Calibración de Antenas GPS en diferentes Estaciones

Las variaciones del centro de fase (PCV) de las antenas GPS geodésicas son fuentes de errores dependientes de la estación que afectan las mediciones GPS. Ellas representan uno de los principales factores limitantes de la precisión del posicionamiento GPS como es el caso de actividades que envuelven redes de referencia.

Algunos métodos para la determinación de las variaciones del centro de fase fueron propuestos: la calibración en cámaras anecóicas (Schupler, et al., 1995), la calibración relativa (Mader, 1996) y la calibración absoluta, considerada estado del arte por emplear alta tecnología y avanzados procesos de eliminación de errores (Wübbena et al., 2000).

Por medio del método relativo de calibración de antenas propuesto por Wanniger y Böhmer (2000) es posible obtenerse resultados al nivel de la calibración absoluta con la introducción de una antena de referencia calibrada por el método absoluto (Menge, 2003. p. 77).

Este sistema, compuesto por un conjunto de instrumentales apropiados y programas específicos, permite la determinación de las variaciones del centro de fase dependientes de azimut y elevación.
Los resultados de la calibración de una misma antena GPS pueden ser diferentes cuando el proceso de calibración es realizado en pilares distinguidos. Estas alteraciones pueden estar asociadas a las condiciones de multicamino o a las influencias externas que se sitúan en la proximidad inmediata de los equipamientos de calibración.
Este trabajo permite investigar las alteraciones de las PCV determinadas por el método Wanninger y Khmer (2000).

Bajo condiciones técnicas idénticas, las calibraciones fueron realizadas en dos pilares, denominados HPF2 y NPF2. La figura 1 ilustra la disposición aproximada de estas estaciones situadas en el observatorio del Geodätisches Institut Karlsruhe.

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Fig. 1 – Pilares de calibración HPF2 y NPF2, Geodätisches Institut Karlsruhe

2.- Mediciones

Las mediciones fueron realizadas con dos modelos de antenas GPS geodésicas. Los instrumentos utilizados, el cronograma de ocupación y los pilares de calibración empleados están listados en la tabla 1.

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Tabla 1 – Panorama de las Antenas GPS

Fueron realizadas secciones de rastreo de 24 horas. Después de este periodo, el sistema era desconectado, las antenas eran intercambiadas entre pilares y una nueva sección era iniciada. Se determinó por nivelamiento la diferencia de nivel entre el ARP (antenna referente point) de la antena de referencia KARL y el ARP de las antenas envueltas.

La estación permanente KARL fue usada como estación de referencia para los procesamientos. Ella es equipada con una antena modelo Trimble Dorne Margolin T Choke Ring cuyos datos de calibración son absolutos. El procesamiento de los datos por el programa Wasoft/Kalib suministró los archivos de calibración en formatos padronizados conteniendo las variaciones del centro de fase en azimut y elevación.

A fin de poder representar conjuntamente las PCV de las antenas del mismo modelo, fue procedida la compatibilización de los conjuntos de datos de calibración.
Los valores de offsets fueron fijados y así calculados los valores correspondientes de las PCV. Se eligieron los offsets suministrados por el NGS, constantes en la tabla 2:

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Tabla 2 – Offsets de Referencia [mm]

3.- Antenas Leica AT502

Las variaciones del centro de fase dependientes de elevación fueron extraídas de los archivos en el formato Geo++ a fin de generarse las visualizaciones y análisis siguientes.

Se observa en la figura 2 que las curvas de las PCV de las seis antenas no coinciden entre sí, aunque sean instrumentos de misma marca y modelo. Los diferentes trazados de las curvas indican que las antenas presentan respuestas electrónicas distinguidas aunque posean propiedades y características comunes.

El mismo análisis puede ser aplicadado en las curvas de PCV obtenidas en la L2 (figura 3) y en la combinación lineal L3 (figura 4), en que las diferencias son mayores principalmente en las elevaciones inferiores a 30.

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Fig. 2 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar HPF2, portadora L1.

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Fig. 3 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar HPF2, portadora L2.

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Fig. 4 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar HPF2, combinación lineal L3.

Las figuras 5, 6 y 7 presentan los resultados de las calibraciones desenvueltas en el pilar NPF2 en las frecuencias L1, L2 y combinación lineal L3, respectivamente. Los resultados de la antena SN2819 fueron obtenidos a partir de 15º de elevación, decurrentes de la máscara de elevación mínima que fue configurada en el receptor en estas mediciones. Los análisis en este trabajo consideran las PCV correspondientes a ángulos de elevación mínimo de 5°.

Comparándose los resultados de las PCV en la portadora L1 (figuras 2 y 5), se nota que las curvas de PCV poseen trazados semejantes. Pero, se verifican diferencias significativas en las PCV cuando analizados los resultados de cada antena aisladamente.

En la portadora L2 se constata diferencias variando de 1 a 3 mm en ángulos de elevación inferiores a 20°.
Diferencias en las demasiadas elevaciones son evidenciadas en la combinación lineal L3 (figuras 4 y 7).

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Fig. 5 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar NPF2, portadora L1.

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Fig. 6 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar NPF2, portadora L2.

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Fig. 7 – Variaciones del centro de fase en elevación, Pilar NPF2, combinación lineal L3.

Las figuras 8 y 9 reúnen los resultados en las portadoras L1 y L2, respectivamente.
Para facilitar la comparación entre los pilares de calibración las curvas de las PCV ploteadas en azul se relacionan al pilar HPF2 y en rojo al pilar NPF2.

Por el análisis visual de las curvas se observa que hay diferencias entre los resultados de cada antena. Estas diferencias fueron calculadas en las dos frecuencias conforme la ecuación.

Y representadas en las figuras 10 y 11, portadoras L1 y L2 respectivamente. Se constata que las mayors diferencias ocurrieron en ángulos de elevación inferiors a 30°, en las dos frecuencias.

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Fig. 8 – Variaciones del centro de fase en elevación, portadora L1.

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Fig. 9 – Variaciones del centro de fase en elevación, portadora L2.

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Fig. 10 – Diferencias entre PCV, portadora L1.

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Fig. 11 – Diferencias entre PCV, portadora L2 .

En la portadora L1, la mayor diferencia observada fue de hasta 3 mm en ángulos de 5° (antenna SN8286). En la portadora L2 esta diferencia monta cerca de 4 mm mediante la misma antena.

4.- Antenas Trimble Compact

De forma análoga, las PCV dependientes de elevación de las antenas Trimble Compact L1/L2 WGP fueron representadas en gráficos bidimensionales, presentados en la secuencia.

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Fig. 12 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar HPF2, portadora L1 .

Se nota que diferencias máximas entre las curvas ocurren en ángulos de elevación inferiores a 30° y superiores a 70°, en ambas portadoras. Pero, se observa que las curvas son uniformes entre sí. Esta característica puede indicar propiedades importantes como la homogeneidad y estabilidad de estos instrumentos.

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Fig. 13 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar HPF2, portadora L2.

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Fig. 14 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar NPF2, portadora L1.

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Fig. 15 – Variaciones del centro de fase en elevación, pilar NPF2, portadora L2.

Las PCV provenientes de las calibraciones en los pilares HPF2 y NPF2 fueron reunidas en las figuras 16 y 17 (portadoras L1 y L2, respectivamente). Las líneas continuas y las líneas interrumpidas se relacionan a los pilares HPF2 y NPF2, respectivamente. Se observa que las curvas tienden a agruparse de acuerdo con el pilar de calibración mostrado que hay correlación de los resultados con la estación de calibración.

Esta tendencia es evidenciada en la portadora L2 (figura 17) para las PCV en ángulos de elevación superiores a 60º en que las diferencias alcanzan hasta 3 mm (antenas SN 5816 y 5817).

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Fig. 16 – Variaciones del centro de fase en elevación, L1.

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Fig. 17 – Variaciones del centro de fase en elevación, L2 .

5.- PCV en Azimut y Elevación

Las variaciones del centro de fase dependientes de azimut y elevación también fueron determinadas. Estas grandezas pueden ser presentadas en gráficos de superficie que representan el horizonte de la antena GPS en sus variaciones del centro de fase en distribución azimutal de 0 a 360º y en elevación de 0 a 90º.

Las figuras 18 y 20 muestran las PCV en azimut y elevación en la portadora L1 de la antena Leica AT502 SN2709 cuando de la ocupación en el pilar HPF2 y NPF2, respectivamente. Se observa que las mayores variaciones ocurrieron en la dirección aproximada Norte-Sur en ángulos de elevación inferiores a 30º (hasta 6 mm) y próximos a 70° (hasta 4 mm).

Comparándose los resultados provenientes de los pilares HPF2 y NPF2, se nota que las PCV presentan diferencias considerables en determinadas regiones de los gráficos. La distribución y uniformidad de las PCV pueden indicar el pilar más adecuado para la realización de la calibración. Esta cuestión debe ser investigada con base en los fenómenos que influéncian las mediciones GPS tales cuáles el multicamino de las señales y el efecto del campo proximo a la antena (Schmitz, 2001, p.111).

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Fig. 18 – PCV en azimuth y elevación, LEICA AT502, SN 2709, pilar HPF2, portadora L1.

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Fig. 19 – PCV en azimut y elevación, LEICA AT502 SN 2709, pilar HPF2, portadora L2.

Las figuras 19 y 21 presentan las variaciones del centro de fase en azimut y elevación en la portadora L2 para los pilares HPF2 y NPF2, respectivamente. Se constata que los valores máximos de las PCV ocurren en una franja azimutal entre 100° y 250°, equivaliendo aproximadamente al doble de los valores máximos de las PCV constatados en la portadora L1.

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Fig. 20 – PCV en azimut y elevación, LEICA AT502 SN 2709, pilar NPF2, portadora L1.


Fig. 21 – PCV en azimut y elevación, LEICA AT502 SN 2709, pilar NPF2, portadora L2.

Los mismos análisis pueden ser aplicados a los resultados de las antenas Trimble. Las figuras 22 y 24 muestran las PCV en azimut y elevación de la antena SN7000 en la portadora L1 para los pilares HPF2 y NPF2, respectivamente. Se observa que las PCV se presentan constantes en el intervalo entre 55º y 80º de elevación. Esta distribución homogénea puede ser atribuida a la estabilidad azimutal de este modelo de antena.

Comparándose las figuras 22 y 24 (portadora L1) se nota la similitud de los resultados frente el cambio de estación de calibración. El hecho de este modelo de antena posee el disco de protección contra el multicamino de las señales puede haber reducido el efecto de estas influencias.

En la portadora L2 se verifican variaciones de hasta 7 mm para el pilar HPF2 y de hasta 9 mm para el pilar NPF2. Estas variaciones, visualizadas por la mancha roja central, están comprendidas en un intervalo azimutal de 100º a 250º. Se observa en la figura 23 (pilar HPF2) que esta mancha sufre una dilución aparente cuando comparada con la figura 25 (pilar NPF2) indicando que la dependencia azimutal de la PCV en aquel pilar puede haber actuado con menor intensidad.

En este caso, puédese suponer que el pilar HPF2 es relativamente más estable que el pilar NPF2 para la ejecución del proceso de la calibración por el método propuesto, aunque las diferencias entre PCV ocurridas sean una función de las características electrónicas de las antenas.

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Fig. 22 – PCV en azimut y elevación, Trimble SN 7000, pilar HPF2, portadora L1.

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Fig. 23 – PCV en azimut y elevación, Trimble SN 7000, pilar HPF2, portadora L2.

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Fig. 24 – PCV en azimut y elevación, Trimble SN 7000, pilar NPF2, portadora L1.

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Fig. 25 – PCV en azimut y elevación, Trimble SN 7000, pilar NPF2, portadora L2.

6.- Conclusiones

Se constató que las curvas de las PCV de las antenas del mismo modelo presentaron trazados diferentes. Esto apunta que antenas con propiedades y características iguales pueden presentar respuestas electrónicas distintas y por lo tanto diferentes modelos del centro de fase.

El empleo de dos pilares de calibración mostró que diferencias de hasta 4 mm pueden surgir entre los resultados de las PCV en tratándose de las mismas antenas y condiciones de rastreo similares. Se observó que las curvas de PCV tienden a agruparse de acuerdo con el pilar de calibración, indicando que hay una correlación de las PCV con la estación de calibración.

Las antenas de receptores GPS constituyen uno de los elementos sujetos a variaciones de orden mecánica dado que son sensibles a alteraciones físicas o fallos de fabricación.
Por lo tanto, es necesario que sean tratadas individualmente en especial con vistas a los aspectos electrónicos que influencian las soluciones del posicionamiento geodésico. Estos problemas pueden ser resueltos vía calibración, pero, atención especial debe ser dada a las influencias externas que se sitúan en la proximidad inmediata de los equipamientos de calibración y que afectan los resultados.

Fuente:

Jaime Freiberger – Universidad Federal de Paraná

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