Absolutkalibrierung von GPS-Antennen am Geodätischen Institut Bonn

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1 1 Absolutkalibrierung von GPS-Antennen am Geodätischen Institut Bonn B. Görres, J. Campbell Geodätisches Institut der Universität Bonn M. Becker Universität der Bundeswehr, München

2 2 Definition Definition einer idealen Antenne Definition einer realen Antenne elevationsabhängige Phasenfehler (Aufriß) azimutabhängige Phasenfehler (Grundriß)

3 3 Antennenmodell PCV = dϕ * λ /360 z E a Ideale Phasenfront a x r 0 β a z reale Phasenfront Distanzfehlerfunktion: dr(α,β) = a r o + λ dϕ(α,β) mit PCO: a(ϕ) =(a x, a y,a z ) ARP x zweistufige Auswertung 1. Bestimmung des mittleren Phasenzentrums (PCO) a relativ zum ARP: Σ dϕ(α,β) ² = Min! 2. Richtungsabhängige Korrekturen an das PCO: Polynom, Polygon, Kugelflächenfunktion oder PCV direkt (nur im Labor!)

4 4 Kalibrierverfahren Feldmessung in einer Lage Feldmessung mit Antennendrehung Lageoffset Höhenoffset PCV relativ relativ relativ, nur Elevationsabhängigkeit absolut relativ relative Meßroboter absolut absolut absolut Labor absolut absolut absolut Bei Relativmessung Definition einer Referenzantenne erforderlich IGS-Standard (Dorne Margolin T und zufällige Annnahmen) Verifizierung der Ergebnisse durch Vergleich, i.d.r. nur typspezifisch möglich IGS-Datensatz: Sammeln und Mitteln möglichst vieler Einzelergebnisse

5 Ringversuch 2002 (4. GPS-Antennen-Workshop in Hannover) Ziel: Besseres Verständnis des Verhaltens der einzelnen Kalibriermethoden durch Kalibrierung eines Satzes identischer Antennen von verschiedenen Institutionen Institution Kalibrierverfahren Software Leica AT with Radome LEIAT303 LEIC Novatel 503 Choke Ring with Radome NOV503 NOKE Trimble microcentered with Ground Plane TRM GP Uni Hannover Roboter GNPCV Geo++ Garbsen absolut GNPCV LGN WaSoft/Kalib Niedersachsen Feld- Uni Dresden kalibrierung WaSoft/Kalib Uni Bonn relativ Bernese GPS Software Uni Bonn Labor 2002 nicht verfügbar Leica AT 502 Trimble Zephyr geodetic LEIAT502 TRM FGS-Workshop 2004 Görres: Absolutkalibrierung von GPS-Antennen... (Feldmann-Westendorff 2002) 5

6 6 Ringversuch 2002 Leica AT303 (elevationsabhängige PCV) Bestätigung der 1 absoluten (mm) 1,6 1,4 RMS(Ele) L1 1,2 RMS(Ele) L2 Ergebnisse 0,8 durch ein unabhängiges Verfahren? 0,6 Mit identischer 0,4 Antenne! 0,2 0 IfE Geo++ LGN TUD GIB (Schmid et al. 2002) Die Roboterergebnisse (IfE and Geo++) stimmen im Bereich von 1 mm überein Feldkalibrierungen variieren bis zu 2 mm (L1) und 4mm (L2)

7 7 EMV-Testzentrum der Bundeswehr in Greding Größte echolose Kammer Europas 41 x 16 x 14 m Absorber sehr gut geeignet für Frequenzen > 0.5 GHz

8 8 Meßaufbau im Labor in Greding (Testlauf) Sendeantenne L1/L2 test antenna s 18 m gesendetes Signal GDI-bus network analyser Steuerung des Antennenaufbaus Empfangenes Signal

9 9 Untersuchte Antennentypen Antennentyp IGS-Code Trimble compact TRM GP mit Grundplatte Trimble Zephyr geodetic TRM stealth groundplane (anti-reflex) Trimble geodetic TRM Leica AT 504 LEIAT504 Dorne Margolin Antenne mit chokerings (baugleich nach D/M T) Leica AT303 LEIAT303_LEIC micropuls Antenne mit chokerings und Radom (baugleich mit AT503)

10 10 Phase pattern L1 (Elevationsabhängigkeit) Direkter Abgriff der Meßwerte, keine ausgleichende Funktion! 8 Leica AT303 Leica AT504 Tr Geod Tr Zephyr Tr Compact Phase [mm] Zenitwinkel [Grad]

11 11 Phase pattern L2 (Elevationsabhängigkeit) 8 Leica AT303 Leica AT504 Tr geod Tr Zephyr Tr compact 6 4 Asymmetry 2 Phase [mm] Zenitwinkel [Grad]

12 12 Phase pattern (Azimutabhängigkeit) Elevation Leica AT303 Leica AT504 Tr Geod Tr Zephyr L1 3 2 Leica AT303 Leica AT504 Tr Geod Tr Zephyr L2 P h a s e [m m ] Phase [m m ] Azimut [Grad] Azimut [Grad]

13 13 Vergleich des Phasenverlaufs L1 (Elevationsabhängigkeit) Labor (Greding) Roboter (GEO++, Hannover) Leica AT 303 (identische Antenne) 12,0 Greding Geo++ 10,0 8,0 6,0 PCV [mm] 4,0 2,0 12,0 Greding Geo++ 0,0-2,0 10,0 8,0 6,0 L2-4,0 PCV [mm] 4,0 2,0-6, Elevation [Grad] 0,0-2,0-4,0-6, Elevation [Grad]

14 14 Vergleich des Phasenverlaufs (Azimutabhängigkeit Elevation 12.5 ) Labor (Greding) Roboter (GEO++, Hannover) Leica AT 303 (identische Antenne) Greding L1 Geo++ L1 Greding L2 Geo++ L2 3,0 3,0 2,0 Leica AT 303 L1 2,0 Leica AT 303 L2 1,0 1,0 PCV [mm] 0,0 PCV [mm] 0,0-1,0-1,0-2,0-2,0-3, Azimut [Grad] -3, Azimut [Grad]

15 15 Vergleich der Offsets und Pattern Labor (Greding) und Roboter (GEO++) Leica AT504 L1 Leica AT504 L1 PCV [mm] 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00-2,00-4,00-6,00-8, Elevation [Grad] Greding L1 Geo++ L1 PCV [mm] 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00-2,00-4,00-6,00-8, Elevation [Grad] Greding L1 Geo++ L1 Rest-Offsets sig0(ele-comp) L1 sig0(ele-comp)l2 6 4 nach Anpassung beider Patterns 2 1,8 1,6 1,4 2 1,2 (mm) 0-2 Leica AT504 Leica AT303 TRM Comp +GP TRM Geodetic TRM Zephyr (mm) 1 0,8 0,6-4 0,4 0,2-6 D(az) L1 D(az) L2 0 Leica AT504 Leica AT303 TRM Comp +GP TRM Geodetic TRM Zephyr

16 16 Comparison of Phase pattern (Elevation - Dependence) Chamber (Greding) - absolut field calibration with robot (GEO++, Hannover) relative field calibration (IGS, NGS) Leica AT ,0 12,0 10,0 Greding Geo++ NGS IGS Leica AT 303 L1 10,0 8,0 Greding Geo++ NGS IGS Leica AT 303 L2 8,0 6,0 PCV [mm] 6,0 4,0 2,0 PCV [mm] 4,0 2,0 0,0-2,0 0,0-4,0-2,0-6, Elevation [Grad] -4, Elevation [Grad]

17 17 Fazit Ausgezeichnetes Potential für die Absolutkalibrierung von GPS- Empfangsantennen im EMV-Test-Labor in Greding Die Ergebnisse von Roboter und aus absoluter Kammerkalibrierung stimmen für identische Antennen im mm- Bereich überein Beide Verfahren erlauben eine homogene Verteilung der Messwerte auf der Antennenhalbkugel Die Kammerkalibrierung ermöglicht Detailstudien des Antennenpatterns, da sich die PCVs direkt und ohne Annahme einer ausgleichenden Funktion darstellen lassen neues DFG-Projekt seit Juni 2004: Detailuntersuchungen des Verfahrens Messung des kompletten Antennenmodells nach Entwicklung einer automatisierten Kalibrierprozedur für die Labormessungen