Dabei wurden sowohl Mischbasislinien als auch Basislinien mit baugleichen Antennentypen an beiden Endpunkte untersucht. Grafik 1 zeigt als Beispiel eine 50 km-Klasseneinteilung der Basisilinienlängen der Antennenkombination TRM22020.00+GP/TRM22020.00+GP. Alle anderen möglichen Antennenkombinationen wurden auf die gleiche Weise analysiert. Hierbei fiel auf, dass vor allem sehr kurze Basislinien (< 100 km) äußerst selten vorkamen.

 

Aufgrund einer relativ gleichmäßigen Verteilung für die oben erwähnte Antennenkombination TRM22020.00+GP/TRM22020.00+GP wurde die anschließende Weiterverarbeitung mit der Berner GPS Software auf die Permanentstationen mit dem Antennenmodell TRM22020.00+GP reduziert. Dazu wurden alle RINEX-Dateien der entsprechenden Permanentstationen aus dem Internet bezogen, mit der HATANAKA-Software entpackt und in das Format der Berner GPS Software überführt. Durch das Fehlen verschiedener Datensätze mussten insgesamt acht Blöcke von aufeinanderfolgenden Beobachtungstagen gebildet werden. Zur Auswertung wurde jeweils eine Kampagne für das Jahr 1999 und das Jahr 2000 definiert. Da im Rahmen dieser Arbeit keine komplette Auswertung der Daten mehr vorgenommen werden konnte, zeigt Tabelle 4 abschließend, welche Permanentstationen und GPS-Tage nach der bisherigen Auswertung in einer weiteren Analyse weiterverarbeitet werden können.

 

Nützliche Internet-Seiten:

Informationen und Produkte des IGS

Informationen zum EPN und EUREF

Informationen zu GREF

Datenzentrum des BKG

Daten der Permanentstationen des IGS und des GREF

Daten der Permanentstationen des EPN

Tabelle der IGS-Namenskonvention und Skizzen der geläufigsten GPS-Antennen / Korrekturwerte aus Antennenkalibrierungen

Beschreibung der Fundamentalstation Wettzell

Produkte der Firma TRIMBLE