TY - BOOK

T1 - Bestimmung von Codephasen-Variationen bei GNSS-Empfangsantennen und deren Einfluss auf die Positionierung

AU - Kersten, Tobias

N1 - Dissertation

PY - 2014/12/1

Y1 - 2014/12/1

N2 - Die globale Positionierung, Navigation sowie Zeit- und Frequenzübertragung [positioning, navigation and timing] (PNT) ist in der heutigen Gesellschaft zu einem integralen Bestandteil des täglichen Lebens geworden, so dass die präzise und autonome Georeferenzierung in der letzten Dekade in weiten Teilen unseres Lebensbereiches rasant Einzug gehalten hat. Positionierungs- und Navigationsverfahren werden u.a. in der öffentlichen Infrastruktur, dem See-, Land- und Luftverkehr intensiv verwendet. Sicherheitskritische Anwendungen verlangen ein Integritätsmonitoring der empfangenen Signale, die robuste und zertifizierte Signale voraussetzen. Codephasen-Beobachtungen liefern diese Robustheit und zudem müssen keine Codephasen-Mehrdeutigkeiten bestimmt werden. Codephasen-Beobachtungen nahmen im Bereich der Geodäsie aufgrund des hohen Beobachtungsrauschens und der niedrigen Auflösung im Vergleich zur simultan zur Verfügung stehenden Trägerphase bisher nur eine untergeordnete Rolle ein. Das ist einer der Gründe, warum praktische Untersuchungen bezüglich des Sensorverhaltens von GNSS-Antennen nur mit unzureichendem Umfang in der Literatur zur Verfügung stehen. Betrachtet man zusätzlich nur jene Literatur, die sich speziell mit den GPS/GNSS-Antenneneigenschaften und den Auswirkungen auf der Beobachtungsebene und Koordinatenebene beschäftigen, wird offensichtlich, dass sich bisher nur sehr wenige wissenschaftliche Arbeiten einiger weniger Autoren diesen Analysen widmeten. Ziel dieser Arbeit ist es, die beiden bisher nur getrennt voneinander betrachteten Themengebiete der geodätischen (Antennen-) Sensortechnik und deren Auswirkung auf geodätische Parameter in einen engen Kontext zu setzen. Hierzu wird ein ausgewogenes Verhältnis zwischen theoretischen Modellen und praktischen Messungen zur Evaluation der angesetzten Modelle verfolgt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den elektrotechnischen Zusammenhängen der Sensoreigenschaften der GPS/GNSS-Antennen. Es wird offensichtlich, dass jede Antenne spezielle Eigenschaften vorweist, die entsprechend den Anwendungen angepasst werden müssen. Es ist aktuell nicht möglich, eine universell einsetzbare GPS/GNSS-Antenne mit optimalen Eigenschaften zu designen und zu produzieren. Im zweiten Teil wird der Fokus auf die Modellierung und Schätzung der sensorspezifischen Eigenschaften gerichtet. Im Zentrum der Untersuchungen steht die bisher nur unzureichend studierte Empfangseigenschaft der Codephasenbeobachtungen von GPS/GNSS-Antennen. Konstellationsabhängige Abweichungen des Codephasenempfangszentrums [group delay variationen] (GDV) sind individuelle Eigenschaften der Antennen, welche die Qualität der Codephasen erheblich beeinträchtigen können. Ursachen, die zum Entstehen der GDV führen, werden im Kontext der elektrotechnischen Zusammenhänge diskutiert. Ein Konzept zur Bestimmung der GDV wird vorgestellt, das auf dem Hannoverschen Verfahren zur absoluten GNSS-Antennenkalibrierung aufbaut und u.a. am Institut für Erdmessung (IfE) entwickelt wurde. Dieses Verfahren ist international anerkannt, standardisiert und wird bereits seit mehr als einer Dekade erfolgreich für die operationelle Kalibrierung des Trägerphasenzentrums (PCV) geodätischer Antennen u.a. im Netzwerk des International GNSS-Service (IGS) eingesetzt. Umfangreiche Untersuchungen zeigen, dass GDVs signifikant festgestellt werden können. Abhängig vom Design der GPS/GNSS-Antennen führt dies zu signifikanten Beeinträchtigungen der Beobachtungen und daraus geschätzten Parametern. Zusätzliche Untersuchungen zur Bestimmung des Empfangszentrums der Trägerphase (PCV) im Hannoverschen Verfahren zeigen, dass Antenneneigenschaften nie losgelöst vom jeweils verwendeten GNSS-Empfänger betrachtet werden sollten. Vielmehr müssen sowohl die Antennen als auch Empfängerparameter im Kontext eines Gesamtsystems (Antenne-Kabel-Empfänger) studiert werden.

AB - Die globale Positionierung, Navigation sowie Zeit- und Frequenzübertragung [positioning, navigation and timing] (PNT) ist in der heutigen Gesellschaft zu einem integralen Bestandteil des täglichen Lebens geworden, so dass die präzise und autonome Georeferenzierung in der letzten Dekade in weiten Teilen unseres Lebensbereiches rasant Einzug gehalten hat. Positionierungs- und Navigationsverfahren werden u.a. in der öffentlichen Infrastruktur, dem See-, Land- und Luftverkehr intensiv verwendet. Sicherheitskritische Anwendungen verlangen ein Integritätsmonitoring der empfangenen Signale, die robuste und zertifizierte Signale voraussetzen. Codephasen-Beobachtungen liefern diese Robustheit und zudem müssen keine Codephasen-Mehrdeutigkeiten bestimmt werden. Codephasen-Beobachtungen nahmen im Bereich der Geodäsie aufgrund des hohen Beobachtungsrauschens und der niedrigen Auflösung im Vergleich zur simultan zur Verfügung stehenden Trägerphase bisher nur eine untergeordnete Rolle ein. Das ist einer der Gründe, warum praktische Untersuchungen bezüglich des Sensorverhaltens von GNSS-Antennen nur mit unzureichendem Umfang in der Literatur zur Verfügung stehen. Betrachtet man zusätzlich nur jene Literatur, die sich speziell mit den GPS/GNSS-Antenneneigenschaften und den Auswirkungen auf der Beobachtungsebene und Koordinatenebene beschäftigen, wird offensichtlich, dass sich bisher nur sehr wenige wissenschaftliche Arbeiten einiger weniger Autoren diesen Analysen widmeten. Ziel dieser Arbeit ist es, die beiden bisher nur getrennt voneinander betrachteten Themengebiete der geodätischen (Antennen-) Sensortechnik und deren Auswirkung auf geodätische Parameter in einen engen Kontext zu setzen. Hierzu wird ein ausgewogenes Verhältnis zwischen theoretischen Modellen und praktischen Messungen zur Evaluation der angesetzten Modelle verfolgt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den elektrotechnischen Zusammenhängen der Sensoreigenschaften der GPS/GNSS-Antennen. Es wird offensichtlich, dass jede Antenne spezielle Eigenschaften vorweist, die entsprechend den Anwendungen angepasst werden müssen. Es ist aktuell nicht möglich, eine universell einsetzbare GPS/GNSS-Antenne mit optimalen Eigenschaften zu designen und zu produzieren. Im zweiten Teil wird der Fokus auf die Modellierung und Schätzung der sensorspezifischen Eigenschaften gerichtet. Im Zentrum der Untersuchungen steht die bisher nur unzureichend studierte Empfangseigenschaft der Codephasenbeobachtungen von GPS/GNSS-Antennen. Konstellationsabhängige Abweichungen des Codephasenempfangszentrums [group delay variationen] (GDV) sind individuelle Eigenschaften der Antennen, welche die Qualität der Codephasen erheblich beeinträchtigen können. Ursachen, die zum Entstehen der GDV führen, werden im Kontext der elektrotechnischen Zusammenhänge diskutiert. Ein Konzept zur Bestimmung der GDV wird vorgestellt, das auf dem Hannoverschen Verfahren zur absoluten GNSS-Antennenkalibrierung aufbaut und u.a. am Institut für Erdmessung (IfE) entwickelt wurde. Dieses Verfahren ist international anerkannt, standardisiert und wird bereits seit mehr als einer Dekade erfolgreich für die operationelle Kalibrierung des Trägerphasenzentrums (PCV) geodätischer Antennen u.a. im Netzwerk des International GNSS-Service (IGS) eingesetzt. Umfangreiche Untersuchungen zeigen, dass GDVs signifikant festgestellt werden können. Abhängig vom Design der GPS/GNSS-Antennen führt dies zu signifikanten Beeinträchtigungen der Beobachtungen und daraus geschätzten Parametern. Zusätzliche Untersuchungen zur Bestimmung des Empfangszentrums der Trägerphase (PCV) im Hannoverschen Verfahren zeigen, dass Antenneneigenschaften nie losgelöst vom jeweils verwendeten GNSS-Empfänger betrachtet werden sollten. Vielmehr müssen sowohl die Antennen als auch Empfängerparameter im Kontext eines Gesamtsystems (Antenne-Kabel-Empfänger) studiert werden.

U2 - 10.15488/4003

DO - 10.15488/4003

M3 - Dissertation

SN - 978-3-7696-5152-2

T3 - Deutsche Geodätische Kommission bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften

CY - München

ER -