Frequenzen, Rauschen und Antennen

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1 Frequenzen, Rauschen und Antennen Ergebnisse der Kammerkalibrierung von GNSS Antennen Matthias Becker und Erik Schönemann Institut für Physikalische Geodäsie Technische Universität Darmstadt Philipp Zeimetz Geodätisches Institut Universität Bonn TU Darmstadt-IPG p 1

2 Inhalt - Einführung in Kammerkalibrierung - GNSS Spektrum: GPS GLONASS Galileo - Messung der Antennenverstärkung Frequenzabhängigkeit der Verstärkung Filterung und Interferenzen Signal to Noise und Carrier to Noise Anwendungen - Frequenzabhängigkeit der PCV - Ergebnisse Juli 2006 => Vortrag Zeimetz TU Darmstadt-IPG p 2

3 Antennenmessungen in der Absorberkammer - Ziel: Absolute Antennenkalibrierung mit automatisiertem Verfahren - Kooperation UBW/TUD mit Uni Bonn seit Messungen in Greding 2003, 2004, Messungen in Darmstadt TU Darmstadt-IPG p 3

4 Frequenzen und Bandbreiten I ARNS RNSS RNSS* RNSS* ARNS ARNS RNSS RNSS Galileo E5/A Galileo E5/B GPS L2 Glonass G2 Galileo E6 GPS L1 Glonass G2 960MHz 1151MHz 1164MHz 1188MHz 1214MHz 1215MHz 1237MHz 1239MHz 1254MHz 1258MHz 1260MHz 1261MHz 1300MHz 1559MHz 1563MHz 1587MHz 1591MHz 1593MHz 1610MHz 5010MHz 5030MHz 5250MHz Lower L-Band Upper L-Band C-Band Galileo C1 Galileo E4 Galileo E2 Galileo E1 Galileo E3 GPS L5 RNSS* shared with other services Galileo E5/A or E5/B frequency band options (E5a+E5b) E6 (E2+L1+E1) (E5a+E5b) E6 (E2+L1+E1) Quelle: Forrester, Thales,2001 TU Darmstadt-IPG p 4

5 Frequenzen und Bandbreiten II TU Darmstadt-IPG p 5

6 Frequenzen und Bandbreiten III MHz Quelle: Galileo JU, 3GPP-Meeting 2005 TU Darmstadt-IPG p 6

7 Frequenzgang der Antenne (LEIAT504)) => Prüfen der Anpassung der Antennen and die neuen Signale TU Darmstadt-IPG p 7

8 Frequenz- und Elevationsabhängige Antennenverstärkung Schupler&Clark, GPS-World 2001 TU Darmstadt-IPG p 8

9 Messung der Antennendämpfung Bestimmung der Dämpfung adb [ ] SNRdB [ ] 10 log PR = = 10 PE (1) Bestimmung der absoluten Dämpfung in der Kammer: a db a db a Kab db a Atm db a Send db SNR referred to 1 Hz bandwidth = Carrier to Noise Ratio C/N0 [dbhz] Minimal received carrier power 160 dbwhz Effective C/N0 is then still about 38.6 dbhz. TU Darmstadt-IPG p 9

10 Frequenzgang TRIMBLE Dorne Margolin-Typ TU Darmstadt-IPG p 10

11 Frequenzgang TRIMBLE Zephyr TU Darmstadt-IPG p 11

12 Frequenzgang LEIAX1202 TU Darmstadt-IPG p 12

13 Frequenzgang LEIAX1202 GLONASS TU Darmstadt-IPG p 13

14 Antenna Specs GPS-600-LB Antenna COPYRIGHT 2001 Advanstar Communications, Inc. COPYRIGHT 2001 Gale Group 3 db pass band L1: MHz L2: MHz Out-of-band rejection f c MHz: 25 db mind. fc MHz: 30 db mind. fc MHz: 50 db mind. Antenna elevation pattern q = 90 degrees: 7.5 dbic L1 min 90 degrees = zenith 6.5 dbic L2 min q = degrees -1.5 dbic L1 min -1.5 dbic L2 min q < degrees: -5.5 dbic L1 min -3.5 dbic L2 min q = o +- 5 degrees -7.0 dbic L1 min -5.0 dbic L2 min LNA gain db L1, L2 Noise figure less than or equal to L1-L2 differential propagation delay 1.5 db typical 1.5 nsec typical Axial ratio 0 <= q 5 db max L1 90 <= q 3 db max L2 TU Darmstadt-IPG p 14

15 Spektrumanalysator Störungsspektrum Quelle: T. Borza, I. Fejes, 1999, 2005, GPS INTERFERENCE IN HUNGARY TU Darmstadt-IPG p 15

16 Spektrumanalysator Störungsspektrum SBGZ L2 Quelle: Virag, CERGop-2, pers. Mittlg TU Darmstadt-IPG p 16

17 Störsignale von elektronischen Geräten Quelle: Eurocontrol, 2000 TU Darmstadt-IPG p 17

18 Bandbreite und Störsignalleistung Quelle: Felix Butsch, GPS and GLONASS Radio Interference in Germany, ION UNI Stuttgart TU Darmstadt-IPG p 18

19 Antenna Desgin for Multiple Frequency Bands Helix Antennen sind die idealen Antennen Patch Antennen sind bandlimitiert und schwer an mehrere Frequenzbänder anzupassen Mehrere Antennen-Patches werden zusammengefasst Je nach Auslegung des Empfängers unterschiedliche Antennen Zukünftige Geodätische Empfänger L1 + E5a + E5b + L2(?) =>Teure(re) Hardware, Entwicklungsbedarf für Antennen für neue Signale der kombinierten Empfänger TU Darmstadt-IPG p 19

20 Source to Sink Satellite Link Budget TU Darmstadt-IPG p 20

21 Anwendung des CN0: Gewichtung der Beobachtungen Allein elevationsabhängige Gewichtung nicht ausreichend: 1 / cos(z) z= Zenitwinkel z.b. Berner Software ( SNR α Δ)/10 σ 2 C 10 OBS Δ = Brunner et al, 1999 i C = carrier loop noise bandwidth, converison cycles to mm i 2 2 α = Scaling factor for Δ Δ = Difference to parabolic fit of SNR for particular Antenna s i = s 0 [ F(z). a D ] 2 a = scaling factor < 1 D= Difference to Template Value (Richter & Euler, 2002) TU Darmstadt-IPG p 21

22 Empirische und Kammer Antennendämpfung Empirische Antennen-Gain Kurve Aus Polynomanpassung WTZT 273 Gain from RINEX-SNR 80 Normalized Gain Curve L2 Raw SNR from Rinex - File - Antennen Gain Kurve aus Kammerkalibrierung - SNR SNR L1 20 Gain L2 SNR L Elevation Antennenunabhängige SNR Variationen: MP Atmosphäre TU Darmstadt-IPG p 22

23 Anwendung des CN0: Erkennung von Multipath C/N 0 (MP) = k S i a i cos(f i ) K = Empfängerabhängiger Faktor a i, F i = Amplitude und Phase des Multipatheffekte TU Darmstadt-IPG p 23

24 SNR/CN0 Berechnung von SNR (Signal to Noise Ratio) oder CN0 und Speicherung in RINEX (S1, S2) sind nicht standardisiert: Empfänger/Antennenkombinationsabhängige SNR Werte S1, S2 SNR berechnet nach beliebiger Formel in AMU* Einheiten Multipathanalyse auf SNR Basis nicht, oder nur erschwert möglich SNR/Elevationsabhängige Gewichtung nicht, oder nur erschwert möglich Notwendigkeit zur Standardisierung *AMU= Arbitrary Mystery Units TU Darmstadt-IPG p 24

25 CN0 Standardisierungsprozedur (Geo++) Schmitz et al., IGS 2006 CN0 standardisiert CN0 Sat a Atm a Kab a Ant Emp Einfluss Abk. Verbesserung Satellit Sat ICD GPS received power function Atmosphäre a_atm ICD GPS received power function Antenne a_ant Roboterkalibrierung/Kammerkalibrierung Kabel/Anschlüsse a_kab Relativer CN0 (CN0 Zuwachsfunktion) Empfänger Emp Standardisierung (Anpassungsfunktion) Ziel: Normierte Größen und Korrekturtabelle (ähnlich Antex) zur Verwendung in Auswertesoftware TU Darmstadt-IPG p 25

26 Antennendämpfung LEIAT Geo++ (L2-L1) Kammer (L2-L1) L1 Quelle Kammer L Kammer L Geo++ L Geo++ L TU Darmstadt-IPG p 26

27 Antennendämpfung LEIAT504 Geo++ - Kammer L1 L2 TU Darmstadt-IPG p 27

28 GLONASS-PCV Kalibrierung GEO ++ Schmitz et al., IGS 2006 Roboterkalibrierung schätzt Mix aus: L1 = 1602 MHz + k * 562,5 KHz, k= -7, +6 L2 = 1246 MHz + k * 437,5 KHz, k= -7, +6 Annahme: Linearer Verlauf der PCV Variationen zwischen in der Nähe von GPS L1/L2 und GLONASS L1/L2 Interpolation über 25 MHz PCV Variationen im 1 mm Bereich (L1 / L2) E1 L1 E2 G u G o Ergebnisse der Kammer: => nächster Vortrag (Schupler&Clark, GPS-World 2001) TU Darmstadt-IPG p 28

29 Zusammenfassung Kammerkalibrierung erlaubt umfassende Antennenanalyse Phasenzentrum Elevationsabhängige Verstärkung/Dämpfung Filtercharakteristiken und Frequenzgang Testen der Eignung für GNSS - Schnelle und zuverlässige Methode unabhängig von Störungen bei Feldmessungen - Wichtiger Beitrag zu SNR Bestimmung und Standardisierung - Gute Übereinstimmung mit GEO++ und Feldverfahren bei C/N0 - Noch zu bestätigen! - Weitergehende Untersuchungen mit GNSS Signalgenerator und Empfänger zur besseren Modellierung des gesamten Signalweges TU Darmstadt-IPG p 29