Wpływ kalibracji anten odbiorników GNSS na dokładność pomiarów statycznych

(1)

INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 1/III/2012, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddzia w Krakowie, s. 177–186

Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi

Agnieszka Szeptalin

WPàYW KALIBRACJI ANTEN ODBIORNIKÓW GNSS

NA DOKàADNOĝû POMIARÓW STATYCZNYCH

____________

GNSS ANTENNAS CALLIBRATION

IN STATIC SURVEYING ACCURACY

Streszczenie

Geodezyjne urz dzenia pomiarowe takie jak tachimetry i niwelatory pod-dawane s kontroli i w razie potrzeby – kalibracji. Takie same procedury powinny dotyczy urz dze do pomiarów w technologii GNSS (Global Navigational Satel-lite System – Globalny System Nawigacji Satelitarnej). Badanie zbli one do kali-bracji wzgl dnej wykonane na dwóch antenach GNSS tego samego modelu (Trimble 5800) wykaza o, e anteny ró ni si od siebie a wp yw poprawek kali-bracyjnych na obie anteny jest ró ny. Mo e to oznacza konieczno stosowania indywidualnych plików kalibracyjnych przygotowanych specjalnie dla konkretnej anteny.

Dzi ki kalibracji anten oraz dba o ci o odpowiednie ich zorientowanie pod-czas pomiaru mo liwe jest poprawienie dok adno ci pomiarów statycznych GNSS.

Sáowa kluczowe: kalibracja, pomiary statyczne, GNSS

Summary

Surveying devices like tachymeters and levels might be monitored and if it is necessary – calibrated. Similar procedures should apply to GNSS (Global Navi-gational Satellite System) measuring sets.

The semi-calibrating research on two GNSS antennas (Trimble 5800) shows that antennas are different and the calibration files have different influence on both. it means that probably individual calibrations files are needed.

Antenna calibration and correct orientation of antenna during the GNSS survey may lead to better positions’ accuracies.

(2)

WSTĉP

Pomiary satelitarne s coraz cz ciej stosowane przez geodetów, czego potwierdzeniem jest rosn ca ilo u ytkowników powsta ego w 2008 roku sys-temu ASG-EUPOS (Aktywna Sie Geodezyjna – nowoczesny odpowiednik osnowy geodezyjnej, gdzie punktami odniesienia s permanentne stacje referen-cyjne GNSS – Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej). Wed ug danych GUGiK [Oruba, 2009, Wajda, 2011] w pierwszym roku dzia ania systemu (2008) zarejestrowanych by o ok 1500 osób, natomiast dzi jest to ju ok 8000. Pomimo znacznego upowszechnienia tej technologii zu ycie urz dze i ich po-tencjalne rozkalibrowanie nie jest monitorowane. Norma PN ISO 17123, która okre la m. in. metody testowania warunków tachimetrów i niwelatorów formu-uje jedynie procedury testowe dla pomiarów GNSS czasu rzeczywistego (ISO 17123-8 w trakcie t umaczenia na j zyk polski) [Heister 2008, Owerko , Kuras 2010], nie uwzgl dnia jednak post powania kontrolnego dla precyzyjnych po-miarów statycznych. Kalibracja niwelatorów i tachimetrów nale y do standar-dowej oferty serwisów geodezyjnych, jednak dla urz dze wykorzystywanych w pomiarach satelitarnych nie ma takiej oferty.

Urz dzenia s u ce do pomiarów w technologii GNSS sk adaj si z ante-ny odbieraj cej sygna y od satelitów, odbiornika rejestruj cego obserwacje oraz (opcjonalnie) kontrolera, który zarz dza ustawieniami urz dze odbiorczych. Spo ród tych elementów najbardziej nara ona na uszkodzenia jest antena od-biorcza. Nie da si zapobiec wstrz som urz dzenia podczas przewo enia, a cza-sem upadku. Podobnie jak w przypadku urz dze tradycyjnych mo e to prowa-dzi do pewnych zmian, które powinny by monitorowane za pomoc odpowiednich procedur testowych i kalibracyjnych.

Kalibracj anten GNSS wykonuj dotychczas nieliczne o rodki (Geo++ GmbH, Leibniz University Hanover, Institut für Erdmessung, Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin, TU Dresden, National Geodetic Survey -Silver Spring). Wynikiem ich pracy s pliki kalibracyjne, które zawieraj podstawowe parametry korekcyjne dla poszczególnych typów anten. Konkretnie s to warto-ci odchylenia faktycznego centrum fazowego anteny od jego oznaczonego na urz dzeniu odpowiednika nazywanego punktem referencyjnym anteny – ARP (Antenna Reference Point) [Dawidowicz 2011].

Rzeczywiste centrum fazowe anteny jest zale ne od kierunku nadchodz -cego sygna u od satelitów, dlatego nie jest punktem ani nie jest symetryczne, dodatkowo nie musi by jednakowe dla ró nych egzemplarzy anten [Zeimetz i in. 2008]. Przyjmuje si jednak dla wi kszo ci zastosowa , e wystarczaj cymi s ogólne pliki kalibracyjne sformu owane dla poszczególnych typów anten. S one ogólnie dost pne w oprogramowaniu do przetwarzania obserwacji GNSS, a tak e na stronach NGS (National Geodetic Survey). Poni ej zamieszczono plik

(3)

R8 (odbiornik zintegrowany z anten ). W pliku zawarte s poprawki dla ró nych cz stotliwo ci i ró nych kierunków przychodzenia sygna u.

Rysunek 1. Plik parametrów kalibracyjnych dla odbiornika Trimble R8 [NGS] Figure 1. Calibration parameters file for Trimble R8 receiver [NGS]

Wykorzystanie plików kalibracyjnych podczas oblicze w pomiarach sta-tycznych jest zalecane przez GUGiK [Graszka i in. 2011], poniewa ich brak mo e powodowa obni enie dok adno ci wyznaczanych wspó rz dnych.

Pliki kalibracyjne mog by uzyskane na podstawie nast puj cych metod kalibracji [Campbell J., 2006, Campbell i in.1999]:

– kalibracja wzgl dna,

– kalibracja bezwzgl dna w pomieszczeniu bezechowym,

– kalibracja bezwzgl dna w miejscu sta ego posadowienia anteny. W ka dym z bada kalibracyjnych zmieniane jest po o enie anteny, co skutkuje uzyskaniem ró nych wspó rz dnych wyznaczanego punktu, na tej pod-stawie powstaje model poprawek. Najprostsz do wykonania jest kalibracja wzgl dna, która polega na porównaniu wyników obserwacji z badanej anteny wzgl dem anteny wzorcowej. Metody bezwzgl dne s trudniejsze do wykona-nia, gdy wymagaj zastosowania robota kalibracyjnego, który oprócz obrotu anteny realizuje jej pochylenie, jednak równocze nie s bardziej precyzyjne od metody wzgl dnej.

Obecnie w wielu miejscach na wiecie trwaj badania nad centrami fazowymi anten [Bary a i in. 2011, Becker i in. 2010]. Analiza wyznaczenia wspó -rz dnych dla ró nych ustawie anteny w dalszej perspektywie pozwoli zmini-malizowa b dy instrumentalne.

(4)

METODYKA BADAē

Procedura przeprowadzonych bada by a zbli ona do procedury kalibracji wzgl dnej, jednak zamiast jednej sta ej anteny zastosowano 3 anteny odleg e od siebie nawzajem o ok 20 m. Podczas 2 dni bada baza wraz z badanymi antena-mi by a ustawiona jak przedstawiono na rys. 2a i 2b. rednia odleg o badanej anteny od punktów bazy wynosi a 11,65 m.

a b

Rysunek 2. Rozmieszczenie punktów na podstawie szkicu z programu Topcon Tools. a) punkt 5116 na tle bazy, b) punkt 3655 na tle bazy

Figure 2. Location of measured points based on Topcon Tools program. a) 5116 point against base points background, b) 3655 point against base points background

W ramach eksperymentu przeprowadzono pomiary statyczne z wykorzy-staniem 5 odbiorników GNSS. Wykonano dwie serie pomiarów, podczas któ-rych odbiorniki typu Trimble 4700 z antenami Micro Centered o numerach 1663, 6664 oraz 7335 rejestrowa y obserwacje w trybie ci g ym przez ok 6 go-dzin, natomiast odbiorniki Trimble 5800 o numerach 5116 oraz 3655 po usta-wieniu ich na statywie by y regularnie obracane co ok 20 min odpowiednio o 25 i 40 gradów. Uzyskali my w zwi zku z tym 13 plików obserwacyjnych w pierwszym dniu pomiarów na odbiorniku 5116 oraz 10 plików obserwacyjnych w drugim dniu dla anteny 3655. Obserwacje we wszystkich odbiornikach reje-strowane by y z interwa em jednosekundowym.

Czas pomiaru wynosz cy 20 min zosta wybrany jako optymalny – jest to wi cej ni sugerowane przez GUGiK 15 min (na podstawie zestawienia

(5)

inter-zamieszczonego na stronie www systemu ASG-EUPOS). Jednocze nie uda o si wykona pe ny obrót anten ruchomych zanim baterie uleg y roz adowaniu.

Uzyskane obserwacje GPS (korzystano tylko z obserwacji z satelitów GPS, poniewa odbiorniki nie by y wyposa one w modu GLONAS) analizo-wano za pomoc programu Topcon Tools przy odci ciu horyzontu rz du 10º. Wspó rz dne wyznaczano w uk adzie 2000 uwzgl dniaj c dziesi te cz ci mili-metra.

Pierwszym krokiem by o przeliczenie i wyrównanie obserwacji odbiorników bazy. Tak uzyskane wspó rz dne s u y y do kolejnego wyznaczania wspó -rz dnych p-rzy ró nych ustawieniach pozycji anteny. Te czynno ci wykonano dwukrotnie: dla obserwacji uwzgl dniaj cych parametry kalibracyjne anteny oraz dla obserwacji bez uwzgl dnienia tych parametrów.

WYNIKI BADAē

Porównano obserwacje przeliczone z wykorzystaniem plików kalibracyj-nych z obserwacjami przeliczonymi bez tych plików. Nast pnie porównano je z sugerowanymi przez producenta dok adno ciami pomiarów. (tab. 1),

Tabela 1. Dok adno pomiaru na podstawie danych producenta Table 1. Accuracy of positioning for based on producer specification

5800 _{Micro -centered}4700 z anten Horyzontalnie ±5 mm + 0.5 ppm RMS ±5 mm + 0.5 ppm RMS Vertykalnie ±5 mm + 1 ppm RMS ±10 mm + 1 ppm RMS

ród o: Trimble.

Dla kolejnych pomiarów uzyskano odchylenia od redniej, które dla wspó rz dnych p askich X, Y, przy zastosowaniu plików kalibracyjnych w jed-nym na 13 (w pierwszym dniu pomiarów, antena 5116) lub jedjed-nym na 10 (w drugim dniu pomiarów, antena 3655) przekroczy y warto ci podawane przez producenta (tab. 2 i 3).

Tabela 2. Podsumowanie pomiarów wykonanych

za pomoc anteny 5116 analizowanych z za czeniem pliku kalibracyjnego Table 2. Summary of measurements of 5116 antenna, analyzed with calibration file

X Y h

rednia odchy ka 0.002 0.0013 0.0087

Odchylenie standardowe 0.0027 0.0021 0.0107

Odchylenie maksymalne 0.0052 0.0052 0.0194

(6)

Tabela 3. Podsumowanie pomiarów wykonanych za pomoc anteny 3655 analizowa-nych z za czeniem pliku kalibracyjnego

Table 3. Summary of measurements of 3664 antenna, analyzed with calibration file

X Y h

rednia odchy ka 0.0015 0.001 0.0043

ród o: Badania w asne.

Analiza obserwacji przetwarzanych bez zastosowania pliku kalibracyjnego wykaza a pogorszenie spójno ci danych ko cowych do dwóch przekraczaj cych warto ci podawane przez producenta odpowiednio na 13 i 10 pomiarów. Zano-towano jedn odchy k wspó rz dnych p askich, która wyst pi a w plikach ana-lizowanych bez pliku kalibracyjnego jej b d przekracza 30 cm. W powy szej analizie obserwacje tego pomiaru nie zosta y uj te. Wi kszo obserwacji by a zbli ona do przewidywanego zakresu dlatego wynik znacznie odbiegaj cy po-traktowano jako b d gruby.

Tabela 4. Podsumowanie pomiarów wykonanych za pomoc anteny 5116 analizowanych bez za czenia pliku kalibracyjnego

Table 4. Summary of measurements of 5116 antenna, analised withour calibration file

X Y h

rednia odchy ka 0.0022 0.0016 0.0072

Tabela 5. Podsumowanie pomiarów wykonanych za pomoc anteny 3655 analizowanych bez za czenia pliku kalibracyjnego

Table 5. Summary of measurements of 3664 antenna, analyzed without calibration file

X Y h

rednia odchy ka 0.0024 0.0006 0.0322

Odchylenie standardowe 0.0082 0.0011 0.1067 Odchylenie maksymalne 0.0050 0.0030 0.0372 ród o: Badania w asne.

Uzyskane wysoko ci punktów w wi kszym stopniu przekraczaj za o enia producenta oscyluj c w okolicy 1 cm odchylenia od redniej, jednak jedna z obserwacji uzyska a ponownie odchy k ok 30 cm (nie uj to jej w powy szej

(7)

Porównano uzyskane warto ci mi dzy sytuacj za czenia i nie za czenia pliku kalibracyjnego. Uzyskane tym sposobem warto ci wykaza y tendencje do zmniejszania wszystkich warto ci (XYZ) po odrzuceniu pliku kalibruj cego (tab. 6). Odchy ka wspó rz dnych X i Y nieznacznie przekraczaj 1 mm, nato-miast odchy ka wysoko ci h przekracza nawet 1 cm.

Tabela 6. Porównanie obserwacji z zastosowaniem i bez zastosowania pliku kalibracyjnego

Table 6. Comparison of measurements with and without calibration file

5116 X Y h rednia 0.0003 0.0006 0.0108 max 0.0043 0.0047 0.0198 3655 X Y h rednia 0.00088 0.00087 0.00953 max 0.00256 0.00141 0.01382 ród o: Badania w asne.

Ró nice pomi dzy wspó rz dnymi uzyskanymi z zastosowaniem plików kalibracyjnych i bez ich udzia u wskazuj tak e na ró nice w budowie anten (rys. 3a i 3b). rednie warto ci wspó rz dnych (rys. 4) przemie ci y si w ró -nym stopniu. Ró nice te mog by spowodowane zu yciem lub uszkodzeniem anten, ale tak e ich niedoskona o ci .

WNIOSKI

Wykazano, e ustawienie anteny GNSS w ró nych pozycjach mo e powo-dowa zmiany w warto ciach wyznaczanych wspó rz dnych. Aby zminimalizo-wa wp yw tego zjawiska nale y przeprozminimalizo-wadzi szczegó owe badania kalibra-cyjne anten odbiorczych, a nast pnie ich wyniki uwzgl dnia w opracowaniu danych. Nale y przy tym pami ta o ustawianiu anteny w zbli onej orientacji,

eby zapobiec nak adaniu si b dów po o enia centrum fazowego.

Ró ne wyniki uzyskane dla dwóch anten tego samego modelu pozwalaj wnioskowa , e ka de urz dzenie nale y traktowa indywidualnie. Ogólne pliki kalibracyjne dla poszczególnych modeli anten s uniwersalne jedynie dla mniej dok adnych pomiarów.

Okre lenie dok adnej powierzchni centrum fazowego oraz kontrola jedna-kowego kierunku ustawienia anteny powinny skutkowa podniesieniem dok ad-no ci pomiarów, jednak dla potwierdzenia tej teorii nale y kontynuowa badania na wi kszej liczbie anten. Warto by oby porówna wyniki takich bada dla an-ten nowych i u ywanych lub uszkodzonych.

(8)

5550359.236 5550359.238 5550359.240 5550359.242 5550359.244 5550359.246 5550359.248 5550359.250 7417988 .372 7417988 .373 7417988 .374 7417988 .375 7417988 .376 7417988 .377 7417988 .378 7417988 .379 7417988 .380 7417988 .381 7417988 .382

bez pliku kalibracyjnego z plikiem kalibracyjnym Ğrednia bez pliku Ğrednia z plikiem a 5550358.901 5550358.902 5550358.903 5550358.904 5550358.905 5550358.906 5550358.907 5550358.908 7 417 988. 1 2 9 7 417 988. 1 3 0 7 417 988. 1 3 1 7 417 988. 1 3 2 7 417 988. 1 3 3 7 417 988. 1 3 4 7 417 988. 1 3 5 7 417 988. 1 3 6

bez pliku kalibracyjnego z plikiem kalibracyjnym Ğrednia bez pliku Ğrednia z plikiem

b ród o: Badania w asne.

(9)

0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.0010 0. 0000 0. 0001 0. 0002 0. 0003 0. 0004 0. 0005 0. 0006 0. 0007 0. 0008 0. 0009 0. 0010

obserwacje 5116 bez pliku kalibracyjnego obserwacje 3665 bez pliku kalibracyjnego obserwacje z plikiem kalibracyjnym

Rysunek 4. Przemieszczenie redniego centrum fazowego po odj ciu plików kalibracyjnych

Figure 4. Displacement of middle phase center values after removing calibration files

BIBLIOGRAFIA

Bary a R., St pniak K., Wielgosz p., Paziewski J., Krukowska M., Kapcia J., Analiza dokáadnoĞci

modeli centrów fazowych anten odbiorników GPS dla potrzeb niwelacji satelitarnej,

Kon-ferencja Komisji Geodezji Satelitarnej Komitetu Bada Kosmicznych i Satelitarnych PAN „Satelitarne metody wyznaczania pozycji we wspó czesnej geodezji i nawigacji„Wroc aw, 2011.

Becker M., Zeimetz P., Schönemann E., Anechoic chamber calibrations of phase center variations for new and existing GNSS signals and potential impacts in IGS processing, IGS Work-shop, Newcastle upon Tyne, 2010.

Cambell J., Kalibrierung von GPS-Antennen Einführung und Überblick, Geodätisches Institut, Uni Bonn, 2006.

Campbell J., Gorres B., Kotthoff H., Wohlleben R., Definition von Antennenphasenzentren und

Signifikanz der Ergebnisse aus Kammer- und Feldverfahren, Bonn, Geodätisches Institut

(10)

Dawidowicz K., Comparision of using relative and absolute PCV corrections in short baseline

GNSS observation processing, Artificial Satellites, vol. 46, No. 1-2011, Warszawa, 2011.

Graszka W., Wajda S., Oruba A., Ryczywolski M., Zalecenia techniczne: Pomiary satelitarne

GNSS oparte na systemie stacji referencyjnych ASG-EUPOS, G ówny Geodeta Kraju,

Warszawa, 2011.

Gurtner W., RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 3.0, Astronomical Institute University of Bern, Berno, 2007, 10 ss.

Heister H., The new ISO standard 17123-8 for checkingGNSS field measuring systems, Integrating Generations FIG Working Week 2008 Stockholm, 2008, 16 ss.

Oruba A., Leo czyk M., Ryczywolski M., Wajda S., ASG-EUPOS po roku, Geodeta Magazyn geoinformacyjny nr 4 (167), Warszawa, 2009.

Owerko T., Kuras P., GNSS RTK system accuracy investigation according to the ISO 17123-8

standard, 11. Geokinematischer Tag des Institutes für Markscheidewesen und Geodäsie,

Freiberg, 2010, s. 224–231.

Wajda S., Graszka W., Modernizacja systemu ASG-EUPOS i nowe wyzwania, Konferencja „ Satelitarne metody wyznaczania pozycji we wspó czesnej geodezji i nawigacji”, Wroc aw, 2011.

Zeimetz P., Kuhlman H., On the Accuracy of Absolute GNSS Antenna Calibration and the

Con-ception of a New Anechoic Chamber, Integrating Generations FIG Working Week 2008

Stockholm, 2008, 16 ss.

ASG-EUPOS [online], GUGiK, 2009, http://www.asgeupos.pl/index.php?wpg_type=serv&su

b=pozgeo, [dost p: 20 stycznia 2012].

NGS [online], NGS, 2005 http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/LoadFile?file=TRM_R8

_NONE.003 [dost p: 21 stycznia 2012].

Trimble Support [online], Ttrimble, http://www.trimble.com/support.shtml [dost p: 1 luty 2012 MgrAgn in . Agnieszka Szeptalin e-mail: agnieszkaszeptalin@o2.pl Katedra Geodezji Uniwersytet Rolniczy im H. Ko taja ul. Balicka 253A 30-198 Kraków