Exakte Positionierung durch internationale Zusammenarbeit: Eine weltweite Messkampagne

Projekt: IGS RingCalVal

Forschende: Tobias Kersten

Projektidee: Unser Projekt hat das Ziel, klare Standards und Anforderungen für die Kalibrierung von GNSS-Antennen zu entwickeln. Das ist wichtig, um sicherzustellen, dass diese Geräte zuverlässig sind. Wir arbeiten mit führenden Institutionen aus der ganzen Welt zusammen, um einheitliche Verfahren zu entwickeln. Dies wird helfen, sicherzustellen, dass Antennenkalibrierungen konsistent und zuverlässig sind.

In unserem vom Institut für Erdmessung (IfE) geleiteten Projekt geht es darum, die Empfangsantennen für Satellitennavigationssysteme (GNSS) präzise zu kalibrieren. Solche Systeme wie das europäische Galileo oder das amerikanische GPS helfen uns, genaue Positionsdaten zu erhalten, die für viele Anwendungen wichtig sind, z.B. die Überwachung des Meeresspiegels.

Die Kalibrierung dieser Antennen stellt sicher, dass sie Signale korrekt empfangen. Leider es gibt keinen einheitlichen Standard für die Antennenkalibrierung, nur eine internationale Übereinkunft, sich an einen sogenannten Pseudostandard zu halten. Diese besondere Art von Standard hat sich jedoch als sehr gut herausgestellt, weshalb er hohes Ansehen und eine hohe Akzeptanz besitzt. Die internationale Gruppe des International GNSS Service (IGS) überwacht und prüft die Qualität dieser Kalibrierungen, um die höchste Qualität zu garantieren.

Unser Projekt ist notwendig, weil es ein globales Referenzsystem für unsere Erde braucht, um genau zu messen und die Erdveränderungen (tektonische Plattenbewegungen, Meeresspiegelanstieg, Vulkanüberwachung usw.) überwachen zu können. Dafür ist eine exakte Kalibrierung der Antennen sehr entscheidend.

Um dies zu erreichen, arbeiten wir zusammen wie ein gut abgestimmtes Orchester: Neun Projektteilnehmer tauschen verschiedene Antennentypen aus, kalibrieren sie und vergleichen die Ergebnisse. Dabei erfordert die Feldkalibrierung mit einem Roboter viele Daten und ist sehr zeitaufwendig. Ebenso die Kalibrierung in einer echolosen Kammer, wo die Bedingungen einer Laborumgebung herrschen müssen.

Warum die Antennenkalibrierung nötig ist? Nun, das Empfangsverhalten [pattern] einer Antenne ist während der Planungs- und Entwicklungsphase nur schwer vorhersehbar und produzierbar. In der Realität hat die Antenne leicht andere Eigenschaften. Die Unterschiede zwischen den gewollten Eigenschaften und den tatsächlichen muss man bestimmen – also kalibrieren.

Es gibt derzeit keine zuverlässigen Grenzwerte zur Bewertung von Antennencharakteristiken oder vergleichbaren Werten zwischen verschiedenen Institutionen und Methoden (echolose Kammer und Feldroboter). Daher wurden sechs designtechnisch verschiedene GNSS-Antennen in dieser Kampagne eingesetzt, um eine Unabhängigkeit des Designs und der Kalibrierorte nachweisen zu können.

Im Laufe des Projektes wurden Grenzwerte und Methoden entwickelt, die den Vergleich der Antennencharakteristiken erleichtern und Richtwerte [benchmarks] für konsistente Vergleiche liefern. Unsere detaillierten Ergebnisse zeigen, dass die Konsistenz der Satellitensysteme bzw. Frequenzen pro Antennendesign innerhalb einer Unsicherheit von ±1 mm variiert, wobei ein zusätzlicher höhenabhängiger Effekt zu beobachten ist. Auch hier haben die Randbedingungen (Methode und Ansatz der Kalibrierung) einen wesentlichen Einfluss auf die Vergleichbarkeit.

Die Differenzen der Antennencharakteristiken (Differenzpattern) kann man nicht nur zwischen den Antennen direkt vergleichen, sondern auch auf deren Wirkung in der Positionierung oder der Navigation. Hierbei verwenden wir die hochgenaue Positionierungsmethode Precise Point Positioning (PPP). Es ergeben sich pro Antenne und System Abweichungen von typischerweise weniger als 2-3 mm für die horizontale Lageabweichung. In der Höhe hat man mit größeren Abweichungen zu rechnen (circa 5-8mm). Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass die Eigenschaften der Antennen nicht nur Auswirkungen auf die Berechnung einer einzelnen Koordinate haben, sondern es auch darauf ankommt, wo auf der Welt die Station steht. Denn abhängig von der geographischen Lage, erhält man auch Unterschiede in der Auswirkung der Antennenfehler – also: anderer Ort, andere Auswirkung auf die Position.

Das aus eigenen Mitteln finanzierte Projekt wird federführend durch das IfE organisiert und durchgeführt mit Unterstützung von Kollegen des National Geodetic Survey (NGS) aus den USA und Topcon Positioning Services aus Italien.