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Prüfung von GPS-Antennen

Fehlereinflüsse bei GNSS am Beispiel GPS

Der in den letzten Jahren rasch zunehmende Auf- und Ausbau von hochpräzisen lokalen, regionalen und globalen GPS-Netzen sowie die Herstellung von preiswerter GNSS-Ausrüstung macht eine Bearbeitung von heterogenen Antennenfeldern (Empfangsantennen) im Alltag des modernen Geodäten i.d.R. unumgänglich.

Diese Tatsache rührt einerseits von der Nutzung unterschiedlicher Antennentypen beim Aufbau der einzelnen übergeordneten Netze, andererseits von den auf Nutzerseite eingesetzten GNSS-Antennen her. Bleiben die Unterschiede der verschiedenen Antennenbaureihen unberücksichtigt, so muss im Verlauf der GNSS-Signalverarbeitung mit einer nicht mehr vernachlässigbaren Verschlechterung der Zwischen- und Endergebnisse (z.B. Phasenmehrdeutigkeiten, Koordinaten, Genauigkeitsmaße) gerechnet werden. Seit einigen Jahren ist GNSS-Nutzern bekannt, dass auch innerhalb einer Baureihe bspw. fertigungsbedingte Unterschiede (z.B. Konstruktionstoleranzen) bestehen können, denen auf Grund gewachsener Ansprüche bspw. durch die Verwendung von verbesserten und erweiterten Modellen Rechnung getragen werden muss.

Somit ist mit diesem stationsspezifischen Störeinfluss eine potenzielle Limitierung der Genauigkeit gegeben, die noch vor einigen Jahren „im Signalrauschen unterging“, heute jedoch neben Fehleranteilen bedingt durch neutrale Atmosphärenbereiche, Ionosphäre, Satellitenbahndaten oder Mehrwegeeffekte eine immer größere Rolle bei der hochgenauen Punktpositionierung bspw. für geodynamische Anwendungen vor allem bei statischen Beobachtungskonzepten, aber auch im Echtzeitanwendungsfall spielt. Die Auswirkungen einer nicht umfassenden oder nicht korrekten Handhabung dieses Fehlereinflusses auf Koordinaten können, wie Forschungsarbeiten zeigen, in ungünstigen Fällen mehrere Zentimeter betragen.

Am Beispiel von GPS-Empfangsantennen sollen die aktuellen Forschungsarbeiten des GIK im Folgenden beschrieben werden. Ebenso wird auf ein bestehendes Test- und Kalibrierfeld für GPS-Empfangsantennen hingewiesen.

 

Prinzipielles zur Antennenmodellierung und -kalibrierung

Empfangsantennenmodell: Phasenzentrumsoffset
Empfangsantennenmodell: Phasenzentrumsoffset
Empfangsantennenmodell: Phasenzentrumsoffset und elevationsabhängige Phasenzentrumsvariationen
Empfangsantennenmodell: Phasenzentrumsoffset und elevationsabhängige Phasenzentrumsvariationen

Das Modell für GPS-Empfangsantennen setzt sich prinzipiell aus dem konstanten Phasenzentrumsoffset (PZO) und den von der Richtung des einfallenden Signals abhängigen Phasenzentrumsvariationen (PZV) zusammen.

In diesem Kontext sind auch die beiden Begriffe mechanisches bzw. elektrisches Phasenzentrum von besonderer Bedeutung.

Das mechanische Phasenzentrum entspricht einer theoretischen (bspw. fertigungsbedingten) Sollposition des Phasenzentrums und ist in der Regel Teil der Symmetrieachse der Antenne. Die Position wird in einem spezifischen antennenfesten Koordinatensystem beschrieben. Der Ursprung wird Antennenreferenzpunkt (ARP) genannt und liegt im Zentrum der Antennenunterseite. Die Koordinatenachsen fallen mit den Achsen eines lokalen topozentrischen Koordinatensystems zusammen. Zu beachten ist jedoch, dass das mechanische Phasenzentrum bspw. aus mehreren Einzelbestandteilen zusammengesetzt ist.

Wird unter Anderem der Wechselwirkung der empfangenen elektromagnetischen Signale mit den Antennenbestandteilen Rechnung getragen, so ergibt sich eine Abhängigkeit der Lage des sog. elektrischen Phasenzentrums von der Richtung (Elevationswinkel, Azimut), aus der die GPS-Signale einfallen. Die elektrischen Phasenzentren beider GPS-Trägerfrequenzen fallen in der Regel nicht zusammen (Frequenzabhängigkeit), so dass sich in Abhängigkeit von der im Rahmen von GPS- Auswertungen angewandten Linearkombination weiterhin unterschiedliche Phasenzentren ergeben.

Der PZO stellt eine mittlere Position des elektrischen Phasenzentrums dar, welche im antennenspezifischen Koordinatensystem frequenzabhängig metrisch angegeben wird, wohingegen die PZV der Richtungsabhängigkeit Rechnung tragen und somit Verbesserungen der Phasenmessungen in Bezug auf das mittlere elektrische Phasenzentrum darstellen. PZV sind ebenfalls frequenzabhängig.

Im Rahmen von Antennenkalibrierungsverfahren werden individuelle Werte für PZO und PZV beider Trägerfrequenzen bestimmt.

Eine Klassifizierung der prinzipiell anwendbaren Verfahren zur Empfangsantennenkalibrierung ist über die Örtlichkeit (Labor, Feld) bzw. die Signalart (künstlich, real) sowie über den vorhandenen bzw. nicht existierenden Bezug zu einer Referenzantennen (relativ, absolut) möglich. Relative Feldkalibrierungen, wie am GIK angewandt, gehören neben absoluten Laborkalibrierungen zu den traditionellen Kalibrierungsverfahren; sie werden seit Anfang der 90er Jahre erfolgreich eingesetzt.

 

Zielsetzung

Das Empfangsverhalten von GPS-Antennen hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab. Im Speziellen sind Einflüsse der Örtlichkeit und atmosphärische Faktoren, die die Signalausbreitung betreffen, aktuell von besonderem wissenschaftlichem Interesse. Bei nicht umfassender Modellierung oder nicht gänzlicher Elimination dieser Einflussfaktoren im Rahmen von Kalibrierverfahren ergeben sind ungenaue bzw. fehlerhafte Korrekturwerte. Deshalb wird am GIK ein Kalibrierverfahren zur Anwendung gebracht, welches sich durch eine hohe Robustheit gegenüber diesen Einflussfaktoren auszeichnet. Die zur Verfügung gestellten Resultate geben zudem einen guten Einblick in die Bandbreite der Streuung der Kalibrierergebnisse, so dass ebenso Rückschlüsse auf das variable Empfangsverhalten der GPS-Antennen sowie auf die Gültigkeit von Korrekturwerten in unterschiedlichen Umgebungen getroffen werden können.

Die Korrekturwerte werden in allen üblichen Formaten (z.B. ANTEX, Bernese, IGS) zur Verfügung gestellt. Die ermittelten Ergebnisse werden zusätzlich in Relation zu bekannten Typkalibrierungswerten sowie ggf. zu Antennen des selben Typs, die am GIK kalibriert wurden, gesetzt, so dass Abweichungen der ermittelten Individualkalibrierung (bspw. von Herstellerangaben) quantifiziert werden können und Aussagen hinsichtlich der Relevanz der Berücksichtigung der ermittelten Korrekturwerte z.B. im Rahmen von statischen Post-Processing-Anwendungen gemacht werden können. Des Weiteren erfolgt eine Visualisierung des frequenzabhängigen Empfangsverhaltens der Antenne.

 

Verfahren

Kalibrierpfeiler
Kalibrierpfeiler

Zur Anwendung kommt ein relatives Feldverfahren. Die Referenz stellt dabei die Referenzstation KARL dar. Für diese ca. 15 m von den Kalibrierpfeilern entfernte GNSS-Permanentstation liegen individuelle absolute, von der Fa. Geo++ bestimmte Werte vor, die das Empfangsverhalten der Antenne hoch genau beschreiben. Somit können durch das angewandte relative Verfahren für jeden Prüfling individuelle absolute Kalibrierwerte bestimmt werden. Hierzu ist eine präzise Ermittlung der Höhendifferenz zwischen zu kalibrierender und Referenzantenne notwendig.

Es werden pro Prüfling und Standort 24 Stunden Beobachtungsmaterial gesammelt und ausgewertet. Dabei wird der Prüfling pro Minute automatisch in vier unterschiedliche Richtungen (N-S-O-W) gedreht, wodurch für die gesamte Antennenhemisphäre Korrekturwerte bestimmt werden können. Für jede Antennenausrichtung liegen somit Rohdaten mit einer Rate von 60 s vor.

Es werden pro Prüfling mindestens 2 Standorte verwendet, um die oben (Zielsetzung) angeführte Bandbreite der Streuung der Kalibrierergebnisse ermitteln zu können.

Des Weiteren erscheint eine regelmäßige Überwachung (alle 2 Jahre) der Antennencharakteristik sinnvoll, so dass zeitliche Veränderungen feststellbar sind. Ebenso empfehlen wir eine Antennenüberprüfung bei einem Verdacht auf Beschädigung.

Komponenten

Bezugshöhenbolzen   Referenzantenne KARL   Höhenübertragung am Prüfling   Ausrüstung   Laborraum
Hintergrund: Referenzantenne KARL; Vordergrund: Bezugshöhenbolzen zur hochgenauen Bestimmung des Höhenunterschieds  

Höhenübertragung an der Referenzantenne KARL

  Höhenübertragung zum Prüfling Ausrüstung zum Aufbau und zur automatischen Drehung (DRB, gefertigt am Geodätischen Institut der TU Dresden)  Laborraum im Observatorium; Auswertesoftware: WaSoft/Kalib (Ingenieurbüro Wanninger)


Darstellung der Ergebnisse ausgewählter Untersuchungen

 

Ausblick

Zur Minimierung der Auswirkungen von potenziellen, an der Oberfläche der Kalibrierpfeiler entstehenden Mehrwegeeffekten wird künftig ein spezielles Material verwendet, das auf die Pfeileroberfläche aufgebracht wird. Dieses sog. Absorbermaterial verhindert das Reflektieren von elektromagnetischen Signalen des L-Bandes und somit das anschließende Überlagern von originärem und reflektiertem GPS-Signal. Hieraus folgt eine Steigerung der Zuverlässigkeit und höhere Qualität des Verfahrens.

 

Referenzen

  • Landesvermessungsamt Baden-Württemberg, Abteilung Geodäsie in Karlsruhe, Referat 31, Team SAPOS und spezielle Berechnungen
  • Stadt Mannheim, Fachbereich Geoinformation und Vermessung, Abteilung Vermessung
  • Landesamt für Vermessung und Geobasisinformation Rheinland-Pfalz (Ansprechpartner: Reichert)

 

Kosten

Das Geodätische Institut bietet für externe Auftraggeber Dienstleistungen im Kontext Antennenkalibrierung und -prüfung an.

Angebot auf Anfrage.

 

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Michael Mayer

Dipl.-Ing. Andreas Knöpfler

 

Veröffentlichungen/Vorträge/Poster

Knöpfler, A.; Mayer, M.; Nuckelt, A.; Heck, B.; Schmitt, G. (2007) 
Untersuchungen zum Einfluss von Antennenkalibrierwerten auf die Prozessierung regionaler GPS-Netze.
Universität Karlsruhe, Schriftenreihe des Studiengangs Geodäsie und Geoinformatik, Heft-Nr. 2007/1, 2007.
zur Internetveröffentlichung ... 

Freiberger Jr., J.; Heck, B.; Pereira Krueger, C.; Mayer, M.; Seitz, K. (2005)
Estimacao do centro de fase medio de antennas gps.
Serie em Ciencias Geodesicas, As Ciencias Geodesicas nas Politicas de Desenvolvimento 2005, Vol. 5, S. 36-48.

Freiberger Jr., J.; Mayer, M.; Seitz, K.; Heck, B.; Pereira Krueger, C. (2005) 
Calibracao de antenas GPS em diferentes estacoes.
Boletim de Ciencias Geodesicas, Vol. 11, 2/2005, S. 157-178.

Rozsa, S.; Mayer, M.; Westerhaus, M.; Seitz, K.; Heck, B. (2005)
Towards the determination of displacements in the Upper Rhine Graben area using GPS measurements and precise antenna modelling.
Quaternary Science Reviews, (24)2005, S.425-438.

Freiberger Jr., J.; Seitz, K.; Mayer, M.; Nuckelt, A.; Heck, B.; Pereira Krüger, C. (2004) 
Ein Kalibrierungsverfahren für GPS-Referenzstationsantennen des Bundesstaates Parana/Brasilien.
Geodätische Woche 2004, 12. - 15. Oktober 2004, Stuttgart.

Mayer, M. (2002)
GPS-Antennenkalibrierung.
In: Heck, B./Illner, M. (Hrsg.): GPS 2002: Antennen, Höhenbestimmungen und RTK-Anwendungen. 57. DVW-Seminar, Karlsruhe, 16.-17. September 2002, DVW-Schriftenreihe, Band 44 (2002), Wittwer, S.118-134.