Einführung in die Thematik

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1 Einführung in die Thematik Falko Menge, Volker Böder Institut für Erdmessung, Universität Hannover

2 GPS-Fehlerhaushalt für die relative Positionsbestimmung stationsabhängige Fehleranteile entfernungsabhängige Fehleranteile Phasenzentrumsvariationen Mehrwege-Effekt (Multipath) Rauschen Bahnfehler Ionosphäre Troposphäre mm.. 3 cm mm.. 5 cm 2 mm ppm ppm ppm Abhife: Kalibrierung Abhilfe: Vernetzung

3 PCV: (mm... cm) Auswirkung: (keine... mm... cm... 1 dm) f ( Antennen, Messkonfiguration, Korrektur, Auswertung)

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5 Seit Beginn 80er Jahre Bedeutung für die präzise GPS-Positionierung erkannt Sims (1985), Geiger (1988), Tranquilla und Colpitts (1989), Schupler und Clark (1991)... zuerst theoretische Überlegungen und Laboruntersuchungen, später GPS-Feldkalibrierungen Empfangscharakteristik von GPS-Antennen nicht punktförmig, sondern Funktion von Azimut und Elevation Unterschiedliches Antennenverhalten (Elemente, Grundplatte, Größe...)

6 Satellitensignal (rechtshändig polarisiert - RHCP) Energieentnahme vom elektromagnetischen Feld Induktion von Strömen/Umwandlung/Weiterleitung... Charakteristik einer GPS-Antenne f(gesamtaufbau) Elektronik (Typ: Kreuzdipol, Microstrip etc./vorverstärker) Mechanik (Gehäuse, Grundplatte, Dome etc.) Abweichung vom idealen punktförmigen Empfang Phasenempfang richtungsabhängig (phase pattern) Phasenempfang frequenzabhängig (L1, L2, GPS, Glo) präzise Positionierung erfordert PCV-Information

7 Antennentypen Monopol, Dipol, Helix, Microstrip GP (mit/ohne/typ), Choke-Ring, Dome Bsp. Microstrip - Empfangsverhalten: Patch Orientierung Höhe/Dielektrikum Strompunkt Fertigungsunterschiede/Fehler möglich Typ- oder Individualkalibrierung? i.a. Typen sehr konsistent (Kraus 1988)

8 Beschreibung des Empfangsverhaltens der Antenne: Mechanisches Zentrum (Antenna Reference Point ARP, definierter Bezugspunkt der Antenne, z.b. Schnittpunkt mechanischer Symmetrieachsen) Elektrisches (mittleres) Phasenzentrum (Minimierung Quadratsumme PCV; Minimierung Flächenintegral PCV; Approximierung der Phasenfront eines kleinen Raumwinkel des Strahlungsfeldes der Antenne durch eine Kugeloberfläche. Der Kugelmittelpunkt wird als Phasenzentrum definiert ; Dem Phasenzentrum eines bestimmten Winkelbereichs des Strahlungs-feldes entspricht der Mittelpunkt einer Krümmungskugel, die sich im entsprechenden Winkelbereich an die Phasenfront (Flächen gleicher Phase) anschmiegt (Geiger 1988) Offset: Vektor zwischen dem mechanischen und elektrischen Phasenzentrum Phasenzentrumsvariationen Abweichung der Phasenlage in Abhängigkeit von der Signalrichtung

9 vollständige Beschreibung des Empfangsverhaltens nur über konsistente Einheit: ARP + Offset + PCV r r X X + φ (, e R = RCV SAT ANT α )

10 Umrechnung Linearkombination: Zusammengehörige Kombination: (Umrechnung) KK r r r r = + = + = ), ( ), ( ), ( * * e e X e e X e PCV Off PCV Off ANT α φ α φ α φ L Off L Off L Off X X X = r r r

11 Offsetbestimmung: in Praxis unterschiedlich umgesetzt, nicht konsistent f (Elevationsmaske, Ort/Konstellation/Meßdauer/MP) relative Offsets bezüglich Referenzantenne (3D) absolute Offsets (2D) + relativer Offset Höhe absolute Offsets (3D) Minimumsbedingung (über Phasenbeobachtung oder über PCV) Offset ist nur Näherungskorrektur, besser nur in Verbindung mit PCV Präzise Anwendungen (Provider und Nutzer): Komplettes Korrekturmodell

12 Offsetbestimmung (vgl. Offset-Problematik ) 3D relativ zu Referenzantenne a) auf Eichbasis, b) Antenna Swap 2D (horizontal) absolut durch Antennenrotation 3D absolut (vgl. absolute Kalibrierung) Relative PCV-Feldkalibrierung Messaufbau unkompliziert, lange Beobachtungen, (tlw. Rotation) Referenzkoordinaten erforderlich Ergebnisse relativ zu Referenzantenne (PCV zu NULL, Offset festgelegt) Modellierung Residuen (undifferenziert oder SD oder DD) über Polygon/Polynom/Kugelfunktion Multipatheinfluss nur PCV = f (elv) bis 10 Elevation (Mittelungseffekt über MP und azimutale PCV) PCV = f (elv, az) direkter Einfluss MP Beobachtungsverteilung? Antennenorientierung große Netze?...

13 Absolute Kammerkalibrierung Verschwenkung/Verschiebung Prüfantenne bezüglich künstlichem GPS- Signal in sog. Anechoic Chamber (mikrowellentoter Raum) hoher Messaufwand künstliches Signal / Präzision Mechanik / MP / Anzahl Stellungen? Absolute Feldkalibrierung Messprogramm: Rotation und Kippung (!) Prüfantenne unabhängig von Referenzkoordinaten, Referenzantenne durchgreifende Berücksichtigung Multipathproblematik (Elimination) durch siderische Tagesdifferenz bzw. Echtzeitverfahren hoher Aufwand (Vereinfachung Messprogramm durch Automatisierung, sehr hohe Anzahl Stellungen) Modellierung über Kugelfunktion, Referenzpunkt hochgenau bekannt Bestimmung azimutaler PCV möglich und bis 0 Elevation

14 Wer bin ich, was will ich, was mache ich? Genauigkeitsziele? (mm... cm...)? Antennentyp(en)? Identisch / gemischt / starke (azimutale) Variationen / Orientierung Art und Qualität Korrektur? Offset, relative PCV, absolute PCV, Typ-/Individualkalibrierung (Achtung: Mischung/Umrechnung/Konsistenz) Provider/Referenzstationsbetreiber oder Nutzer? Anwendung? Netzgröße, Messdauer, Kataster, Ingenieurvermessung, RTK... Auswertung, Berechnung? L1... L0... Troposphärenmodellierung... Elevationsmaske, statisch, kinematisch (schnelle, zuverlässige N-Lösung erforderlich?)