GNSS Antenna Orientation Based on Modification of Received Signal Strengths

161 Pages·2012·8.62 MB·English

by  David Eugen Grimm

ETH Library
GNSS antenna orientation based
on modification of received signal
strengths
Doctoral Thesis
Author(s):
Grimm, David E.
Publication date:
2012
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-007597299
Rights / license:
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DISS. ETH NO. 20806

GNSS Antenna Orientation Based on
Modification of Received Signal Strengths

David Eugen Grimm

Zurich 2012

DISS. ETH NO. 20806

GNSS ANTENNA ORIENTATION BASED ON
MODIFICATION OF RECEIVED SIGNAL STRENGTHS

A dissertation submitted to
ETH ZURICH

for the degree of
Doctor of Sciences

presented by
DAVID EUGEN GRIMM
Dipl. Ing. ETH Zurich

born September 22, 1982
citizen of Embrach and Hinwil, ZH

accepted on the recommendation of

Prof. Dr. Hilmar Ingensand, examiner
Prof. Dr. Lambert Wanninger, co-examiner

2012

Abstract
This dissertation presents a concept to determine the orientation of a single GNSS antenna.
When the orientation of the antenna is known, the presented approach can also be used for
detection of multipath and reflected signals as well as spoofing signals.
The orientation of the antenna is calculated using the direction of arrival (DOA) of the satellites’
signals. Because the DOAs of the satellites’ signals are not detectable with a standard GNSS
antenna, the directional antenna pattern of the antenna used is modified. The antenna pattern is
modified by partially covering the antenna with a material that attenuates the signals in the
band spectrum of GNSS. The attenuating material is rotated above the antenna, thereby
influencing the received signal strength of the different satellites. The signal strength is indicated
by the carrier-to-noise density C/N . Analysing the C/N of different satellites allows
0 0
determining the DOA of each satellite’s signal in relation to the antenna. Knowing the satellites’
positions from the broadcast ephemerides and the antenna position allows calculation of the
antenna orientation as well as the theoretically expected DOAs. Based on the instant approach,
the real DOA of each satellite’s signal is determined. By comparing the expected DOAs with the
real DOAs, multipath and reflected signals as well as spoofing signals are determinable.
Excluding these signals from the position and orientation calculation can remove systematic
biases and, therefore, improve the accuracy.
Knowledge of the orientation completes the positioning information and is necessary for
navigation applications. For precise GNSS measurements, the orientation of the antenna must be
known to implement correction models for the antenna phase centre offset (PCO) and phase
centre variation (PCV).
Under optimal conditions, orientation information with an uncertainty of 5 degrees is achievable
after a 2-minute measurement while an orientation with an uncertainty below 1 degree is
achievable by measuring for several hours. Under poor conditions, an uncertainty of 5 degrees is
achievable as well; however, because of systematic influences, the uncertainty will not improve
significantly over a longer measuring time. A comparison of the obtained orientation value to a
reference value verifies the correctness of the concept.

v
Abstract

vi
Zusammenfassung
Die vorliegende Dissertation beschreibt einen Ansatz zur direkten Orientierungsbestimmung
einer einzelnen GNSS-Antenne. Bei bekannter Orientierung der Antenne können
Mehrwegsignale, reflektierte Signale oder Signale von Störsendern, welche von der Antenne
empfangen werden, identifiziert werden.
Die Orientierung der Antenne wird aus der Eintreffrichtung der Satellitensignale berechnet. Um
die Eintreffrichtungen der Signale mit einer handelsüblichen Antenne zu bestimmen, wird das
Empfangsmuster der verwendeten Antenne (Antennen Pattern) modifiziert. Dies erfolgt durch
partielle Abschattung der Antenne. Für die Abschattung wird ein Material verwendet, welches
Signale im GNSS-Frequenzspektrum dämpft. Die partielle Abschattung wird so über der Antenne
gedreht, dass die Signale der einzelnen Satelliten entsprechend ihrer Position (Azimut und
Elevation) unterschiedlich abgeschwächt werden. Der Zusammenhang zwischen Signal-Rausch-
Verhältnis (C/N ) und der Position der Abschattung ermöglicht die Bestimmung der
0
Eintreffrichtungen der Satellitensignale. Durch Kenntnis der Satellitenposition aus den
Bahndaten und der Eintreffrichtung der Satellitensignale können sowohl die Orientierung der
Antenne sowie auch die theoretisch erwarteten Eintreffrichtungen der Satellitensignale
bestimmt werden. Ein Vergleich zwischen den erwarteten und den bestimmten
Eintreffrichtungen ermöglicht die Identifikation von Signalen, welche die Antenne nicht aus der
erwarteten Eintreffrichtung erreichen. Das Ausschliessen dieser Signale von der Orientierungs-
und Positionsbestimmung, führt zu einer Reduktion systematischer Abweichungen und somit zu
einer verbesserten Genauigkeit.
Kenntnis über die Orientierung der Antenne vervollständigt die Positionsinformation. Eine
bekannte Orientierung erleichtert Anwendungen in der Navigation und ermöglicht das direkte
Navigieren ohne Initialbewegung der Antenne. Weiter muss die Orientierung der Antenne für
hochgenaue GNSS-Messungen bekannt sein, um Korrekturmodelle für Phasenzentrumsoffset
und Phasenzentrumsvariation anbringen zu können.
Unter optimalen Bedingungen kann nach einer Messdauer von 2 Minuten die Orientierung mit
einer Messunsicherheit von 5 Grad, und nach einer Messdauer von über 2 Stunden mit einer
Messunsicherheit von unter einem Grad erreicht werden. Unter schlechten Bedingungen kann
ebenfalls eine Messunsicherheit von 5 Grad erwartet werden, wobei sich diese, aufgrund von
systematischen Einflüssen, mit einer längeren Messdauer nicht markant verbessert. Die
Richtigkeit des Ansatzes wird durch einen Vergleich der erhaltenen Orientierung mit einem
Referenzwert gezeigt.

vii
Zusammenfassung

viii
Contents
1 Introduction ............................................................................................................................................. 1
1.1 Global Navigation Satellite Systems (GNSS) ........................................................................................ 1
1.2 Why Orientation? ............................................................................................................................................ 2
1.3 Determination of Orientation by GNSS .................................................................................................. 3
1.4 Introducing the Term Orientation............................................................................................................ 7
1.5 North Direction and Terrestrial Reference System .......................................................................... 9
1.6 Outline of this Thesis .................................................................................................................................. 11
2 State of the Art in GNSS Orientation Determination ............................................................... 13
2.1 System Types ................................................................................................................................................. 14
2.2 Description of the Effects and Concepts Used ................................................................................. 15
2.3 Overview of Existing Methods and Systems ..................................................................................... 24
2.4 Chapter Conclusion ..................................................................................................................................... 26
3 GNSS Antennas and Signals .............................................................................................................. 27
3.1 Antennas .......................................................................................................................................................... 27
3.2 Antenna Fields .............................................................................................................................................. 29
3.3 Antenna Characteristics ............................................................................................................................ 31
3.4 GNSS Antenna Types .................................................................................................................................. 35
3.5 Geodetic GNSS Antennas........................................................................................................................... 37
3.6 GNSS Signals................................................................................................................................................... 39
3.7 Chapter Conclusion ..................................................................................................................................... 47
4 Mathematical Models for Satellite Orbits ................................................................................... 49
4.1 Broadcast Ephemerides, Almanac, and GPS Time .......................................................................... 49
4.2 Orbit Calculation .......................................................................................................................................... 51
4.3 Satellite Motion ............................................................................................................................................. 57
4.4 Chapter Conclusion ..................................................................................................................................... 61
5 Orientation Finding with NORDIS .................................................................................................. 63
5.1 Required Accuracy ...................................................................................................................................... 63
5.2 Measurement Concept of NORDIS ........................................................................................................ 64
5.3 Measuring System ....................................................................................................................................... 67
5.4 Experimental Setup..................................................................................................................................... 74
5.5 Chapter Conclusion ..................................................................................................................................... 76
ix