Calibrazione delle antenne Perché è necessaria una calibrazione delle antenne? All interno di una qualsiasi antenna GNSS, è possibile distinguere tre diversi punti: Punto di riferimento dell antenna (ARP, Antenna Reference Point): è il punto fisico del quale si vuole determinare la posizione. Questo punto è ben materializzato sulla superficie dell antenna, e solitamente coincide con la base dell antenna stessa (BAM, Bottom of Antenna Mount). Centro di fase medio (o nominale): è un punto, in genere disposto lungo l asse baricentrico dell antenna, caratteristico dell antenna utilizzata e in genere viene indicato dal costruttore dell antenna o è pubblicato all interno dei file di calibrazione. Centro di fase istantaneo: è l effettivo punto di ricezione del segnale proveniente dalle diverse costellazioni (GPS, GLONASS, Galileo, etc.). Tale punto varia a seconda della posizione del satellite rispetto al ricevitore e delle frequenze trasmesse. La calibrazione dell antenna fornisce una mappa della variazione del centro di fase (PCV, Phase Center Variation) in funzione della posizione (elevazione ed azimut) e delle frequenze trasmesse dai satelliti. Figura 1 Schema della variazione del centro di fase dell antenna Per osservazioni di precisione è necessario quindi conoscere esattamente questa mappa che è specifica per ogni tipo di antenna. Calibrazione delle antenne 1
Le calibrazioni relative e assolute Esistono due tipi di calibrazione, la calibrazione relativa e la calibrazione assoluta. La calibrazione relativa fornisce una mappa del centro di fase rispetto ad un antenna di riferimento a cui vengono assegnati dei valori uguali a zero. L antenna di riferimento utilizzata è un antenna chokering con elementi Dorne Margolin di tipo T (AOAD/M_T della Allen Osborne). Figura 2 - Calibrazione relativa di un antenna e l antenna AOAD/M_T utilizzata come riferimento A causa degli errori legati al multipath del sito di calibrazione e dell ostruzione dovuta agli ostacoli presenti sul sito, la variazione del centro di fase dell antenna dipendono in genere solamente dall elevazione del satellite, e solamente da elevazioni uguali o superiori ai 10 rispetto all orizzonte. Per questo motivo, una calibrazione di questo tipo risulta spesso inadeguata per reti molto ampie, o per tutte le applicazioni ingegneristiche in cui le antenne non assumono orientamenti tradizionali (monitoraggi, applicazioni cinematiche). Figura 3 - Calibrazione relativa dell antenna LEIAR25.R3: andamento dell offset verticale del centro di fase rispetto all ARP in funzione dell elevazione del satellite La calibrazione assoluta permette di conoscere la variazione del centro di fase in maniera indipendente, cioè senza l utilizzo di un antenna di riferimento. La calibrazione assoluta viene effettuata attraverso l utilizzo di un sistema robotizzato in grado di muovere l antenna in modo tale da ricevere i segnali di un particolare satellite sotto angoli diversi, fino ad azimuth ed elevazione nulli. Grazie all utilizzo di questi sistemi robotizzati, il risultato finale della calibrazione risulta essere indipendente dal sito di misura e dall utilizzo di un antenna di riferimento. 2 Calibrazione delle antenne
da più antenne con inclinazioni differenti) e per un grande numero di applicazioni ingegneristiche. Vista l importanza della calibrazione assoluta, tutte le antenne appartenenti alla rete S.P.IN. GNSS di Regione Piemonte e Regione Lombardia sono state calibrate individualmente dalla ditta tedesca Geo++ (www.geopp.de). Figura 4 - Sistema robotizzato per la calibrazione assoluta di un antenna Attraverso l impiego del sistema robotizzato, l antenna assume tra le 4000 e le 7000 posizioni differenti, in funzione anche della costellazione presente durante le misure, in maniera tale da garantire una copertura totale dell emisfero dell antenna. La possibilità di disporre di una mappa così dettagliata delle variazioni dei centri di fase per ciascuna frequenza rappresenta un enorme vantaggio per la determinazione precisa delle coordinate dei punti e per l impiego delle antenne anche in corrispondenza di reti GNSS di ampie dimensioni (in cui le osservazioni di un satellite sono ricevute contemporaneamente Figura 5 Calibrazione assoluta dell antenna LEIAR25.R3: variazione del centro di fase (PCV, rispetto al centro di fase medio) in funzione dell azimuth e dell elevazione del satellite Calibrazione delle antenne 3
Scaricare le calibrazioni assolute Esistono degli enti internazionali, come ad esempio l IGS (International GNSS Service) o l NGS (National Geodetic Survey), che forniscono i modelli assoluti (e relativi) per ciascuna antenna in commercio. Ogni volta che una casa produttrice costruisce un nuovo tipo di antenna, questa fornisce agli enti predisposti le informazioni sulla mappa del centro di fase. Gli enti verificano l idoneità delle informazioni e pubblica il nuovo file con le nuove informazioni. Per scaricare i modelli di calibrazione assoluti è necessario collegarsi al sito web di uno degli enti internazionali di cui sopra, ad esempio NGS (http://www.ngs.noaa.gov/antcal/) ed andare nella sezione Composite Absolute Calibrations. Cliccare con il tasto destro la voce ANTEX (new IGS format), e salvare il file (circa 5 MB) sul proprio computer. Figura 6 - Download dal sito NGS del file contenente i modelli di calibrazione assoluta delle antenne GNSS Lo stesso file è scaricabile anche dal sito FTP dell IGS: ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/station/general/igs08.atx I file di calibrazione scaricati dagli enti internazionali sono valori medi risultanti da test compiuti su un campione rappresentativo (4-5 antenne) per ciascun modello in commercio. I modelli così ottenuti possono essere impiegati nella maggior parte delle applicazioni topografiche ed ingegneristiche che richiedono accuratezze centimetriche. Esistono tuttavia applicazioni (principalmente monitoraggi o studi di deriva dei continenti) in cui sono richieste precisioni sub-centimetriche: per tali impieghi, l utilizzo di un modello di calibrazione individuale, effettuato sulla singola antenna e non su un campione rappresentativo del modello, è sicuramente preferibile. Le principali stazioni GNSS sono tutte dotate di antenne calibrate individualmente da alcune ditte specializzate. I modelli individuali delle antenne si trovano in genere sul sito dell ente a cui la stazione fa riferimento. Nel caso in cui la stazione faccia parte della rete IGS, questi file sono inclusi del file igs08.atx visto in precedenza. Nel caso in cui invece le stazioni fossero inserite all interno della rete EUREF, è possibile reperire il file contenente anche le calibrazioni individuali delle antenne direttamente a questo link: http://www.epncb.oma.be/ftp/station/general/epnc_08.atx Come detto, anche le antenne della rete S.P.IN. GNSS Piemonte- Lombardia sono state calibrate individualmente dalla ditta tedesca Geo++: 4 Calibrazione delle antenne
i modelli di calibrazione per ciascuna antenna sono scaricabili dal sito internet della rete, all interno della pagina delle stazioni della rete, cliccando sul bottone Antenna. ------------------------------------------------------------------------------------ Effetti sull utilizzo del corretto file di antenna Prima di un qualsiasi post-processamento dei dati è necessario verificare di disporre all interno del progetto dei modelli assoluti di calibrazione delle antenne. Mentre nel posizionamento RTK le correzioni tra il centro di fase dell antenna della stazione permanente e il punto di riferimento della stessa (ARP) sono gestite dal centro di controllo, nel posizionamento in post-processing è necessario indicare all interno del proprio programma di compensazione quali sono gli offset tra ARP e centro di fase medio, oltre alle variazioni del centro di fase istantaneo (PCV). La tabella seguente si riferisce al risultato del post-processamento di un RINEX acquisito in campagna (tempo di acquisizione: 15 minuti) e compensato con un software commerciale utilizzando la stazione permanente di Biella (distanza dalla stazione: 25 km). A questa stazione è stata attribuita dapprima il modello di antenna corretto (LEIAR25.R3 LEIT) e successivamente un modello errato (TPSPG_A1 NONE). Tabella 1 - Post-processamento con il modello di antenna corretto Tipo di antenna stazione permanente LEIAR25.R3 LEIT TPSPG_A1 NONE Coordinata Est 452640.7868 m 452640.7931 m Figura 7 - Download dei modelli assoluti di ciascuna antenna della rete dalla pagina delle stazioni della rete del sito www.spingnss.it Coordinata Nord 5021949.3750 m 5021949.3758 m Altezza ellissoidica 177.5903 m 177.4632 m Calibrazione delle antenne 5
Il non utilizzo dei modelli di antenna (o l utilizzo di modelli errati) può comportare errori nel posizionamento plano-altimetrico anche di alcune decine di centimetri. Le informazioni relative al modello di antenna corretto per ciascuna stazione permanente si possono trovare sia sul sito internet della rete S.P.IN. GNSS di Regione Piemonte e Regione Lombardia, all interno della pagina delle monografie di ciascuna stazione, sia all interno del file RINEX scaricato dal sito (in corrispondenza del record ANT # / TYPE ). Figura 9 - Le antenne LEIAR25.R3 (Leica Geosystems) delle stazioni permanenti della rete S.P.IN. GNSS in Piemonte Figura 8 - Record del file RINEX contenente il modello dell'antenna 6 Calibrazione delle antenne
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