Analysis and mitigation of site-dependent effects in static and kinematic GNSS applications

Abstract

Satellitensignale unterliegen auf ihrem Weg von der Satelliten- zur Empfangsantenne einer Vielzahl an Einflüssen die zu Abweichungen führen. Heutzutage stellen in vielen Anwendungsbereichen insbesondere die stationsspezifischen Anteile, welche sich in Mehrwegeeffekte aus dem Fernfeld, NLOS-Empfang und Signalbeugung, den Einfluss der Satellitengeometrie und Antennennahfeldeffekte untergliedern lassen, einen der genauigkeitsbegrenzenden Faktoren in der satellitengestützten Positionsbestimmung dar. Dies ist dadurch begründet, dass durch die Abhängigkeit von der individuell vorliegenden Antennenumgebung eine Minimierung der Einflüsse erheblich erschwert wird und etablierte Strategien, wie beispielsweise die Differenzbildung in relativen Positionierungsansätzen, in der Regel nicht anwendbar sind. <br /> Obwohl diese Effekte bereits seit den frühesten Entwicklungen auf dem Gebiet der satellitengestützten Positionsbestimmung untersucht wurden, ist eine vollumfängliche Lösungsstrategie auch in der heutigen Zeit noch nicht verfügbar. Daher hat diese Thematik nicht an Relevanz verloren und es besteht noch immer der Bedarf an weiteren Untersuchungen zur Vertiefung des Verständnisses und zur Erweiterung des Portfolios an verfügbaren Minimierungsansätzen. <br /> In dieser Arbeit werden die vier unterschiedlichen Effekte vor dem Hintergrund der hochpräzisen Positionsbestimmung in statischen und kinematischen GNSS-Anwendungen adressiert. Der wesentliche Fokus der Untersuchungen liegt hierbei auf der Detektion und Elimination betroffener Satellitensignale durch die Einbindung detaillierter Umgebungsmodelle aus terrestrischen Messverfahren. Auf Basis dieser methodischen und empirischen Analysen lassen sich für die einzelnen Effekte vier Hauptaspekte herausstellen: <br /> (1) Da Antennennahfeldeffekte primär den Messsensor selbst beeinflussen und folglich die angestrebte Detektion und Elimination zur Minimierung nicht geeignet ist, wird alternativ die Minimierung des Einflusses durch spezielle Antennenaufbauten empirisch analysiert. Daraus resultierend werden mit exakt identischen Antennenaufbauten erreichbare Genauigkeiten im Submillimeterbereich nachgewiesen. <br /> (2) Der Einfluss auf die Positionsgenauigkeit der potentiell durch eine Signalelimination hervorgerufenen Verschlechterung der Satellitengeometrie kann durch Simulationen generischer Abschattungsszenarien als unkritisch identifiziert werden. Darüber hinaus wird eine Methode zur Integration der Qualität der Satellitengeometrie in die Wegpunktplanung von UAVs entwickelt, welche sowohl in der Planungsphase, als auch während des UAV-Fluges eine Anpassung und Optimierung der Flugroute ermöglicht. <br /> (3) Auf Basis mittels terrestrischer Laserscanner erzeugter Punktwolken wird eine Methode zur Erzeugung von Elevationsmasken entwickelt, welche adaptiv gegenüber der vorliegenden Antennenumgebung sind und eine effektive Detektion und Elimination von Satellitensignalen erlauben, die NLOS-Empfang oder Signalbeugung unterliegen. Diese Minimierungsstrategie ist sowohl in statischen, als auch kinematischen Anwendungen einsetzbar und ermöglicht bei zusätzlicher Einbindung von Fresnel Zonen auch die Berücksichtigung der Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen. <br /> (4) Als vorbereitender Schritt für die Entwicklung von Methoden zur Detektion und Eliminierung von Fernfeld-Mehrwegeeffekten werden die Voraussetzungen für die Entstehung der Effekte untersucht. Durch Vergleich simulierter und beobachteter SNR-Zeitreihen und der Berücksichtigung von Fresnel Zonen kann eine Überlappung von 50% zwischen Fresnel-Zone und Reflektorfläche als bereits ausreichend für eine potentielle Mehrwegebelastung identifiziert werden. <br /> In der Gesamtbetrachtung liefern die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden einen relevanten Beitrag zu dem übergeordneten Ziel einer ganzheitlichen Minimierung stationsspezifischer Abweichungen und ermöglichen so eine signifikante Verbesserung der Positionsgenauigkeit unter schwierigen GNSS-Bedingungen. Darüber hinaus nimmt diese Arbeit den in den letzten Jahren forcierten Trend von einer punktweisen zu einer flächenhaften Objekterfassung an, indem das Potenzial einer detaillierten und effizienten Erfassung der Antennenumgebung mittels terrestrischer Laserscanner zur Minimierung und Analyse stationsspezifischer Abweichungen bei der satellitengestützten Positionsbestimmung aufzeigt und genutzt wird.

Satellite signals are subject to various error sources on their way from the satellite to the receiving antenna. Nowadays, in many fields of application, the site-dependent parts, which can be separated into far-field multipath, NLOS reception and signal diffraction, the influence of the satellite geometry and antenna near-field effects, are one of the accuracy limiting factors in satellite-based positioning. This is due to the fact that the dependence on the individual antenna environment considerably impedes a minimization of the influences and established strategies, such as double-differencing in relative positioning approaches, are generally not applicable. <br /> Although these effects have been subject to scientific research since the earliest developments in the field of satellite-based positioning, an all-embracing solution is still lacking. Therefore, this topic has not lost its relevance and there is still a need for further investigations to deepen the understanding and expanding the portfolio of available mitigation techniques.<br /> In this dissertation, the four different effects are addressed against the background of high-precision static and kinematic GNSS applications. In this context, the main focus of the investigations is on the detection and exclusion of affected satellite signals, by integrating detailed environment models derived from terrestrial measurements. Based on these methodological and empirical analyses, four main aspects can be highlighted for the different effects:<br /> (1) Since antenna near-field effects primarily affect the measuring sensor itself, and thus, the striven detection and exclusion for mitigation is not applicable in this case, alternatively the mitigation of the influence by special antenna setups is empirically analyzed. As a result, achievable accuracies in the sub-millimeter range can be demonstrated using exactly identical antenna setups.<br /> (2) By simulating generic obstruction scenarios, the influence on the positional accuracy of the deterioration of the satellite geometry, potentially caused by an elimination of satellite signals, can be identified as uncritical. Furthermore, a method for integrating measures for the quality of the satellite geometry in the waypoint planning of UAVs is developed, which enables the adaption and optimization of the flight route in the planning phase, as well as during the UAV flight.<br /> (3) Based on point clouds of terrestrial laser scanners, a method for the determination of elevation masks that are adaptive to the present antenna environment is developed, which enables an effective detection and exclusion of signals that are subject to NLOS reception or signal diffraction. This mitigation strategy can be applied to static and kinematic GNSS applications and by additionally integrating Fresnel zones, also the propagation characteristics of electromagnetic waves are considered.<br /> (4) As a preparatory step for the development of methods for detecting and excluding far-field multipath, the prerequisites for the occurrence of the effect are investigated. By comparison of simulated and observed SNR time series and by considering Fresnel zones, an overlap of 50% between Fresnel zone and reflecting surface can be identified as already being sufficient for potential far-field multipath influences.<br /> In the overall view, the findings and methods developed in this dissertation represent a relevant contribution to the superordinate goal of a holistic mitigation of site-dependent effects, and thus, enable a significant improvement of the positional accuracy under difficult GNSS conditions. In addition, this thesis adopts the currently forced trend from a pointwise to an area-based object acquisition by revealing and exploiting the potential of a detailed and efficient acquisition of the antenna environment by terrestrial laser scanners for mitigating and analyzing site-dependent effects in satellite based positioning applications.