Aktueller Stand der GNSS- Antennenkalibrierung 1

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1 Aktueller Stand der GNSS- Antennenkalibrierung 1 Barbara Görres Institut für Geodäsie und Geoinformation Nussallee Bonn goerres@uni-bonn.de 1 Einführung Verfolgt man das Ziel, mit GNSS Höhen oder Höhenunterschiede auf dem Niveau von besser als 1 cm zu bestimmen, muss das Phasenzentrum der verwendeten Antennen, den eigentlichen Positionssensoren mit hoher Genauigkeit kalibriert sein. Obwohl heute verschiedene Verfahren zur Antennenkalibrierung zur Verfügung stehen, gibt es noch immer ungelöste Fragen, die vor allem im Zusammenhang mit stationsabhängigen Effekten wie dem Antennennahfeld, im Zusammenhang von Empfangsantennen und Sendeantennen auf den Satelliten und den neuen GNSS-Frequenzen zu sehen sind, die ein Genauigkeitssteigerung in den mm-bereich verhindern. 1.1 Antennenmodell Aufgabe der Antennenkalibrierung ist die Bestimmung des Bezugspunktes der GPS-Trägerphasenmessung an der Antenne, der den Bezugspunkt eines jeden Koordinatenergebnisses darstellt. Dies gilt grundsätzlich in gleicher Weise für dem Empfang von GLONASS- und zukünftig ebenso für die Galileo-Signale. Zur Definition des Phasenzentrums wird im Idealfall davon ausgegangen, dass sich alle gemessenen Phasen im sogenannten elektrischen Antennen- 1 in: GNSS 2009: Systeme, Dienste, Anwendungen, DVW-Schriftenreihe Bd.57, S , Wißner-Verlag Augsburg

2 phasenzentrum (PZ), einem in der Regel unzugänglichen Punkt innerhalb oder außerhalb der Antenne, schneiden (Abb. 1.1). An der Antenne festgelegt werden kann jedoch nur ein mechanischer Referenzpunkt (ARP = Antenna Reference Point), auf den alle äußeren Zentrierelemente, insbesondere die Antennenhöhe, bezogen werden. Er ist durch Konvention des International GNSS Service (IGS) in der vertikalen Symmetrieachse der Antenne und ihre Auflagefläche gegeben. Als Antennenoffset bezeichnet man dann denjenigen Vektor im antennenfesten System, dessen Ursprung der ARP bildet, der die Koordinaten des Phasenzentrums PZ relativ zum Referenzpunkt (ARP) angibt. Abb. 1.1: geometrische Definition Abb. 1.2: elevations- und des Antennenphasenzentrums einer azimutabhängige PCVs GPS-Antenne Die elektromagnetischen und geometrischen Eigenschaften der Bauteile der Antenne (Dipol, Microstrip,...) und ihrem jeweiliges Zubehör bedingen eine Verformung des elektrischen Feldes, die zu einer Verbiegung der im Idealfall sphärischen Phasenfront und somit zu Phasenfehlern führen. Die Position des Phasenzentrums ist somit kein mathematischer Punkt, sondern variiert in Abhängigkeit von der Satellitenkonstellation, d.h. in Abhängigkeit von der Einstrahlrichtung des Satellitensignals (Abb. 1.2). Hierbei wird nach Elevations- und Azimutabhängigkeit unterschieden, wobei letztere im Regelfall mindestens eine Größenordnung kleiner ausfällt. Resultat der Antennenkalibrierung ist nach der Formulierung der sogenannten Distanzfehlerfunktion von Geiger (1988), nach der nicht die Bewegung des Phasenzentrums an sich modelliert wird, sondern Korrekturen an die

3 Distanzmessung vorgenommen werden, die Bestimmung des Vektors für den konstanten Anteil (PCO = phase center offset) als Mittelwert eines ausgleichenden Kugelsegments über ein definiertes Himmelssegment und der richtungsabhängigen Variationen (PCV = phase center variations) als richtungsabhängige Korrekturwerte. PCO und PCV sind frequenzabhängig. Gesonderte Kalibrierparameter müssen auch bei der Verwendung einer Antenne mit oder ohne Grundplatte oder bei der Verwendung eines Radoms bestimmt werden, da sich durch jede Veränderung der Antenne auch ihre Eichdaten ändern. 1.2 Verwendung von Antennenkorrekturen in der Praxis Die Verwendung der Antennenkalibrierergebnisse ist Voraussetzung für jede genaue oder hochgenaue GNSS-Positionsbestimmung und geschieht heute standardmäßig. Einzig im Falle der GPS-Beobachtung mit Antennen gleichen Typs und gleicher Ausrichtung auf kurzen Basislinien kann aufgrund der Eliminierung gleicher Fehleranteile durch die Differenzbildung auf eine Antennenkalibrierung verzichtet werden. Die Auswahl der Anzahl der Parameter wird je nach Genauigkeitsanforderung an das Messergebnis getroffen. Insbesondere bei der Höhenbestimmung ist die Berücksichtigung der elevationsabhängigen Variationen von entscheidender Bedeutung, da sie mit den Troposphärenparametern und der Höhenkomponente korrelieren. 1. Höhenkomponente des konstanten Offsets 2. Höhen- und Lagekomponenten des konstanten Offsets 3. konstanter Offset mit elevationsabhängigen Korrekturen 4. konstanter Offset mit elevations- und azimutabhängigen Korrekturen 1.3 Verfahren zur Antennenkalibrierung Grundsätzlich werden Feldverfahren zur relativen oder absoluten Bestimmung von Antennenparametern sowie Laborverfahren zur absoluten Bestimmung unterschieden (Tab. 1). Aus ersten Versuche von Schupler und Clark (1991) mit absoluten Laborkalibrierung lagen zwar erste Ergebnisse für PCOs und PCVs vor. Da sich das Verfahren aber nicht für den Routinebetrieb eignete, wurden für den IGS- Standard die so bestimmten konstanten PCOs für eine Referenzantenne vom Typ

4 Dorne Margolin verwendet und die willkürliche Annahme, für diese alle PCVs zu Null zu setzen, getroffen. Tab. 1: gebräuchliche Verfahren zur Antennenkalibrierung Feldmessung in einer Lage Lageoffset Höhenoffset PCV relativ relativ relativ, nur Elevationsabhängigkeit absolut relativ relative Feldmessung mit Antennendrehung Feldmessung mit absolut absolut absolut Messroboter Labor absolut absolut absolut In den folgenden Jahren war die Antennenkalibrierung im Feld auf einer Kurzbasis das gebräuchlichste Verfahren (Breuer et al. 1995). In Gebrauchslage werden GPS-Trägerphasenbeobachtungen durchgeführt und die Parameter der zu testenden Antennen relativ zur Referenzantenne geschätzt. Freie Sicht bis nahe zum Horizont und eine Umgebung möglichst ohne Mehrwegeeinflüsse müssen gewährleistet sein, sowie wenn möglich Sollkoordinaten, mindestens jedoch für die Höhenkomponente, vorhanden sein. Varianten des Verfahrens existieren insbesondere durch vorgenommene Drehungen der Antenne. Wird die Antenne zwischen den einzelnen Sessionen gedreht, können die beiden Lageoffsets absolut erhalten werden. Die Auflösung azimutabhängiger Variationen ist wegen des Nordlochs ebenso erst bei einer Messung mit mindestens zwei Ausrichtungen der Antenne sinnvoll. Eine automatische Dreheinrichtung (Abb. 1.3) wurde an der TU Dresden entwickelt, die zur Beschleunigung des Verfahrens und im Hinblick auf die Eliminierung von Mehrwegeeffekten Messungen mit der zu kalibrierenden Antenne in mehreren azimutalen Ausrichtungen pro Minute ermöglicht (Frevert et al. 2006). Die Entwicklung der absoluten Kalibrierverfahren führt allerdings zu schwindender Bedeutung der mit vergleichsweise geringem Aufwand durchzuführenden relativen Feldverfahren. Allen Verfahren zur direkten Bestimmung der absoluten Antennenparameter ist gemein, dass der Prüfling relativ zur Sendeantenne gedreht und/oder gekippt

5 wird, um eine komplette und homogene Überdeckung der oberen Hemisphäre der Testantennen zu erreichen. Zwei unabhängige Methoden sind heute verfügbar, wobei der entscheidende Durchbruch zur absoluten Kalibrierung durch die Entwicklung des Hannoverschen Verfahrens, eines Messroboters, von der Firma Geo++ zusammen mit der TU Hannover erzielt wurde (Wübbena et al. 1997, vgl. Abb 6.2). Unter den Feldverfahren ermöglicht nur sein Einsatz den Zugang zu allen absoluten Größen. Kontrolliert gesteuerte Bewegungen eines hochpräzise steuerbaren Roboterarms ermöglichen die Drehung des Prüflings um das genäherte Phasenzentrum unter möglichst gleichmäßiger Abdeckung aller Elevations- und Azimutwinkel und so homogen über die Hemisphäre der Antenne verteilte GPS-Beobachtungen. Die Messanordnung ermöglicht eine Trennung der beiden stationsabhängigen Fehlerkomponenten Antennenparameter (insb. PCV) und Mehrwegeeffekte (Multipath), wobei letztere sowohl eliminiert als auch bestimmt werden können. Alle Antennenparameter werden absolut und die richtungsabhängigen PCVs durch Modellierung von Kugelflächenfunktionen erhalten, ohne dass Informationen über eine Referenzantenne einfließen. Der Ansatz zur Eliminierung der Mehrwegeeffekte basierte zunächst auf dem Gedanken der Differenzbildung aus Wiederholungsmessungen bei sich täglich wiederholender GPS-Konstellation und entsprechender Wiederholung der Mehrwegeeinflüsse unter ansonsten gleichen Umgebungsbedingungen. Die lange Beobachtungsdauer von mehreren Tagen sowie die Tatsache, dass sich bei GLONASS und Galileo die Konstellation sogar erst nach längeren Zeiträumen von mehreren Sterntagen wiederholt, führten zur Entwicklung der sogenannten Echtzeitkalibrierung. Basierend auf der Annahme, dass der Multipath-Effekt zwischen zeitlich dicht folgenden Beobachtungsepochen modellierbar ist, werden durch schnelle Orientierungsänderung der zu kalibrierenden Antenne durch den Roboter Messungen von mehreren 1000 Orientierungen (Dilßer et al. 2008) der Antenne innerhalb weniger Stunden durchgeführt. Absolute Parameter werden ebenso im Antennenlabor, einer mikrowellentoten Kammer durch Drehung der Antenne vor einem fest montierten Sender mit der GPS-Nominalfrequenz erhalten. Auch Absorberhallen genannt, sind sie mit absorbierenden Dämmmaterialien vollständig ausgekleidet. Die von der Universität Bonn ursprünglich genutzte Kammer am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Breuer et al. 1995) hatte sich aufgrund ihrer geringen Größe und der dort verwendeten Absorberauskleidung als nur bedingt geeignet erwiesen. Erst in der Absorberhalle des EMV-Testzentrums der Bundeswehr in Greding, der größten in Europa, die durch eine Kooperation zwischen Uni Bonn, TU Darmstadt und UniBW München genutzt werden konnte, wurde ein Abstand zwischen

6 Abb. 1.3: Beschleunigung der Feldkalibrierung durch die Dreheinrichtung DRB2 an der TU D resden (Frevert et al.2006) Abb. 1.4: Bonner Montierung Sende- und Testantenne von 18 m realisiert (Görres et al. 2006) und eine voll automatisierte Montierung entwickelt, die die Testantennen in wählbaren Schrittweiten von Elevations- und Azimutrichtungen vor dem Sender dreht (Abb. 1.4). Das Signal wird durch einen Signalgenerator erzeugt und die gesendete Phase im Network Analyser mit der durch die Testantenne gemessenen verglichen. Eine Referenzantenne ist nicht erforderlich, es werden unmittelbar absolute Werte erhalten. Ein kompletter Messdurchlauf dauert etwa 40 Minuten (Zeimetz et al. 2008). Die Signalstärke des künstlichen Signals ist unkritisch für die Phasenmessung, solange sie ein bestimmtes Level, das von der jeweiligen Testantenne abhängt, nicht überschreitet (Abb. 1.5, Zeimetz et al. 2006). Im Herbst 2008 wurde in Kooperation zwischen dem Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn und der Bezirksregierung Köln GEObasis.NRW (ehemals Landesvermessungsamt NRW) ein neues Antennenlabor in Bonn konstruiert. Untersuchungen in der Konzeptionierungsphase ergaben, dass die Entfernung zwischen Sender und Testantenne ohne Qualitätsverlust auf 6 m reduziert werden kann, d.h. dass eine Länge der Kammer von 8 m ausreichend ist (Abb. 1.6, Zeimetz et al. 2008).

7 Abb. 1.5: Einfluss der Signalstärke auf die gemessene Phase (Zeimetz et al.2006) Ein wesentliches Merkmal der Labormessung ist ihr geringes Rauschniveau. Überdies werden die Phasen im Gegensatz zu allen Feldverfahren direkt abgegriffen; es ist keine Approximation durch eine Funktion erforderlich. Daraus ergibt sich sowohl ein hohes Potential für Detailuntersuchungen systematischer Effekte als auch für Routinekalibrierungen, die durch die neue Bonner Messkammer beginnend im Frühjahr 2009 erstmals möglich sein werden. Die absoluten Ergebnisse beider Verfahren wurden zunächst mit großer Skepsis betrachtet, haben sich aber inzwischen durchgesetzt. Abb.1.6: die neue Bonner Messkammer 2 Genauigkeit der Antennenkalibrierung Alle Kalibrierverfahren sind von Restsystematiken, insbesondere von Mehrwegeeinflüssen betroffen, das relative Verfahren außerdem durch systematische Fehler aus der Kalibrierung der Referenzantenne. Im Feld fällt außerdem die Überdeckung der oberen Hemisphäre mit Beobachtungen recht ungleichmäßig aus. Die Genauigkeit der Verfahren wird in mehreren Kategorien angegeben:

8 a) Reproduzierbarkeit: Vergleich von Wiederholungsmessung derselben Antenne mit dem gleichen Verfahren unter identischen Umgebungsbedingungen b) Test des Aufbaus: Vergleich vom Mehrfachmessungen derselben Antenne mit dem gleichen Verfahren bei geänderten Umgebungsbedingungen c) Validierung: Kalibrierung derselben Antenne mit unterschiedlichen Kalibierverfahren 2.1 Relatives Feldverfahren Die Ergebnisse der Bonner Feldkalibrierungen zeigten eine Reproduzierbarkeit der elevationsabhängigen PCVs von < 1mm (Zenit bis 10 ) für dieselbe Antenne. Der Vergleich der Bonner Phasenkurven mit IGS- und NGS-Datensätzen ergibt eine mittlere Übereinstimmung zwischen den jeweiligen Datensätzen von besser als 1 mm für Werte zwischen dem Zenit und 15 Elevation (Görres 2001). 2.2 Absolutes Feldverfahren mit dem Roboter Die interne Genauigkeit für die Wiederholungsmessung derselben Antenne bei ansonsten gleichen Verhältnissen mit demselben Roboter wird mit mm für den Elevationsbereich vom Zenit bis 5 angegeben, darunter bis 0.4 mm. Wird dieselbe Antenne auf verschiedenen Robotern und an unterschiedlichen Stationen kalibriert, werden signifikante Unterschiede sichtbar. Die Differenzen betragen zwischen den PCVs ±0.5 mm für den Elevationsbereich von 90-10, darunter 1-2 mm (Abb. 2.1, Wübbena et al. 2000).

9 Abb. 2.1: PCV-Differenzen aus unabhängigen Kalibrierungen derselben Antenne (Wübbena et al. 2000) 2.3 Laborverfahren Auch im Labor wird die Reproduzierbarkeit erfasst, indem für dieselbe Antenne mehrfache Kalibrierungsmessungen durchgeführt und verglichen werden (Zeimetz et al. 2008). Alle systematischen Fehlerquellen sind konstant und werden nicht sichtbar. Abb. 2.2a zeigt ein typisches Ergebnis beispielhaft für eine Leica AX 1202GG Antenne. Die Differenzen liegen im Bereich von ±0.3 mm für den gesamten Elevationsbereich, bis ±0.2 mm bis 10. Wird das Setup verändert, etwa durch Änderung der Höhe der Testantenne oder Variation des Abstandes zu den Wänden, sinken die Genauigkeiten auf ±0.3 mm (90 bis 15 ), bis 1.0 mm (5 bis 15 und bis 1.5 mm am Horizont (Abb. 2.2b). Für andere Antennentypen können die Differenzen je nach Güte der Abschirmung der Antenne auch etwas größer bis zu 2 mm ausfallen. Ursache systematischer Einflüssen in der Kammer können beispielsweise Rest- Mehrwegeeffekte wie Restreflexionen im Absorberraum an den Hallenwänden sein, die trotz aufwändiger Dämmung vorhanden sind. Auf Untersuchungen von Nahfeldeinflüssen wird in Kap. 7 eingegangen.

10 Abb. 2..2a: PCV-Differenzen von zwei Kalibrierungen derselben Leica AX 1202GG-Antenne in derselben Umgebung Abb. 2..2b: PCV-Differenzen von zwei Kalibrierungen derselben Leica AX 1202GG-Antenne bei veränderten Umgebungsbedingungen

11 3 Vergleich der Ergebnisse verschiedener Kalibrierverfahren Weil zur Beurteilung der Genauigkeit der Ergebnisse der Kalibrierverfahren keine Ergebnisse übergeordneter Verfahren, die als Referenzlösung dienen könnten, zur Verfügung stehen, wird die Genauigkeit der Antennenkalibrierung durch den Vergleich der Ergebnisse verschiedener Kalibrierverfahren, denen identische Antennen unterzogen werden, überprüft. 3.1 Ringversuch In einem Ringversuch, der auf die Initiative der LGN (Landesvermessung und Geoinformation Niedersachsen) zurückgeht, wurden fünf unterschiedliche Antennen an fünf Institutionen kalibriert (Feldmann-Westendorff et al. 2002). An zwei Stellen wurde absolute mit dem Roboter, an drei Stellen mit dem relativen Feldverfahren kalibriert, ein Labor stand im Sommer 2002 noch nicht zur Verfügung. Der Vergleich, der das äußere Genauigkeitsniveau der eingesetzten Verfahren sichtbar macht, ergibt eine sehr gute Übereinstimmung der beiden Roboterergebnisse auf dem 1 mm-level über den gesamten Elevationsbereich und größere Variationen von 2 mm für L1 bzw. 4 mm zum Mittelwert für L2 für die Standardfeldverfahren (Schmid et al. 2002). Die Probleme des relativen Feldverfahrens in Zenit und am Horizont sind bekannt. 3.2 Vergleich absoluter Kalibrierdaten Im Hinblick auf die Umstellung des IGS-Standards auf absolute Antennenparameter war insbesondere die gegenseitige Bestätigung der Kalibrierergebnisse der beiden Absolutverfahren von entscheidender Bedeutung, da die Verfahren in jeder Hinsicht als unabhängig voneinander angesehen werden können. Zunächst waren fünf geodätische Antennen sowohl im Labor in Greding als auch auf dem Geo++ - Roboter kalibriert worden. Der Vergleich der elevationsabhängigen Variationen zeigte eine Übereinstimmung auf dem Niveau von 1mm für den gesamten Elevationsbereich (Abb. 3.1, Görres et al. 2006). Die Azimut-

12 variationen waren nur exemplarische untersucht worden, ergaben aber ein ähnlich hohes Genauigkeitsniveau. 12,0 Greding Geo++ 10,0 8,0 6,0 PCV [mm] 4,0 2,0 0,0-2,0-4,0-6, Elevation [Grad] Abb.3.x: Vergleich der Elevationsabhängigen PCVs aus Labor- und aboluter Feldkalibrierung auf dem Roboter für dierselbe Leica AT303 (L1) (Görres et al. 2006) Ein extrem hohes Potential für Detailstudien zeigt sich in den beiden außergewöhnlich glatte Kurven, obwohl nur die Roboterergebnisse durch Approximation einer Funktion geglättet sind, die Werte im Labor aber direkt abgegriffen sind. Überdies ist zu bedenken, dass im Feld die tatsächlichen GPS- Signale und im Labor eine künstliche singuläre Frequenz verwendet werden. Die Validierung der Ergebnisse über den gesamten Bereich der oberen Hemisphäre einer Antenne gelingt heute auf dem 1 mm-level ebenfalls. Als typisches Beispiel für geodätische Antennen ergibt die Kalibrierung derselben Trimble Zephyr Geodetic PCV-Differenzen zwischen ±0.5 mm im Elevationsbereich vom Zenit bis 20, von ±1 mm bis 10 und maximale Differenzen von 1.8 mm am Horizont (Abb. 3.2, Zeimetz et al. 2008). Je nach Antennentyp und untersuchter Frequenz sieht man hier auch Unterschiede bis zu 3-4 mm.

13 Abb. 3..2: PCV-Differenzen von zwei Kalibrierungen derselben Trimble Zephyr Geodetic-Antenne im Lbor bzw. auf dem Geo++ - Roboter (L1) (Zeimetz et al. 2008) Ursache der Differenzen liegen zum einen in der Genauigkeit der Verfahrens an sich, aber vor allem in verschiedenartig wirkenden Systematiken vor allem des Nahfeldes, die hier sichtbar werden und untersucht und verstanden werden müssen, um die Genauigkeit der Kalibrierung weiter zu steigern (vgl. Kap. 6). 4 Absolute oder relative Antennenkalibrierung und PCVs von Satellitenantennen Trotz der vielversprechenden Ergebnisse der Absolutkalibrierung wurden für das IGS beginnend am 30. Juni 1996 zunächst nur die Ergebnisse aus Relativkalibrierungen kombiniert, als IGS-Standard definiert und für globalen Lösungen verwendet, da die Verwendung der absoluten Werte im globalen Netz zu einem signifikanten Maßstabsunterschied im Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Weltraumverfahren (VLBI, SLR) führte (Rothacher et al. 1995). Der Skalenfehler von etwa 15 ppb korrespondiert mit einer inakzeptabel großen Höhenänderung der globalen Stationen von etwa 10 cm (Rothacher 2001) und verhinderte zunächst die Einführung der Absolutwerte im IGS.

14 Als Ursache des Problems wurden die bis dato nur unzureichend modellierten Antennenparameter der Sendeantennen auf den Satelliten identifiziert (Abb. 4.1), die mit denjenigen der Empfangsantennen korreliert sind. Die Sendeantennen bestehen jeweils aus einem Feld von 12 einzelnen, in zwei konzentrischen Kreisen angeordneten Helixelementen (Abb. 4.2), von denen zuvor nur genäherte Offsets in Nadirrichtung bekannt waren. Abb.4.1: Interaktion zwischen Phasenzentervariationen von Satelliten- und Empfangsantennen (Rothacher 2001) Abb. 4.2: Anordnung der Sendeantennen der GPS- Satelliten (Czopek und Shollenberger 1993) Am GFZ Potsdam sowie der TU München wurde aus der Prozessierung von mehr als 10 Jahren GPS-Beobachtungsdaten basierend auf Absolutwerten für die Empfangsantennen aus Roboterkalibrierungen jeweils ein konsistenter Satz von konstanten Offsets, nadir- und azimutabhängigen PCVs für die Satellitenantennen rechnerisch bestimmt (Schmid et al. 2005). Die Übereinstimmung der Werte beider Berechnungen beträgt weniger als 1 mm für die PCVs und etwa 4 cm für den z-offset. Die Azimutvariationen, die deutlich mit der Anordnung der Satellitenantennen im inneren Ring koinzidieren (Abb. 4.3), sind mit einer Größenordnung von ±3 4 mm für hochpräzise Positionsbestimmung zu berücksichtigen.

15 Abb.4.3: Azimutale PCVs für Block IIR Satelliten (Nadirwinkel 14 ) (Schmid et al. 2005) In jüngster Zeit wurde auch die Kalibrierung einer GPS-Sendeantennen vor dem Satellitenstart auf dem Geo++ -Roboter durchgeführt (Schmitz et al. 2008). Tab.2: relativer und absoluter IGS-Standard Relativ bis Absolut: seit Empfangsantennen 3 Offsetkomponenten elevationsabhängige PCV (10-90 ) Referenzantenne D/M mit PCV=0 Radom: vernachlässigt 3 Offsetkoponenten, elevations- und azimutabhängige PCVs (0-90 ) Berücksichtigung der Radome Satellitenantennen nur block-spezifische z-offsets Blockweise nadirabhängige PCVs, satellitenspezifische z-offsets Für den neuen absoluten IGS-Standard (vgl Tab. 2) wurden zu den absoluten Werten für die Empfangsantennen aus dem Parametersatz des Antennenmodells für die Sendeantennen vorerst nur die in Richtung zur Erde weisenden z-offsets und die nadirabhängigen Winkel ausgewählt. Die PCVs wurden blockspezifisch als Funktion des Nadirwinkels (Abb. 4.4) und individuell für die z Offsets ge-

16 schätzt, sowie aus den Ergebnissen beider Berechnungsstellen gemittelt. Die x- und y-komponenten sind aus Herstellerangaben ergänzt, Azimutvariationen werden zunächst nicht verwendet, ihre Einführung wird weiterhin diskutiert (Schmid et al. 2008). Abb. 4.4: nadirwinkelabhängiges Pattern der Satellitenantennen für GPS- und GLONASS-Satelliten (Gäde et al. 2006) Am Center of Orbit Determination in Europe in Bern (CODE) wurden aus der Analyse von 15 Monaten Beobachtungsdaten entsprechende Werte für die GLONASS-Satelliten (Abb und b, Gäde et al. 2006) berechnet, so dass heute ein konsistentes Antennenphasenzentermodell für alle GPS- und GLONASS- Satelliten vorhanden ist (Schmid et al. 2006). Da die Differenz im Maßstab als geklärt betrachtet wird, gilt im IGS der Absolutstandard seit der Umstellung des operationellen Betriebs auf ITRF2005 am 5. November Für die meisten Empfangsantennen existieren Absolutwerte aus Roboterkalibrierungen, für die übrigen zunächst auf Absolutniveau umgerechnete Relativwerte aus Feldkalibrierungen, die noch ersetzt werden müssen.

17 Abb. 4.5 a und b: z-offsets für GPS- und GLONASS-Satelliten (Fehlerbalken um Faktor 5 vergrößert)(gäde et al. 2006)

18 In nationalen und regionalen Netzen führt die Einführung des absoluten Standards anstelle des relativen, die beispielweise für die Empfangsantennen des SAPOS- Dienstes vorweggenommen worden war, letztlich nicht zu signifikanten Unterschieden im Koordinatenergebnis. Ebenso ist auch die Verwendung des neuen Modells für die Satellitenantennen erst bei größeren Punktentfernungen und höheren Genauigkeitsansprüchen zwingend erforderlich. 5 Kalibrierung weiterer GNSS-Frequenzen Im Gegensatz zu den Feldverfahren wird im Labor kein existierendes operables GNSS benötigt. In der Bonner Kalibrierprozedur wird heute im Labor ein Spektrum zwischen 1.15 GHz und 1.65 GHz verwendet, um Frequenzen von GPS, GLONASS und Galileo zu analysieren. Etwa 200 Frequenzen werden pro Antennenausrichtung automatisch aufgenommen und decken den Frequenzbereich des modernisierten GPS ebenso wie den von GLONASS und Galileo ab (Abb. 5.1, Zeimetz et al. 2008) Abb. 5.1: Frequenzanalyse aus der Durchlasscharakteristik einer Leica AX 1202 (Zeimetz et al. 2008)

19 6 Nahfeldproblematik Obwohl man annahm, dass mit einer optimierten Antennenkalibrierung alle Abhängigkeiten im Zusammenhang mit der Antenne erfasst werden könnten, ist heute bekannt, dass bei der Antennenkalibrierung stationsabhängige Effekte auftreten, die nur unzulänglich von den PCVs getrennt werden können. Man unterscheidet Mehrwege- und Nahfeldeffekte, die heute neben der Troposphärenmodellierung die größten der verbleibenden Fehlerquellen bei GNSS sind. Kurzperiodische Mehrwegeeffekte werden durch Gegenstände im Fernfeld der Antenne verursacht. Sie sind während der Kalibrierung immer andere als an den Beobachtungsstationen. Kritische Werte nehmen sie am Horizont und in den azimutalen Variationen aufgrund ihrer geringen Größenordnung an. Es gibt vielfältige Konzepte zur Verringerung von Mehrwegeeinflüsse. So werden sie im Labor durch aufwändige Dämmung minimiert, auf dem Roboter werden sie erfasst und dann von den eigentlichen PCVs getrennt. Bei den Beobachtungen geht man davon aus, dass neben den Maßnahmen an der Antennen selbst wie Grundplatten, der Material-Wahl oder weitere Techniken zur ihrer Verminderung bei längerer Beobachtungsdauer ein Mittelungseffekt eintritt, der ihre Auswirkung in den Positionsraum nahezu eliminieren soll. Die Problematik ist aber aufgrund ebenfalls auftretender Nahfeldeffekte, deren Abschirmung, Erfassung und Trennung von den PCV nicht gelingt, nicht letztendlich befriedigend gelöst. Störungen im Nahfeld durch Antennenzubehör wie Radom, Grundplatte und Kabeln oder im Unterbau aus Dreifuß, Stativkopf, Pfeilerabschluss etc. verursachen Reflexion und Beugung von Satellitensignalen in der unmittelbaren Umgebung der Antenne und führen zu langperiodischen Mehrwegeeffekten, die sich auch durch eine lange Beobachtungsdauer nicht herausmitteln lassen und das Koordinatenergebnis, insbesondere die Höhenkomponente, systematisch verfälschen. Sie verursachen ebenso signifikante Änderungen der PCOs und PCVs (Dilßner et al. 2008). Nahfeldeffekte bleiben unverändert, solange die nähere Antennenumgebung unverändert ist. Werden aber zwischen Kalibrierung und eigentlicher Messung Zubehör oder Montierung verändert, ändern sie sich ebenfalls, verändern die Beobachtungen und beeinflussen das Koordinatenergebnis negativ. Die Kalibrierwerte gelten im veränderten Setup streng genommen nicht mehr.

20 Diesen Einfluss beobachtet man typischerweise bei Antennenwechseln auf Referenzstationen, wenn es trotz aufwändig kalibrierter Antennen zu unerklärbaren Koordinatensprüngen bis zu mehreren cm in der Höhe kommt. Insbesondere, wenn Antennen deutlich unterschiedlicher Dimensionen ausgetauscht werden (z.b. Antenne mit/ohne chokerings) oder der Unterbau und damit auch die Höhe der Antennen verändert werden, kommt es zu Änderungen der Mehrwegeeinflüsse und im Nahfeld, die sich überlagern. Nahfeldeinflüsse können messtechnisch quantifiziert werden, indem Antennen zunächst ohne, dann zusammen mit ihren Unterbauten kalibriert werden. Dißner et al. (2006) stellten Änderung der PCV für von ± 4 mm für L1 und L2, nahe dem Horizont auch mehr, fest. Schon die sehr kleine Änderung im Setup wie die der Kabelführung für zwei Wiederholungsmessungen (Abb. 6.1) führt bei Zeimetz et al zu Unterschieden in den PCV bis 1 mm in allen Elevationsbereichen für L1 und 1.2 mm für L2 (dies ist etwa ein Faktor 3 größer als Wiederholungsmessung ohne Veränderung), in hohen Elevationen sind die Differenzen wegen der besseren Abschirmung der Antenne dort kleiner. Abb. 6.1: Unterschiede in der Kabelführung zwischen zwei Wiederholungsmessungen (Zeimetz et al. 2008): links Schlinge, rechts Windung des Kabels um die Achse Werden die beiden PCV-Ergebnisse am Beispiel der Auswertung einer Zero- Baseline eingeführt, um den Einfluss des Effektes auf die Höhenbestimmung zu visualisieren (Abb. 6.2), zeigt die Zeitreihe Variationen, die im einzelnen durch Änderung der Satellitenkonstellation verursacht sind, von ±1 mm.

21 Abb. 6.2: Effekt veränderter Kabelführung auf die Höhenkomponente bei einer Zero-Baseline (Görres et al. 2008) Weitreichendere Änderungen im Nahfeld dürften größere Effekte hervorrufen, aber schon durch diesen kleinen Effekt könnte, neben den Restfehlern der Antennenkalibrierung selbst, ein Großteil der Differenzen zwischen den Ergebnissen der beiden Absolutverfahren (vgl. Abb. 3.2) begründet sein, in denen ein jeweils komplett anderes Setup vorliegt. Im Positionsraum, wenn sich eine Vielzahl an Effekten überlagern, Mehrwegeeffekte und Restfehler der Antennenkalibrierung hinzukommen, summieren sich diese beispielsweise beim Ansatz einer ionosphärenfreien Linearkombination und Schätzung von Troposphärenparametern wie in einer typischen Auswertung zu Änderungen der Höhenkomponente bis zu 1-2 cm. Um die Genauigkeit der Höhenkomponente zu steigern und den Einfluss zwischen Kalibrierung und Messung veränderter Nahfeldeinflüsse zu minimieren, wurde vor der GNSS-Kampagne DHHN ein standardisierter Antennenaufbau definiert (Schmitz et al. 2008). Zu Testzwecken wurden einzelne individuelle Antennen zu Testzwecken zusammen mit ihrem Nahfeld, hier dem Unterbau bestehend aus Dreifuß und Stativkopf auf dem Roboter kalibriert (Abb. 6.3). Begrenzend ist hier die Belastbarkeit des Roboters mit zusätzlichem Gewicht zu sehen. Nicht messtechnisch erfassbar dürften Effekte z.b. durch den Belag von Schnee oder Eis auf der Antenne sein.

22 Abb. 6.3: Kalibrierung einer Antenne zusammen mit ihrem Unterbau für die GNS-Kampagne DHHN 2008 (Schmitz et al. 2008) 7 Ausblick Die Bestimmung von Höhen oder Höhenunterschieden mit GNSS mit einer Genauigkeit von 1 cm oder besser stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Zwar ist die Verwendung absoluter Kalibrierwerte heute ein Standardverfahren und die Ergebnisse können durch Vergleich der beiden unabhängigen Kalibrierverfahren auf dem Roboter und im Labor im Bereich von besser als 1 mm für den Elevationsbereich von Zenit bis 10 verifiziert werden, aber bei Antennenwechseln kommt es heute trotz aufwändig kalibrierter Antennen immer wieder zu deutlichen Koordinatensprüngen. Als Ursache vermutet man Störungen aus dem unmittelbaren Nahfeld der Antenne, dessen Einfluss von den eigentlichen Antennenwerten bisher nur unbefriedigend getrennt werden konnte. Interessante Ansätze ergeben sich hier aus Versuchen zur Kalibrierung von Antennen zusammen mit ihrem Unterbau. Der Zusammenhang zwischen den Antennenparametern der Empfangs- und Sendeantennen auf den Satelliten wird heute durch eine Schätzung der Werte für

23 die Sendeantennen hergestellt. Erste Kalibrierungen von Sendeantennen auf dem Roboter wurden zwar durchgeführt, hier steht jedoch die in-orbit-analyse noch aus. Mit der neuen Bonner Messkammer besteht neuerdings die Möglichkeit sowohl für Detailuntersuchungen als auch für Routinekalibrierungen. Hier können neben den neuen Frequenzen der GPS-Modernisierung alle frequenzabhängigen GLONASS-Signale und schon heute diejenigen des zukünftigen Galileo- Systems kalibriert werden. Literatur Breuer, B., J. Campbell, B. Görres, J. Hawig, R. Wohlleben: Kalibrierung von GPS-Antennen für hochgenaue geodätische Anwendungen, SPN, 49-59, 1995 Czopek FM, S Shollenberger: Description and performance of the GPS Block I and II L-Band antenna and link budget. Proc ION-GPS93, 37-43, The Institute of Navigation, Salt Lake City, September 1993 Dilßner, F., G. Seeber, G. Wübbena, M. Schmitz: Impact of Near-Field Effects on the GNSS Position Solution, International Technical Meeting, ION GNSS Savannah, Georgia, Sep Feldmann-Westendorff, U., B. Sorge: Vergleichstest von Kalibrierverfahren für GPS- Antennen, 4. GPS-Antennenworkshop Hannover Mai 2002 Frevert, V., Th. Blumenbach, L. Wanninger: Beschleunigung der Antennen-Feldkalibrierung durch automatisierte Drehung, 6. GPS-Antennenworkshop Bonn Sep 2006 Gäde, A., R. Dach, U. Hugentobler, S. Schaer: GLONASS-Satelliten-Antennenphasenzentrumsvariationen, 6. GPS-Antennenworkshop Bonn Sep 2006 Geiger, A.: Einfluss und Bestimmung der Variabilität des Phasenzentrums von GPS- Antennen, Mitteilungen d. Inst. F. Geodäsie und Photogrammetrie, ETH Zürich Nr. 43, 1988 Görres, B. : Kalibrierung von GPS-Antennen, in: GPS-Referenzstationsdienste, VDV- Schriftenreihe Bd. 19, 31-46, 2001 Görres B, J. Campbell, M. Becker, M. Siemes: Absolute calibration of GPS antennas: laboratory results and comparison with field and robot techniques, GPS Sol 10(2): DOI: /s , 2006 Görres, B., P. Zeimetz, H. Kuhlmann: On the Accuracy of Absolute GNSS Antenna Calibration in Context of Near Field Effects, International Symposium on GNSS, Space-based and Ground-based, Augmentation Systems and Applications, Berlin, Nov Rothacher, M., S. Schaer, L. Mervart, G. Beutler: Determination of Antenna Phase Center Variations Using GPS Data, In: Proc.. IGS Workshop on Special Topics and New Directions: , GeoForschungsZentrum Potsdam, 1995 Rothacher M.: Comparison of Absolute and Relative Antenna Phase Center Variations, GPS Solutions 4, 55-60, 2001

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