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Technische Universität München

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Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie

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Phasenzentrumsvariationen der GNSS-Antennen


Motivation

Bis zum November 2006 wurden innerhalb des International GNSS Service (IGS) Phasenzentrumskorrekturen für Empfangsantennen relativ zur Referenzantenne AOAD/M_T verwendet, die aus Feldkalibrierungen stammten. Nachteile solcher Kalibrierungen sind eine ungleichmäßige Verteilung der Beobachtungen, ein erhöhtes Beobachtungsrauschen in niedrigen Elevationen sowie die willkürliche Annahme, die Referenzantenne sei frei von Phasenzentrumsvariationen (PCVs). Im Gegensatz dazu beschränken Kammerkalibrierungen und Feldkalibrierungen unter Zuhilfenahme eines Roboters, der die zu kalibrierende Antenne drehen und kippen kann, diese Probleme auf ein Minimum und liefern daher absolute PCVs.

Solange jedoch das Verhalten der Sendeantennen an Bord der GNSS-Satelliten mißachtet wurde, verursachte die Verwendung absoluter Phasenzentrumskorrekturen in globalen Lösungen eine beträchtliche Maßstabsdifferenz im Vergleich zur Very Long Baseline Interferometry (VLBI) oder zum Satellite Laser Ranging (SLR). Um konsistente Korrekturwerte für die Satellitenantennen zu gewinnen, führten das GFZ und die TUM eine Neuverarbeitung der Beobachtungsdaten aus über 10 Jahren durch, wobei der terrestrische Maßstab von VLBI übernommen und absolute Roboterkalibrierungen für die Empfangsantennen eingeführt wurden. Für diesen Rechenaufwand, der die Neuschätzung von Troposphären-, Bahn- und Erdrotationsparametern miteinschloß, wurden zwei verschiedene Softwarepakete genutzt (EPOS.P.V2, Bernese GPS Software).

Ergebnisse

Abb. 1 zeigt die Resultate für vier verschiedene Typen von GPS-Satellitenantennen. Ebenfalls dargestellt sind die entsprechenden Werte für die Sendeantennen an Bord der GLONASS-Satelliten, die von CODE aus den Beobachtungsdaten etwa eines Jahres geschätzt wurden.

 
Satellite%20antenna%20PCVs
Abb. 1: Phasenzentrumsvariationen der Satellitenantennen in Abhängigkeit des Nadirwinkels, unter dem eine Station vom Satelliten aus gesehen wird, für die verschiedenen Generationen von GPS- und GLONASS-Satelliten.

Während nadirabhängige PCVs bereits Teil des offiziellen IGS-Modells igs05_wwww.atx sind (zusammen mit satellitenspezifischen z-Offsets), werden azimutabhängige PCVs bislang nicht berücksichtigt. Abb. 2 zeigt die Ergebnisse einer TUM-Lösung, die auf den Daten von nur wenigen Tagen beruht, sowie entsprechende Werte des JPL, die aus Beobachtungsresiduen ermittelt wurden. Ein Vergleich der beiden unabhängigen Ansätze erscheint sehr vielversprechend.

   
 Abb. 2: Azimutabhängige PCVs der Satellitenantennen bei einem gegebenen Nadirwinkel von 14° (rot: TUM-Lösung, blau: JPL-Lösung).

 

Nutzen

Von den Verbesserungen an der Modellierung der Position der GNSS-Phasenzentren sollten eigentlich etliche GNSS-Parameter profitieren, vor allem natürlich diejenigen, die mit den Phasenzentrumskorrekturen stark korreliert sind. Zu diesen zählen Troposphärenparameter, Stationshöhen und folglich auch der globale terrestrische Maßstab. Abb. 3 zeigt, wie sich dieser Maßstab aufgrund von Änderungen an der Satellitenkonstellation, Fehlern im Modell der Stationsgeschwindigkeiten und anderen Modellierungsdefiziten mit der Zeit verändert. Durch den Umstieg auf absolute PCVs reduziert sich die Änderungsrate des Maßstabs von 0.34 ppb/y auf 0.15 ppb/y.

 
Abb. 3: Terrestrischer Maßstab täglicher globaler GPS-Lösungen im Vergleich zu IGb00.

Ein möglicher Gradmesser für die Qualität von Troposphärenparametern ist die Differenz zwischen den Schätzwerten unabhängiger Verfahren. Abb. 4 zeigt die verbleibende Abweichung zwischen GPS und VLBI für eine große Zahl von Stationen, an denen sich GPS-Antenne und VLBI-Teleskop in unmittelbarer Nachbarschaft voneinander befinden. Daher sollten die beiden Instrumente eigentlich auch mehr oder weniger identische Resultate liefern. Solange jedoch relative PCVs verwendet werden, beträgt die Abweichung zwischen den beiden Verfahren im Mittel +6 mm. Mit dem Übergang auf absolute PCVs läßt sich die mittlere Abweichung auf etwa -1 mm reduzieren. Die verbleibenden größeren Inkonsistenzen an einzelnen Stationen lassen sich in vielen Fällen durch nicht modellierte Radomeinflüsse erklären.

 
Abb. 4: Unterschiede in der Troposphärenzenitverzögerung zwischen GPS und VLBI. Korrekturen aufgrund des Höhenunterschiedes zwischen GPS-Antenne und VLBI-Teleskop sind berücksichtigt.

 

Veröffentlichungen

Dach, R.; Schmid, R.; Schmitz, M.; Thaller, D.; Schaer, S.; Lutz, S.; Steigenberger, P.; Wübbena, G.; Beutler, G.: Improved antenna phase center models for GLONASS; GPS Solutions, 2010, DOI: 10.1007/s10291-010-0169-5

Steigenberger, P.; Rothacher, M.; Schmid, R.; Rülke, A.; Fritsche, M.; Dietrich, R.; Tesmer, V.: Effects of different antenna phase center models on GPS-derived reference frames; in: Drewes, H. (ed.) Geodetic Reference Frames, IAG Symposia, Vol. 134, pp 83-88, Springer, ISBN 978-3-642-00859-7, 2009, DOI: 10.1007/978-3-642-00860-3_13

Schmid, R.; Steigenberger, P.; Gendt, G.; Ge, M.; Rothacher, M.: Generation of a consistent absolute phase center correction model for GPS receiver and satellite antennas; Journal of Geodesy, Vol. 81, No. 12, pp 781-798, 2007, DOI: 10.1007/s00190-007-0148-y, free version

Schmid, R.; Rothacher, M.; Thaller, D.; Steigenberger, P.: Absolute phase center corrections of satellite and receiver antennas, Impact on global GPS solutions and estimation of azimuthal phase center variations of the satellite antenna; GPS Solutions, Vol. 9, No. 4, pp 283-293, 2005, DOI: 10.1007/s10291-005-0134-x, free version

Schmid, R.; Mader, G.; Herring, T.: From relative to absolute antenna phase center corrections; in: Meindl, M. (ed.) Proceedings of the IGS Workshop and Symposium 2004, Astronomical Institute, University of Bern, 2005

Schmid, R.; Rothacher, M.: Estimation of elevation-dependent satellite antenna phase center variations of GPS satellites; Journal of Geodesy, Vol. 77, No. 7-8, pp 440-446, 2003, DOI: 10.1007/s00190-003-0339-0

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Ralf Schmid