Zur Entwicklung und Bewertung der absoluten GNSS-Antennenkalibrierung im HF-Labor

Abstract

Bei der relativen Positionsbestimmung mit GNSS-Verfahren stellen die Antenneneinflüsse, die sich durch eine richtungsabhängige Empfangscharakteristik auszeichnen, einen der die Genauigkeit begrenzenden Faktoren dar. Durch die Kalibrierung der Antennen ist die Korrektur der Antenneneinflüsse möglich. Neben der Kalibrierung mit relativen und absoluten Feldverfahren besteht auch die Möglichkeit der absoluten Kalibrierung im Hochfrequenzlabor.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde, aufbauend auf bereits bekannten Methoden der Laborkalibrierung, eine vollständig automatisierte, zunächst mobile Kalibriereinrichtung entwickelt. In den Jahren 2008 und 2009 folgte der Aufbau eines speziell für die Kalibrierung von GNSS-Antennen konzipierten Messlabors. Neben der Bewertung des Kalibrierverfahrens sind Untersuchungen zur Bestimmung der Frequenzabh ängigkeit der Antennenphasenvariationen sowie zur Bestimmung der richtungsabhängigen Sensitivität von GNSS-Antennen Gegenstand dieser Arbeit.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Bewertung des Laborverfahrens und der Validierung der Kalibrierergebnisse. Hierzu werden die Einflüsse verschiedener Komponenten des Kalibriersetups auf die Bestimmung der richtungsabhängigen Variationen analysiert. Dabei zeigt sich, dass eine innere Genauigkeit erreicht wird, welche die zuvor abgeleiteten Kalibrieranforderungen erfüllt und dass die äußere Genauigkeit des Laborverfahrens insbesondere durch Nahfeldeinflüsse begrenzt wird. Während die Wiederholgenauigkeit mit einer Standardabweichung von ≈ 0.1mm angegeben werden kann, muss bei der Quantifizierung der Richtigkeit berücksichtigt werden, dass insbesondere systematische Messungsunsicherheiten das Ergebnis beeinflussen und die Ergebnisse zudem vom Antennentyp abhängig sind.

Zur Validierung der mit dem Laborverfahren erzielten Kalibrierergebnisse werden zum einen Vergleiche mit unabhängigen Feldverfahren herangezogen. Zum anderen erfolgt die Validierung durch die Anwendung der Kalibrierergebnisse bei der Auswertung von GNSS-Messungen. Die dabei erreichte Genauigkeit der ermittelten Höhendifferenzen kann mit einer Standardabweichung von ≈ 1mm beschrieben werden. Diese Messungen bestätigen somit die hohe Kalibriergenauigkeit.

Die Gültigkeit der Kalibrierergebnisse wird jedoch durch Nahfeldeffekte eingeschränkt. Allerdings sind Nahfeldeffekte kein spezielles Problem der Antennenkalibrierung. Sie treten stattdessen immer bei der Abstrahlung und dem Empfang elektromagnetischer Wellen auf. Dementsprechend ist eine optimale Kalibrierung ohne die Berücksichtigung der konkreten Messbedingungen nicht möglich. Allerdings ist in der Praxis, insbesondere bei Antennen, die für unterschiedliche Anwendungen in unterschiedlichen Nahfeldsituationen eingesetzt werden, eine vollständige Berücksichtigung der Nahfeldeffekte häufig nicht möglich. Umso wichtiger sind Untersuchungen, die die Effekte aufzeigen und infolgedessen zur richtigen Beurteilung dieser Effekte beitragen. Hierzu ist das Laborverfahren aufgrund der hohen Wiederholgenauigkeit und der kurzen Kalibrierzeiten geeignet.

<b>On further improvements and the validation of the absolute GNSS-antenna calibration in HF-laboratories</b> <br /> In relative GNSS positioning, the antenna effects are among the most important accuracy limiting factors. In order to eliminate these effects it is possible to calibrate the antennas using relative or absolute field procedures or an absolute method, which can be ideally performed in a high-frequency laboratory.

Within the scope of this thesis a fully automatic calibration facility has been implemented, using well known standard techniques for a first realisation. In addition, a new antenna calibration lab especived for the antenna calibration of GNSS-antennas was designed and built in 2008 and 2009. These developments were the basis for further investigations such as the validation of the calibration procedure, the analysis of the frequency dependence of the antenna pattern and the determination of the GNSS-antenna-gain.

The main focus of this thesis is the validation of the laboratory calibration method. In a first step, the effect of different components of the setup on the calibration results was analysed. Based on these investigations it became obvious that there are considerable systematic effects, whereas random deviations could be neglected. As a consequence, excellent repeatability of the phase center variations (≈ 0.1mm standard deviation for L1, L2) is a typical characteristic of the laboratory method, while the correctness of the results is limited by the systematic effects. Here, the near-field effects produced the largest deviations. The total accuracy of the calibration method depends on the antenna type and is less than one millimetre (L1 and L2).

For the validation of the calibration results two different ways were used. The first one is based on the comparison between the laboratory method and independent field procedures. A second way is to validate the calibration results by GPS-measurements at GPS test sites. Especially the field tests confirm that the near-field effects limit the calibration accuracy.

The near-field effects are not a special problem of antenna calibration only. These effects always occur when transmitting or receiving electromagnetic signals. In case of GPS the effects become obvious when changing the near-field conditions. Thus, for an ” ideal“ calibration the measurement conditions have to be considered by calibrating the antenna with mounted near-field components (e.g. tribrach, radome). In practical realisation this approach often fails because the antennas are often used in different environments. Besides, a positive effect can only be expected if all involved antennas (at least two) are calibrated together with the relevant near-field components. Therefore, experiments showing the effect of the near-field on the behaviour of GNSS-antennas are necessary to evaluate the robustness of the final results. Because of the excellent repeatability and the short calibration time of less than one hour, the laboratory method is ideally suited for such experiments.