On the observation quality of robot-based GNSS antenna calibration for determining codephase corrections

verfasst von: Yannick Breva
betreut von: Franz Rottensteiner
Abstract: Globale Navigation Satellitensignale (GNSS) Signale werden am elektrischen Phasenzentrum der GNSS-Antennen empfangen, das sich je nach Richtung der eintreffenden Signale verändert. In präzisen GNSS-Anwendungen müssen Phasenzentrumskorrekturen (PCC) für Trägerphasensignale berücksichtigt werden. Außerdem existieren Codephasenzentrumkorrekturen (CPC) für Codephasensignale, die in der Luftfahrtnavigation oder bei Code- und Trägerphasen-Linearkombinationen immer wichtiger werden. So-
wohl CPC als auch PCC beschreiben den Versatz zwischen dem tatsächlichen Empfangspunkt des Signals an der Antenne und dem Antennenreferenzpunkt (ARP). Die Herausforderung bei der Schätzung von multi-GNSS multi-Frequenz CPC mittels eines Roboters liegt im hohen Beobachtungsrauschen im Vergleich zum Pattern selbst. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Reduzierung des Beobachtungsrauschens von Codephasensignalen, während die wichtigen Patterninformation in den Signalen während einer absoluten, roboterbasierten Antennenkalibrierung erhalten bleiben, um die Wiederholbarkeit und Genauigkeit der geschätzten CPC zu verbessern. Eine Monte-Carlo-Simulation wird durchgeführt, um die Auswirkungen des Beobachtungsrauschens auf die
geschätzten CPC zu untersuchen. Die Simulation zeigt, dass weißes und signalstärkebedingtes Rauschen mit einer Standardabweichung in der Größenordnung des Patterns zu einer Verschlechterung von 15 % bis 25 % bei verschiedenen Vergleichsmetriken führt. Die gewichtete, durchschnittliche Standardabweichung der tatsächlichen Beobachtungen liegt für die analysierten GNSS-Antennen zwischen 0,476 m und 0,62 m, was nahezu der
Größenordnung der Pattern entspricht. Um das Rauschen zu reduzieren, werden die Tracking-Schleifen der GNSS-Empfänger, basierend auf einem Experiment mit einem Softwareempfänger während einer Kalibrierung, optimiert. Die besten Ergebnisse werden mit einer Delay Lock Loop (DLL)-Bandbreite von 0.5 Hz erzielt, unter Verwendung einer Filterschleifenordnung von 1 bei einer trägerphasenunterstützten DLL. Die Optimierung der Empfänger führt zu einer Verbesserung der gewichteten, durchschnittlichen Standardabweichung der Beobachtungen von 42 % und zu einem wiederholbareren und genaueren CPC im Vergleich zur Nutzung der standardmäßigen Empfängereinstellungen
des Herstellers. Zusätzlich wird eine Mehrwegeanalyse durchgeführt, wobei die Balustrade und die astronomischen Kuppeln in der Roboterumgebung als kritische Objekte identifiziert wurden. Die Studien zeigen, dass die Nutzung von zeitlich differenzierten Beobachtungen in Kombination mit einer dynamischen Elevationsmaske und Mehrwegkarten fast alle von Mehrwegen betroffenen Beobachtungen effektiv eliminieren kann. Darüber hinaus wird die zeitlich differenzierte Mehrwege-Linearkombination (∆MPLC) als Beobachtungen für die Schätzung eingeführt, was im Vergleich zum zeitlich differenzierten Einfachdifferenz (∆SD)-Ansatz zu reduziertem Beobachtungsrauschen führt, da ein Differenzierungsschritt vermieden wird. Die mit ∆MPLC geschätzten CPC mit
optimierten Empfängereinstellungen weisen eine ähnliche Wiederholbarkeit auf. Werden die CPC in einem Single-Point Positioning (SPP) angebracht, führt das zu einer Verbesserung der geschätzten Up-Komponente um 70 %, verglichen mit der Anwendung ohne CPC. Im Beobachtungsraum kann durch Berechnung von SD der langperiodische Trend zuverlässig durch die geschätzten CPC dargestellt werden.
Organisationseinheit(en): Institut für Photogrammetrie und Geoinformation
Typ: Dissertation
Anzahl der Seiten: 172
Publikationsdatum: 23.05.2025
Publikationsstatus: Veröffentlicht
Elektronische Version(en): https://doi.org/10.15488/19053 (Zugang: Offen)
: Details im Forschungsportal „Research@Leibniz University“

BibTeX

@phdthesis{2c32cc83e1ef40a08dc4abbd8842896b,
title = "On the observation quality of robot-based GNSS antenna calibration for determining codephase corrections",
abstract = "Global Navigation Satellite System (GNSS) signals are received at the electric phase center of GNSS antennas, which varies based on the direction of the incoming signals. In highly precise GNSS applications, phase center corrections (PCC) for carrierphase signals must be taken into account. Additionally, codephase center corrections (CPC) for codephase signals exist, which become more important in aeronautic navigation or in code- and carrierphase linear combinations. Both, CPC and PCC, describe the difference between the actual receiving point of the signal at the antenna and the antenna reference point (ARP), which is the last point of the antenna that can be mechanically accessed for height measurements. The challenge of estimating multi- GNSS multi-frequency CPC with a robot in the field lies in the high observation noise relative to the pattern magnitude itself. This thesis focuses on reducing the observation noise of codephase signals while preserving the important pattern information within the observations during an absolute robot-based antenna calibration, in order to improve the repeatability and accuracy of the estimated CPC. A Monte-Carlo simulation is performed to study the impact of observation noise on the estimated CPC. The simulation shows that white noise and signal strength dependent noise with a standard deviation of the same magnitude as the pattern{\textquoteright}s peak-to-peak value results in a degradation of 15% to 25% for various comparison metrics. The weighted average standard deviation of the actual observables ranges from 0.476m to 0.620m for the analysed GNSS antennas, which is nearly equivalent to the magnitude of the pattern{\textquoteright}s peak-to-peak values. To reduce the noise, the receiver tracking loop parameters are adjusted based on an experiment using a software receiver during a calibration. The best performance is achieved with a delay lock loop (DLL) bandwidth of 0.5 Hz, using a loop filter order of 1 in a carrier aided DLL. This acquired knowledge is adapted to hardware receivers, significantly improving the weighted average standard deviation of the observables by 42% resulting in a more repeatable and accurate CPC compared to using the manufacturer{\textquoteright}s default receiver settings. Additionally, multipath effects during calibration are thoroughly investigated, with the balustrade and the astronomical domes in the robot{\textquoteright}s surrounding identified as the most significant sources of multipath effects. The studies demonstrate that using time-differenced observations in combination with a dynamic elevation mask and multipath maps can effectively eliminate almost all multipath affected observations. Furthermore, the time differenced multipath linear combination (ΔMPLC) is introduced as an input for the estimation approach, resulting in reduced observation noise compared to the time differenced receiver-to-receiver single differences (ΔSD) approach, as one differencing step is avoided. The estimated CPC, using ΔMPLC, with optimized receiver settings shows similar repeatability. Additionally, applying CPC in a single point positioning (SPP) leads to a 70% improvement in the estimated Up component compared to when no CPC is applied. In the observation domain, by calculating SD, the long-period trend can be reliably represented by the estimated CPC.",
author = "Yannick Breva",
year = "2025",
month = may,
day = "23",
doi = "10.15488/19053",
language = "English",
series = "Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geod{\"a}sie und Geoinformatik der Leibniz-Universit{\"a}t Hannover",
publisher = "Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
school = "Leibniz University Hannover",
}