Antennmodellering vid GNSS/RTK-mätning Andreas Engfeldt Seminarium på KIF/MätKart08 Lund, 22 maj 2008

Innehåll Vad är det egentligen man mäter till? Antennkalibrering – relativ och absolut Antennkalibrering på Lantmäteriet/SWEPOS Stationsberoende effekter Användning av antennmodeller Antennmodeller för GLONASS Slutsatser

Vad mäter man till? Fasmätningarna refererar till antennens elektriska centrum Antennens elektriska centrum varierar med - frekvens - elevation - azimut - miljön En antennmodell beskriver elektriska centrums läge i förhållande till en fysisk punkt (ARP)

Bestämning av periodobekanta Avståndet mellan mottagare och satellit är ett okänt antal hela våglängder (periodobekanta) plus en del av en våglängd När initialiseringen är klar erhålls s.k. fixlösning och före det kallas den flytlösning Fixering av periodobekanta stärker lösningen, särskilt för korta mättider Bestämning av periodobekanta görs främst på L1, men även på L2 samt på olika kombinationer av dem

Linjärkombinationer Widelane (L1-L2): 86,2 cm Lätt att bestämma periodobekanta (bra lösning som ett första steg) Narrowlane (L1+L2): 10,7 cm Effektiv för att eliminera jonosfärens inverkan Jonosfärsfri linjärkombination: L3 (L1-L2) Eliminerar jonosfärens inverkan (bra för långa baslinjer)

Frekvensberoendet Exempel AOAD/M_T (= Dorne Margolin T) Offset i höjd: L1 = 0.1100 m L2 = 0.1280 m Bildar man den jonosfärsfria linjärkombinationen L3 <-> blir elektriska centrum L3=0.0822 m Medelfelets fortplantningslag ger L3 = 3xL1 , ännu större osäkerhet vid lösning av troposfärsparametrar

Antennkalibrering Bestämma en antennmodell som beskriver elektriska centrums läge i förhållande till ARP som en funktion av azimut och elevation för de aktuella frekvenserna L1 och L2. Relativ - NGS - LMV Absolut - Geo++

Relativ kalibrering - NGS Utrustning: Två stabila pelare Två mottagare Ett atomur En referensantenn, som används vid alla kalibreringar Referensantenn AOAD/M_T: L1: N=0, E = 0, U = 110.0 mm L2: N=0, E = 0, U = 128.0 mm Inga PCV (Phase Center Variations) Utförs i två steg: 1. Bestämning av offset i NEU (North East Up) 2. Elevationsberoendekorrektioner PCV (Azimutkorrektioner bestäms ej)

NGS skatting av medeloffset Antenner monteras på pelare och orienteras mot norr 24 timmars observationstid Lägsta använda elevationsvinkel: 15 grader Traditionell baslinjeberäkning baserad på dubbeldifferenser Separat beräkning för L1 och L2 Kort baslinje -> jonosfär och troposfär = 0 Multipath har samma värde på båda stationerna NEU-offset bestäms genom att jämföra de kända koordinaterna på roverstationen med de beräknade

NGS skattning av PCV PCV skattas i förhållande till offsetvärdena för L1 och L2 PCV skattas ner till 10° elevation Observationerna är enkeldifferenser Endast skillnader mellan elevationer intressant Atomur bestämmer mottagarklockorna

[north] [ east] [ up ] | L2 Offset (mm) Exempel från NGS ANTENNA ID DESCRIPTION DATA SOURCE (# OF TESTS) YR/MO/DY |AVE = # in average [north] [ east] [ up ] | L1 Offset (mm) [90] [85] [80] [75] [70] [65] [60] [55] [50] [45] | L1 Phase at [40] [35] [30] [25] [20] [15] [10] [ 5] [ 0] | Elevation (mm) [north] [ east] [ up ] | L2 Offset (mm) [90] [85] [80] [75] [70] [65] [60] [55] [50] [45] | L2 Phase at LEIAT502 Aero element L1/L2, External NGS ( 2) 99/06/14 .3 2.0 61.8 .0 1.5 2.9 4.2 5.3 6.4 7.4 8.2 8.8 9.1 9.1 8.9 8.3 7.1 5.5 3.3 .3 .0 .0 -1.4 1.8 65.4 .0 -1.2 -1.5 -1.3 -.6 .3 1.1 2.0 2.6 2.9 2.8 2.4 1.6 .5 -1.1 -2.7 -4.6 .0 .0

Problem med relativkalibrering Multipath Lägsta elevationsvinkeln 10 grader Satellittäckningen är inte total det finns alltid hål Azimutskillnader skattas inte Alla resultat är relaterade till en antenn som har antagna parametrar Ev. osäkerhet i kända koordinater

Förbättringar av relativ metod Gör två uppställningar där den antenn som skall kalibreras vrids 180° mellan sessionerna (orientering mot norr resp. syd) Norr mätning Syd mätning Syd beräkning Medel beräkning Antennoffset på antenn som skall kalibreras Fel p.g.a. referensantennens modell och koordinater Medelmodellen är oberoende av fel i referensen Kompensation för bristande satellitkonfiguration Absolut i horisontalled

Absolutkalibrering - Geo++ Absolut bestämning av offset och PCV genom rotation av antennen Endast en mottagare och en antenn används En robot används för att göra kontrollerade rotationer och lutningar av antennen Odifferentierade observationer används Differensen mellan två epoker används som observation vid skattning av offset och PCV-korrektioner Kalibreringstid ca 4 timmar, 6000-8000 lägen på antennen.

Exempel från Geo++ Offsetvärden och elevations- och azimutberoende PCV (ner till 0° samt standard-avvikelser är beräknade

Fördelar med absolutkalibrering Parametrarna är absoluta, ej beroende av referens Multipath elimineras Azimutkorrektioner Full täckning på alla elevationsvinklar och riktningar (inga hål) Lägsta elevationsvinkel 0° Repeterbarhet 0.1 – 0.3 mm

Länken mellan absoluta och relativa kalibreringar De relativa kalibreringarna från NGS är i förhållande till en specifik referensantenn av typen AOAD/M_T, m.h.a. absolutvärden för denna antenn och de nominella värden som använts vid den relativa kalibreringen kan man konvertera mellan absoluta och relativa modeller Nominella värden för referens L1: N=0, E = 0, U = 110.0 mm L2: N=0, E = 0, U = 128.0 mm Absolut modell L1: N= 0.6, E= -0.5, U= 91.2 mm + PCV L2: N=-0.1, E= -0.6, U= 120.1 mm +PCV AntennABS = AntennREL – RefREL + RefABS

Antennkalibrering på LMV Antennkalibreringsfält på Lantmäteriets tak etablerat april 2007. Antennstativ liknande SWEPOS klass B. Borttagbara fästen för radomer. Inmätt med totalstation (plan≈0.5 mm, höjd≈0.3 mm) Alla nya antenner på SWEPOS testas Sessioner både i nord- och syd-orientering Offset och PCV bestäms Beräkning liknande NGS fast i Bernprogrammet

Stationsberoende effekter Antennens elektriska centrum påverkas dessutom av miljön som den mäter i p.g.a.: multipath ”elektrisk förlängning” av antennen Ändrad miljö kring antennen, t.ex. Radom nya byggnader i närheten nytt tak på intilliggande byggnad röjning av vegetation mikrovågsabsorberande material olika montering (trefot, stativ, pelare…) påverkar antennens elektriska centrum och därmed beräknade positioner Olika antenner är olika känsliga Satellit Förlängd signalväg Antenn

Exempel LEIAT502 Beräkningar på data från Kirgisistan visar olika egenskaper för antennen LEIAT502 beroende på om den varit monterad på stativ eller på pelare. Upptäcktes genom s.k. elevationsgränstest (jämförelse mellan 10°- och 25°-lösningar) Kalibrering mot Dorne Margolin T-antenn på stativ visar att LEIAT502 på pelaren blir 3-4 cm för hög vid användning av NGS (relativa) antennmodell, jonosfärsfri linjärkombination, skattning av troposfärsparametrar, 10° elevationsgräns, elevationsberoende viktsättning. LEIAT502 på stativ har inget signifikant systematiskt fel vid motsvarande beräkningsmodeller. + ≠

Val av antenntyp En bra antenntyp har följande egenskaper: Symmetrisk (liten horisontell offset och litet azimutberoende) Litet elevationsberoende Liten spridning mellan olika exemplar Är okänslig för miljön Viktigt att det finns en bra antennmodell för den antenntyp som man ska använda annars kan man skicka antennen + ev. radom för kalibrering 440 Euro att kalibrera hos Geo++

Användning av antennmodeller Olika antennmodeller från olika källor är inte kompatibla med varandra Använda antennmodeller påverkar beräknade positioner, vilket även gäller realiseringen av referenssystemet! För bästa konsistens med referenssystemet bör samma typ av antennmodeller (relativ/absolut) användas som i realiseringen av systemet Använd samma typ av antennmodeller för alla antenner vid relativ mätning Identifiera vilken typ av antenn som används, bilder hos NGS, Geo++, leverantörer Var noggrann vid egen komplettering i antennfiler (olika format, teckenkonvention, elevation/zenitdistans, ordning)

Användning –statisk mätning Orientera antennerna mot norr Antennhöjdsmätning kompatibel med referens för antennmodellen Elevationsgränstest användbart för att testa antennmodellen Egen beräkning: full kontroll över vilka antennmodeller som används (följ de allmänna råden) SWEPOS beräkningstjänst: använder IGS/NGS relativa antennmodeller Identifiera antenntyp – beteckning i lista på SWEPOS hemsida Vertikal antennhöjd till ARP

Användning - RTK Svårt/omöjligt att orientera mot norr -> horisontalfelen kan ge dubbel effekt. Välj en antenn som är bra centrerad och har liten inverkan på olika elevationsvinklar! Egen referens: ofta modeller från instrumentleverantören SWEPOS nätverks-RTK: Referensdata från virtuella stationer med ”nollantenn” (ingen offset, inga PCV) Nollantennen i SWEPOS nätverks-RTK är baserad på NGS relativa antennmodeller Använd NGS relativa modell på rovern

Hur är det med GLONASS? Olika frekvenser Ofta används GPS PCV Nu bättre konfiguration PCV skattat för banden L1 och L2 (ej frekvensoberoende) Inte lika noggrant som för GPS Nyutvecklad metod som tar hänsyn till de unika frekvenserna (delta PCV linjärt) Skillanden mellan PCV för GLONASS och GPS på en Dorne Margolin T är i medel c:a 2 mm och max 5 mm på låga elevationer Inom Glonass frevensband 1mm med max på 1.5 mm

PCV och Delta PCV Glonass kalibrering ASH700936D_M SNOW

Var får man tag på modeller? NGS, National Geodetic Survey (gratis) http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/ + relativa modeller + relativa modeller konverterade till absoluta + under 2008 kommer även ”riktiga” absolutkalibreringar att genomföras på NGS IGS, International GNSS Service (gratis) ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/station/general/ + relativa modeller, huvudsakligen från NGS + absoluta modeller från Geo++ (med förbehåll) och kompletterade med relativa modeller konverterade till absoluta GEO++ Pris 125€ för 3 år (Gratis att titta) http://anton.geopp.de/gnpcvdb/pcvdb/GNPCVDB.html + absoluta modeller (+ absoluta modeller konverterade till relativa) Instrumentleverantörer

Slutsatser Beräknade positioner är beroende av beräkningsmodeller och då inte minst de antennmodeller som har använts (andra viktiga faktorer är elevationsgräns och typ av lösning (L1/L3)) Blanda inte antennmodeller från olika källor, framförallt inte absoluta och relativa Tänk på att koordinaterna får olika ”dialekter” med relativa och absoluta antennmodeller, hur är referenssystemet realiserat? Absoluta antennmodeller löser inte alla problem, stationsberoende effekter kvarstår Var noggrann vid hantering av antennmodeller och gör tester med ny utrustning/nya antennmodeller

Frågor? Tack för visat intresse!