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

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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

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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

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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:

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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)

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Stand der Forschung- Antennenworkshop 2003 -

Kalibrierung von GNSS-Antennen Bonn, 21.09.2006

Stand der Forschung- Antennenworkshop 2003 -

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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?

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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

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Qualität der Approximation

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Qualität der Approximation

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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

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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

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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

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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

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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

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Demo + Fragen