Ziele und Definition

Transkript

1 Titelmaster Aktueller Stand der GNSS Antennenkalibrierung Barbara Görres Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Institut für Geodäsie und Geoinformation

2 Ziele und Definition Ziele von GNSS: hochgenauen Positionsbestimmung Positionssensor: Antenne Ziele der Antennenkalibrierung: Kenntnis über die Eigenschaften der Antennen, d.h. über die genaue Lage des Bezugspunktes 2 Definition einer idealen Antenne PCO: phase centre offset bis 15 cm in der Höhe, wenige mm in der Lage Aber: das Phasenzentrum ist kein Punkt im mathematischen Sinn mittleres PZ PZ: mittleres elektrisches Antennen-Phasenzentrum: Bezugspunkt der Phasenmessung ARP: antenna reference point: Ursprung des antennenfesten Bezugssystems mechanischer Bezugspunkt für konstante Offsets und die Antennenhöhe IGS-Def.: UK der Antenne, Zentrierachse

3 Definition des Antennenmodells PCV: phase centre variations: bis 2 cm 3 Distanzfehlerfunktion: dr(α,β) = a r o + λ dϕ(α,β) elevationsabhängige Phasenfehler (Aufriß) azimutabhängige Phasenfehler (Grundriß) mit PCO: a(ϕ) =(a x, a y, a z )

4 Kalibrierverfahren: Feldmessung Lageoffset Höhenoffset PCV Feldmessung in einer Lage relativ relativ relativ, nur Elevationsabhängigkeit Feldmessung mit Antennendrehung relativ relative Messroboter 4 Labor sichere Montierung auf Pfeilern (wann immer möglich) bekannte Sollkoordinaten vorteilhaft freie Sicht möglichst bis zum Horizont, multipath freie Umgebung + Kalibrierung in Gebrauchslage + Verwendung echter GPS-Signale (Frevert et al. 2006) - Wegen Relativmessung Definition einer Referenzantenne erforderlich

5 Kalibrierverfahren: Messroboter Entwicklung des Roboters durch Geo++ und Uni Hannover Lageoffset Höhenoffset PCV Feldmessung in einer Lage relativ relativ relativ, nur Elevationsabhängigkeit 5 Feldmessung mit Antennendrehung relativ relative Messroboter Labor + Verwendung echter GPS-Signale + geringer Multipatheinfluss wegen Drehung/Kippung der Antenne rechnerische Berücksichtigung möglich (Wübbena et al. 2003) - hoher Aufwand

6 Kalibrierverfahren: Antennenlabor I hier: EMV-Testzentrum der Bundeswehr in Greding größte echolose Kammer Europas 41 x 16 x 14 m reguläre Mietkosten pro Tag Feldmessung in einer Lage Lageoffset relativ Höhenoffset relativ PCV relativ, nur Elevationsabhängigkeit 6 Feldmessung mit Antennendrehung relativ relative Messroboter Labor

7 Kalibrierverfahren: Antennenlabor II Labor - Messaufbau in Greding Sendeantenne L1/L2 Testantenne 7 s 18 m network analyser Steuerung zur Simulation der Einstrahlrichtung

8 Kalibrierverfahren: Antennenlabor III 8 + Direkter Abgriff der Meßwerte, keine ausgleichende Funktion! + geringes Messrauschen + Messdauer < 1 Stunde pro Antenne + sämtliche GNSS-Frequenzen simultan messbar Trimble Zephyr Geodetic - künstliche Signale (kein Code) - begrenzte Verfügbarkeit von HF-Laboren

9 Bonner Antennen-Labor 2009 absorber walkable absorber Grundriss eigene Kammer test area transmitter 9 Kooperation: IGG, Universität Bonn & Bezirksregierung Köln GEObasis.NRW (Zeimetz 2009)

10 AMK Bonn 10 (Zeimetz 2009) 2007: Vertrag Uni Bonn and LVermA NRW Aug. & Sep. 2008: Aufbau-Phase Okt. Dez. 2008: Test-Phase Februar 2009: Start des operationellen Betriebs Montierung, Messung, Auswertung in weniger als 1,5 h

11 Meilensteine: Verfahren : IGS-Standard für Antennenparameter (relativ!) Referenzantenne Dorne Margolin T (PCO aus Labor und zufällige Annnahme PCV = 0) IGS-Datensatz durch Sammeln und Mitteln möglichst vieler Einzelergebnisse aus Feldverfahren 11 April 1999: 1. GPS-Antennenworkshop in Bonn Vorstellung des Messroboters durch Geo++ (Garbsen) Absolutstandard?? August 2002: Frühjahr 2009: erste Labormessungen in Greding Routinebetrieb Antennenlabor Bonn

12 Verifizierung der Kalibrierergebnisse I Nur möglich durch Vergleich von Kalibrierungen derselben Antenne: (Solllösung existiert nicht) Alle Kalibrierverfahren: Restsystematiken, insbesondere Mehrwegeeffekte und Nahfeldeinflüsse Feldverfahren: Fehler aus der Kalibrierung der Referenzantenne und ungleichmäßige Himmelsüberdeckung kommen hinzu 12 Aufbau Kalibrierverfahren 1. Reproduzierbarkeit gleich gleich 2. Aufbau *) verschieden gleich 3. Validierung 4: Validierung durch Anwendung verschieden verschieden *) zb auch Verwendung desselben Verfahrens in anderer Kalibriereinrichtung

13 Verifizierung der Kalibrierergebnisse II Feldverfahren: 1. Reproduzierbarkeit: PCV < 1mm (Zenit bis 10 ) Aufbau: PCV < 1mm (Zenit bis 15 )

14 Verifizierung der Kalibrierergebnisse III Messroboter: 1. Reproduzierbarkeit: PCV < mm (Zenit bis 5 ) < 0.4 mm (< 5 ) Aufbau: PCV < ±5mm (Zenit bis 10 ) 1 2 mm (< 10 ) (Wübbena et al. 2000)

15 Verifizierung der Kalibrierergebnisse IV Antennenlabor: AMK Bonn (Zeimetz 2009) 1. Reproduzierbarkeit: PCV ± 0.2 mm (Zenit bis 10 ) ± 0.3 mm (< 10 ) 15 neu: AMK Bonn: Verbesserung um Faktor Aufbau: PCV ± 0.3 mm (Zenit bis 15 ) ± 1.0 mm (10-5 ) ± 1.5 mm (< 5 ) Mögliche Änderungen im setup: Kabelführung Orientierung der Sendeantenne Montierung der Antenne Abstand Sender Antenne Antennenhöhe etc.

16 Validierung der Kalibrierergebnisse I Ringversuch 2002 Institution Uni Hannover Geo++ Garbsen LGN Niedersachsen Uni Dresden Feld- Kalibrierverfahren Roboter kalibrierung Software GNPCV GNPCV WaSoft/Kalib WaSoft/Kalib 16 Uni Bonn Uni Bonn Labor Bernese GPS Software 2002 nicht verfügbar (Feldmann-Westendorff AWS 2002)

17 Validierung der Kalibrierergebnisse II Ringversuch 2002 Ergebnisvergleich für Leica AT303 (nur elevationsabhängige PCV) 17 Roboterergebnisse (IfE and Geo++) stimmen im Bereich von 1 mm überein Feldkalibrierungen variieren bis zu 2 mm (L1) und 4mm (L2) (Schmid et al. 2002)

18 Validierung der Kalibrierergebnisse III Vergleich der Absolutverfahren Labor (Greding) Roboter (GEO++, Hannover) Leica AT 303 (identische Antenne) 18 hohes Potential für Detailstudien

19 Validierung der Kalibrierergebnisse IV Vergleich Labor- und Roboterkalibrierung (hier Geo++) Example: Trimble Zephyr Geodetic antenna (L1) Elevation Max. diff ± 1.8 mm ± 1.0 mm ± 0.5 mm 19 Gute Übereinstimmung der Messwerte (Stand vor AMK Bonn), aber vorläufige Ergebnisse des neuen Ringversuchs 2009 lassen noch bessere Übereinstimmungen aller verwendeten Verfahren (Labor, Roboter, Feld) erwarten. AWS2009

20 Absolute oder relative Antennenkalibrierung und PCVs von Satellitenantennen 20 (Wübbena 2008) Empfangsantennen Satellitenantennen Relativ 3 Offsetkomponenten nur (Rothacher 2001) bis elevationsabhängige PCV (10-90 ) Referenzantenne D/M mit PCV=0 block-spezifische z-offsets Radom: vernachlässigt Absolut: 3 Offsetkoponenten, Blockweise seit elevations- und azimutabhängige PCVs (0-90 ) nadirabhängige PCVs, satellitenspezifische Berücksichtigung der Radome z-offsets

21 Meilensteine: Validierung und Absolutstandard 2000/2001: 2. Und 3. GPS-Antennen-Workshop in Hannover/Bonn Verifizierung der Ergebnisse verschiedener Kalibrierergebnisse durch Vergleich (Feld + (Labor)) aber: Vergleich von Antennentypen, nicht Einzelantennen 2002: 4. GPS-Antennen-Workshop in Hannover Ringversuch (German bench mark test) 21 seit ca. 2002: rechnerische Bestimmung der PVC von Satellitenantennen 2003: Vergleich von Labor- und Roboterkalibrierung am IGS-Workshop in Bern seit : Wechsel des IGS zum Absolutstandard 2009: neuer Ringversuch

22 Blick in die Zukunft oder Im Labor heute schon die Frequenzen von morgen kalibrieren 22 (Zeimetz 2009) GPS GLONASS

23 Problemfeld heute Kalibrierung des Antennen-Nahfelds? Auftreten stationsabhängiger Effekte bei der Antennenkalibrierung: Mehrwegeeffekte: kurzperiodische Effekte durch Gegenstände im Fernfeld der Antenne Minimierung im Labor durch aufwändige Dämmung Erfassung und rechnerische Berücksichtigung bei der Roboterkalibrierung Mittelungseffekt bei längeren Beobachtungen 23 Nahfeldeffekte: langperiodische Effekte durch Gegenstände im Nahfeld der Antenne (Antennenzubehör, Unterbau, Stativkopf,...) nur unzulängliche Trennung von den PCV möglich wohl aber Quantifizierung nur bedingte Gültigkeit von Kalibrierwerten in veränderter Umgebung Problematik des Antennenwechsels auf Referenzstationen? (Schmitz et al. 2008)

24 Quantifizierung von Nahfeldeinflüssen (hier Kabelführung) (Zeimetz 2008) 24 Abweichungen etwa Faktor 3 größer als Wiederholungsmessung ohne Veränderung Sehr kleine Änderung im Nahfeld verursacht signifikante Änderung des Antennenpatterns Begrenzung der Genauigkeit der Positionsbestimmung

25 Fazit und Ausblick Drei etablierte Verfahren zur Antennenkalibrierung verfügbar, darunter zwei Absolutverfahren Übereinstimmung der Kalibrierergebnisse im Millimeterbereich Vorteil des Bonner Laborverfahrens: Ausgezeichnete Reproduzierbarkeit Hervorragende Möglichkeit für Detailstudien des Antennenpatterns auch mit verändertem Setup, da Dauer einer komplette Kalibrierung < 1h Alle GNSS-Signale schon heute messbar (GPS, GLONASS, GALILEO,...) keine echten Satelliten erforderlich Nachteil: künstliche Signale Roboter 25 Antworten? Offene Fragen heute: Kalibrierung der Satellitenantenne vor dem Start Sprünge in den Zeitreihen bei Antennenwechsel Mögliche Ursache: Änderungen im Antennen-Nahfeld