Bestimmung von Codephasen-Variationen bei GNSS-Empfangsantennen und deren Einfluss auf die Positionierung, Navigation und Zeitübertragung

Abstract

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.

In the today's society the global positioning, navigation as well as time and frequency comparisons (PNT) became an integral part. In the last decade, precise and autonomous techniques for geo-referencing rapidly enabled new applications and services to enhance our life. Intensively they are used for the positioning and navigation, like e.g., in different levels of public infrastructure, aircraft or other modes of transportation. In the case of safety-critical applications an integrity monitoring has to be considered, which demands for robust and certificated signals. Because of their robustness, code phases are used, mainly due to the fact, that no code phase ambiguities have to be resolved. In comparison to the simultaneously transmitted carrier phase - which is the main subject of intense research in the field of geodesy - the study of code phases plays a minor role, due to their low resolution and high observation noise. This is one of the reasons why not many practical studies are concentrated on the sensor characterisation of GNSS antennas so that they are available in literature only with insufficient scope. Additionally, if considering only those literature dealing especially with GPS/GNSS antennas techniques and the related effects on the observation and coordinate domain, it is quite obvious that only few scientific works of a small amount of some authors devoted to these analyses so far. To put in a common context the two separated areas of antenna sensor technology and related geodetic parameters is the aim of this thesis. An adequate balance between theory and practical evaluations of the applied models is used. So the thesis is divided into two parts. The first part focusses on the electro-technical studies to describe sensor properties of GPS/GNSS antennas. Although not very obvious, every antenna provides its specific properties which are directly related to their application. That means it seems to be impossible, to neither design nor produce a universally applicable GPS/GNSS antenna with optimal properties. The second essential part of the thesis is the modelling and analysis of the estimability of the sensor specific properties. Here, the focus is mainly on the code phase observation. The individual antenna properties to be determined are the constellation dependent deviations of the code phase centre (code phase delays - GDV) since they have significant magnitudes which degrade the quality of the code phase observation in the sense of a systematic error and further lead to additional user errors inside the GNSS processing. Reasons which cause GDVs with several magnitudes are discussed in close context to an electro-technical scope. A concept for the determination and estimation of the GDV is presented. It is based on the Hannover Concept of absolute antenna calibration and was originally developed at the Institut f\"ur Erdmessung (IfE). This calibration concept has international prestige, is standardized and used over more than one decade for calibrations of carrier phase centre variations (PCV) of geodetic antennas, which are applied among others in the International GNSS Service (IGS). Studies of the GDVs for several antennas show that GDV can be repeatable determined and that further degradation of the observations and estimated parameters occur, depending on the specific antenna design. Additional studies related to the estimation of the PCV parameter in the framework of the operational Hannover Concept show up the necessity to discuss antenna properties in close relation to the used GNSS receiver. For future studies mainly in the sense of Multi-constellation GNSS, antennas as well as GNSS receivers have to be analyzed as a combined system (antenna-cable-receiver).