Calibrazione delle antenne

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.
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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
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
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).
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.
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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
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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
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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 PiemonteLombardia sono state calibrate individualmente dalla ditta tedesca Geo++:
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”.
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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


LEIAR25.R3 LEIT
TPSPG_A1 NONE
452640.7868 m
452640.7931 m
Coordinata Nord
5021949.3750 m
5021949.3758 m
Altezza ellissoidica
177.5903 m
177.4632 m
Tipo di antenna
stazione permanente
Coordinata Est
Figura 7 - Download dei modelli assoluti di ciascuna antenna della rete dalla pagina
delle stazioni della rete del sito www.spingnss.it
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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
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