CC BY
164
УДК 528.2 А.Н. Клепиков СГГ А, Новосибирск
О КАЛИБРОВКЕ АНТЕНН GPS
В настоящее время количество потребителей, которым нужна все более высокая точность GPS-определений, растет. Повышаются и требования к точности GPS-измерений. Состав ошибок GPS-измерений, в общем, давно понятен. Но, вследствие повышения требований, некоторые из них начинают исследовать заново, возвращаются на новом витке точности к уже изученным влияниям и ошибкам.
Одной из этих ошибок хотелось бы коснуться в данном обзоре, а именно: изменение положения фазового центра антенны (PCV) GPS-приемника.
Изменения PCV определялись и анализировались в лабораторных экспериментах с самого начала применения GPS. Первые работы были опубликованы 20 лет назад. Однако на практике обычно использовались одинаковые антенны с одинаковой ориентировкой, на коротких расстояниях, поэтому влияние PCV было незначительно.
Использование разных типов антенн и измерения на очень больших расстояниях по спутникам, находящимся на разных высотах очень удалённых станций привело к необходимости обеспечивать поправками за PCV. Сообщалось об абсолютных калибровках в безэховых камерах и их анализе[2]. Значения абсолютных PCV, получаемые из сравнительно дорогих лабораторных калибровок, на практике не дают удовлетворительных результатов. Это привело к введению полевых методик для калибровок антенн. В этих простых полевых калибровках зависящие от высоты изменения PCV оцениваются от некоторой опорной антенны. Предполагается, что для опорной антенны смещения нулевые и зафиксированы на предопределённых значениях. Критическим фактором в методиках относительных калибровок является многопутность, и была попытка минимизировать её влияние путём выбора места и усреднением по времени. Тем не менее, повсюду применяемые поправки за PCV оцениваются по упрощенным полевым калибровкам.
При сравнениях относительных и абсолютных PCV возникает эффект в глобальных сетях, который представляет масштабную ошибку примерно 15 -1(Г9. На основе результатов методик измерений, других, а не GPS, считалось, что абсолютные PCV являются источником этой ошибки. Цена исследования PCV в лаборатории тормозила доскональные исследования. Wubbena et al. [1] первые предоложили полевые абсолютные калибровки антенн и обсудили недостатки относительной методики. Эксперименты показали, что абсолютные PCV можно исключить как случай так называемых ошибок масштабирования в глобальных сетях. Теперь необходимы новые исследования других источников ошибок, таких как антенны спутников и тропосферы. Текущие сравнения абсолютных лабораторных калибровок с
абсолютными полевыми калибровками, а также сравнения с относительными PCV подтверждают общую правильность абсолютных PCV.
До сих пор рассматривались зависящие от высоты изменения PCV, касающиеся как самых больших влияний на высотные компоненты, так и азимутальные PCV, чтобы сделать их меньше на порядок. Улучшение в разрешении, точность и надёжность, полученные из абсолютных полевых калибровок, показывают, однако, что некоторые типы антенн имеют значительные азимутальные изменения сравнимой величины, которые должны учитываться, особенно в RTK применениях.
Можно показать, что также одинаково необходимы абсолютные значения PCV для точных методов GPS с применяемыми антеннами на коротких расстояниях.
Полное описание поведения приёма фазы антенны состоит из опорной точки антенны (ARP), марки “север”, данных для обеих частот для среднего положения фазового центра от ARP и PCV для L1 и L2 относительно данного смещения.
Автоматическая абсолютная полевая калибровка в реальном времени
В уравнениях наблюдений GPS влияние зависящих от станции компонент ошибок (PCV и многопутности) на первый взгляд разделить невозможно. Основной принцип абсолютной полевой калибровки заключается в разделении, и, таким образом, в определении или исключении различных индивидуальных источников ошибок. Поэтому выбор неразностного метода вычислений в GPS представляется наилучшим выбором для обработки. Исключение многопутности из процедуры калибровки является обязательной задачей для определения точных и надёжных PCV.
В разностях по звёздным суткам ошибка многопутности исключается, или, по крайней мере, уменьшается, насколько это возможно, поскольку идентичные условия многопутности существуют в наблюдениях двух дней (из-за повторения созвездия спутников). Разности PCV между статическими наблюдениями на опорный день и наблюдения с развёрнутой или наклонной ориентировкой на второй день используются как входные данные для определения PCV с использованием специального гармонического анализа. Через изменения в ориентировке между двумя днями наблюдений PCV можно определить и отделить от эффектов многопутности. Любое влияние опорной антенны удаляется полностью, поскольку никаких изменений в ориентировки не происходило.
Неразностные уравнения наблюдений образуют основу для процесса калибровки в реальном времени. Чтобы оценить параметры многопутности как стохастического процесса в дополнение к стандартным параметрам уравнивания GPS для коротких расстояний, используется корреляция высоты в эффектах многопутности между последовательными эпохами. Быстрые изменения ориентировки калибровочного робота позволяет разделить эффекты от PCV и многопутности.
Калибровка в реальном времени требует быстрых изменений в ориентировке с помощью робота. Дополнительно необходима всесторонняя калибровка самого робота с помощью наблюдений теодолитом, чтобы обеспечить определение положений антенны с точностью 0.2-0.3 мм. Поэтому вначале кажется, что процесс достаточно дорогой.
С другой стороны, автоматизация приносит дополнительные преимущества. С роботом наблюдения выполняются в нескольких тысячах точно определённых положений. Результаты пост-обработки показывают, что для высокого разрешения и точности определения РСУ необходимо огромное число положений.
Полное среднее из различных ориентировок в калибровке находится между 6000 и 8000, в зависимости от времени и созвездия спутников. В частности, можно точно и надёжно определить азимутально-зависимые РСУ. Одна калибровка занимает всего несколько часов. В дополнение, автоматизируется программа измерений, и текущее созвездие спутников учитывается для оптимизации охвата, времени наблюдений и ожидаемой точности РСУ. Динамично применяемая маска высоты использует только спутники над 18° и даже выше для наклонных положений. Всесторонний и однородный охват полусферы антенны достигается по наблюдениям в горизонте (наклоненная антенна).
На рис. 1 представлена антенна DM_T, установленная на роботе для абсолютной полевой калибровки в реальном времени.
Рис. 1. DM_T антенна установленная на роботе
Программы наблюдений изменяются и поэтому уменьшают возможность систематических ошибок. Калибровка заканчивается, когда достигается полный охват антенной полусферы (с наблюдениями обычно на каждых 5°).
Прекрасная повторяемость была доказана [1] через дальнейшие сравнения калибровок разных типов антенн с различными роботами, на разных станциях и в разное время суток (различия в калибровках роботов, многопутности, погоде, созвездии, программах измерений, окружении станции и её конструкции), и всё подтвердило высокое качество PCV, выведенных подобным образом, а также их независимость от станции, на которой размещалась антенна.
Требования к точности поправок PCV
Точность калибровок антенны неотделимо от оценки смещения и PCV, но она выводится совместно для PCV и смещения. Это очевидно, если рассмотреть передачу ошибок и ионосферно-свободную линейную комбинацию L0 для оценки влияния смещения антенны (offset) и PCV на определение положения из GPS. Стандартное отклонение для L0 от PCV почти в три раза больше, чем для L1 и L2. Для фиксирования (определения) положения в периоде высокой ионосферной активности требуется обязательно комбинация L0. Часто оказывается, что раздельные точности от 1 до 2 мм для смещения на L1 и L2, а так же от 1 до 2 мм в PCV на L1 и L2. С такими значениями стандартные отклонения в PCV для комбинации L0 лежат в пределах от 4 до 7 мм.
Влияние на точность GPS позиционирования определяется через стандартное отклонение в положении sp и стандартное отклонение измерений фазы sR , вместе с мерой спутниковой геометрии PDOP в виде
sp = sR ■ PDOP.
При PDOP от 1 до 3 неопределённости в PCV дают рост ошибок в позиционировании в пределах от 4 до 21 мм. Для высокоточных применений эта точность неудовлетворительна. Поэтому для определения объединенного смещения и PCV требуется наилучшая возможная точность. Часто также ставится вопрос, нужна ли калибровка каждой отдельной антенны, или общая калибровка для типа антенн. То же самое применимо к расхождениям между отдельными антеннами.
Требования к точности PCV нужно рассматривать для всего диапазона высот. Некоторые приложения GPS требуют использования масок высоты с наклоненными роверными антеннами или утончённым тропосферным моделированием, где требуются углы 5° над горизонтом и ниже. Поэтому представляет интерес величины PCV вплоть до горизонта антенны, и на следующих графиках никакие углы отсечки по высоте не используются.
Заключение
Абсолютная полевая калибровка PCV в реальном времени является операционной процедурой с высоком разрешением для компонент, зависящих от азимута и высоты. Была продемонстрирована повторяемость на антенне с азимутально зависимыми PCV. Были обсуждены требования к точности
калибровки антенн. Чтобы исключить неопределённости в фиксировании координат GPS, качество определения суммы влияний от смещения (offset) и PCV должно определённо иметь стандартное отклонение лучше, чем 1 мм. Для высокоточных работ и особенно для точных применений в реальном времени обязательно нужны калибровки для каждой антенны.
Из представленных здесь примеров ясно, что PCV антенны можно определить через детальное исследование посредством соответствующей калибровки с высоким разрешением и точностью. Факторы, влияющие на характеристики PCV, слишком сложны для того, чтобы описать их более общим образом. Было показано в [1], что значительные изменения вызываются (1) непосредственной близостью к антенне UHF антенн, (2) формой корпуса антенны, (3) деталями конструкции купола, (4) наличием отсекателя.
В настоящее время прокалибровано 109 типов антенн, 787 уникальных антенн, 3403 индивидуальные калибровки. Многие доступны в Geo++.
Развитие метода абсолютной полевой калибровки и надёжное определение абсолютных PCV открывает новые перспективы для будущих исследований. В ближайшие годы будут тщательно исследоваться ошибки многопутности и тропосферные влияния, важно только отделить их от PCV эффектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Wubbena G., Schmitz M., Menge F., Boder V. and Seeber G. /Automated absolute field calibration of GPS antennas in real-time [text] // Proceeding of the ION GPS-2000 13th International Technical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation, Salt Lake City, 2000 - Англ.
2. Teunissen P.J.G. GPS for geodesy [text]. Teunissen P.J.G., Kleusberg A. (Eds.). / P.J.G. Teunissen, Y. Bock, G. Beutler et al. - Berlin: Springer, 1998. - 650 p. - Англ.
3. Schmitz M. Tests of phase center variations of various GPS antennas, and some results [text] / M. Schmitz, G. Wubbena, G. Boettchiv // GPS Solutions, Vol. 6, No. 1-2. - 2002. - P. 1827. - Англ.
4. Mader G.L. A Comparison of Absolute and Relative GPS Antenna Calibrations. [text] // GPS Solutions, Vol. 4, No. 4. - 2001. - P. 37-40. - Англ.
5. Mader G.L. GPS Antenna Calibration at the National Geodetic Survey.
[Электронный доступ]. - Режим доступа: http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/ - 2004. -
Англ.
© А.Н. Клепиков, 2005
