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Philipp Zeimetz, Barbara Görres, Heiner Kuhlmann (Uni-Bonn)
Matthias Becker, Erik Schönemann (TU-Darmstadt)
Bonn, 21.09.2006
Kalibrierung von GNSS-Antennen in Hörsaal 16
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Aufgabe
Allgemeine Problemstellung: Antenne ist kein punktförmigen Positionssensor
Lösung:Reduktion der Messwerte auf einen Punkt (Beschreibung der Antennencharakteristik)
Definition einer idealen Antenne:
ARP
E
PCODistanzfehlerfunktion:
( ) ( )βαβα ,, rPCO ⋅=dr
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Aufgabe
Allgemeine Problemstellung: Antenne ist kein punktförmigen Positionssensor
Lösung:Reduktion der Messwerte auf einen Punkt (Beschreibung der Antennencharakteristik)
Distanzfehlerfunktion:
ARP
E
PCO
Definition einer realen Antenne:
( ) ( ) ( )βαβαβα ,,, PCVdr +⋅= rPCO
PCV
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Kalibrierverfahren
Relatives Verfahren- z.B. TU Dresden (s. Vortrag L. Wanninger)
Absolutes Verfahren mit Roboterarm- Geo++ (s. Vortrag Wübbena)
Absolutes Verfahren im HF-Labor- z.B. Uni Bonn
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Prinzipielles Verfahren- Variation der Elevation -
Helixantenne
Networkanalyser
Veränderung der Elevation: 3.6 Grad Schritte
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Prinzipielles Verfahren- Azimutale Variation -
Veränderung der Elevation: 3.6 Grad Schritte
Veränderung des Azimuts: 3.6 Grad Schritte
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Sendeantenne
A. Leick: GPS Satellite Surveying, 2nd edition, 1995
Block II Satellite:
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
20000 € pro Tag
Absorberhalle WTD81 Greding
Eigenschaften der Halle:- Länge 41m , Breite 16 m , Höhe 14 m- Dämpfungsverhalten der Absorber
>> 30dB (Faktor 1000)
Absorberhalle TU Darmstadt
0 € pro Tag
Eigenschaften der Halle:- L 8m , B 4 m , H 3 m- Dämpfungsverhalten
>> 20 dB (Faktor 100)
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Stand der Forschung- Antennenworkshop 2003 -
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Stand der Forschung- Antennenworkshop 2003 -
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Stand heute
• Neue Drehapparatur (Nr.II)• Abtastintervalle lediglich Funktion der Zeit• vollständige Automation• Komplette PCV Bestimmung für 200
Frequenzen in nur 120 Minuten
• Elimination/Aufdeckung von Fehlerquellen
• Gainkalibrierung• Mehrwegeuntersuchungen• Frequenzabhängigkeit
Wie genau ist das Laborverfahren?Zeigt das Antennenpattern eine Frequenzabhängigkeit?
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Qualität der Approximation
Zur Zeit werden bei allen Verfahren (früher oder später) die Kalibrierergebnisse durch Funktionen approximiert.
Genauigkeit: Genauigkeit des Kal.-Verfahrens + Qualität der Approximation
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Qualität der Approximation
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Qualität der Approximation
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Genauigkeitsabschätzung
Problem: Solllösung existiert nicht
Kriterien:• Reproduzierbarkeit der Kalibrierergebnisse (innere Genauigkeit)
• Vergleich mit Ergebnissen anderer, unabhängiger Verfahren
• Validierung der Kalibrierergebnisse durch deren Anwendung bei GPS-Messungen(äußere Genauigkeit)
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Reproduzierbarkeit
Identischer Setup geänderter Setup• Abstand Sender – AUT• Kabelführung• Antennenhöhen • Abstand zu Hallenwänden etc.
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Vergleich zu Geo++
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Genauigkeitsabschätzung
Ziel:• Fehler Faktor 2 kleiner• geringerer system. Einfluss
Vergleich zu Geo++
Ergebnis:• niedrige Elevationen: max. Abweichungen 2mm • Elevationen > 10°: max. Abweichungen 1mm
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Fazit: Genauigkeitsabschätzung
• Genauigkeitsniveau um Faktor 2 verbessern
• systematische Anteile müssen verringert werden
• Aufstellung geeigneter Kriterien zur Beschreibung der Genauigkeit
• Entwicklung weiterer Verfahren zur Validierung von Kalibrierergebnissen
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Frequenzanalyse
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
FrequenzabhängigkeitUntersuchungen im L1-Bereich
1555 MHz
bis
1615 MHz
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Gain Frequenzen
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Phase Frequenzen
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Phasendifferenzen
sichtbare Frequenzabhängigkeit
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Phasendifferenzen
~95% < 0.5mm
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FrequenzabhängigkeitPCO-z-Komponente
++ +
+
+
++
+
++
+
+ Bonn
+ Schupler und Clark 2001(Characterizing the Bahavior of Geodetic GPS Antennas. GPS World. February 2001.)
Arbeitsbereich
der Antenne
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Frequenzabhängigkeit im Glonass L1 Frequenzband
Offset und Diff Plot
F1(k)=1602+k*9/16
F1(k)=1602+k*9/16
1600 MHz
bis
1616 MHz
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Frequenzabhängigkeit im Glonass L1 Frequenzband
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Frequenzabhängigkeit Glonass
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Fazit: Frequenzanalyse
Die Analysen wurden mit einem erstmals eingesetzten Verfahren durchgeführt.
Die präsentierten Ergebnisse sind folglich noch nicht durchgehend überprüft und
nur als erste Vorabinformation zu verstehen. Zudem stammen die Ergebnisse aus
Tests mit nur 2 Antennentypen.
• in kleinen Bereichen (~20 MHz) lassen sich die Frequenzabhängigkeiten ohne
großen Genauigkeitsverlust durch lineare Funktionen beschreiben
• eine funktionale Beschreibung über den gesamten Frequenzbereich von E2
bis G1 bzw. L5 bis E6 scheint nicht sinnvoll
Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006
Demo + Fragen