GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Fragen und Hinweise zu Software, die mit dem Thema GPS zu tun hat. Egal ob PC oder Handheld.

Moderator: Roland

GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 21.11.2011 - 21:23

Um schnelle (TTFF) und präzise (mm) Positionen mittels einer Trägerphasenmessung zu realisieren, bedarf es einer Antenne , die die Spiegelung von Signalen vom Boden unterdrückt (Multipath) und eine geringe Variation des Phasenzentrums hat.

Für preiswerte Varianten z.B. mit RTKLIB und einem ublox-Empfänger, sind die derzeit gut geeigneten kommerzielle Antennen recht teuer.

Drum habe ich mal einen Choke-Ring aus einer PCB und dünnem Messingblech für eine Bullett-Antenne von Trimble gebaut.


Wenn Interesse an dem Thema besteht, berichte ich gerne mehr.

Gruß Josef
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon cr2_gps » 22.11.2011 - 01:28

Wenn Interesse an dem Thema besteht, berichte ich gerne mehr.

Bullett ist vermutlich nicht die günstigste von allen verfügbaren Patch-Antennen mit LNA.
Trotzdem ist so ein Choke-Ring Einsatz hochinteressant, vielleicht kann man
das Design auf die anderen Module (wie NL-507ETTL) mit geringem Aufwand übertragen.
cr2_gps
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 22.11.2011 - 11:29

Wenn man auf den inneren Zylinder einen Deckel macht, kann man darauf z.B. eine ublox ANN-MS Antenne befestigen.
Im Anhang ist ein kleiner Chokering mit 20 cm Durchmesser aus 0,2 mm Messingblech und einer einseitigen FR4-Platine zu sehen.
Gruß Josef
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IMG_7542_dff_1farbe_klein_250k.jpg
Zweifacher Chokering mit Bullett-Antenne
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon cr2_gps » 24.11.2011 - 02:01

Josef Gerstenberg hat geschrieben:Im Anhang ist ein kleiner Chokering mit 20 cm Durchmesser aus 0,2 mm Messingblech und einer einseitigen FR4-Platine zu sehen.

Der Durchmesser von Bullet III beträgt 77 mm, d.h. der Innenring ist 80 mm,
Außenring - 200 mm und "mittlerer" Ring - 140 mm ?
Die Ringhöhe liegt dann bei ca. 60 mm und die Patch-Antenne sollte man so um
40 mm über der Platine befestigen.
cr2_gps
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 24.11.2011 - 22:03

Der Innenring sollte hier 80mm Durchmesser haben, damit Regen neben der Bullett noch abfließen kann (hier ist er 77mm, was nicht gut ist).
Für andere Patch-Antennen wie eine ANN-MS kann er kleiner sein (60-70mm).

Die Spaltbreite (Abstand zwischen den Ringen) ist nicht kritisch. Bei kommerziellen Chokeringen liegt er zwischen 23 und 30mm und hier beträgt er 30mm.

Die Höhe der Ringe muss etwas mehr als ein Viertel der Wellenlänge betragen.
Bei kommerziellen Chokeringen liegt sie bei ca 63,5mm. Allerdings sind die auf L2 optimiert.
Mein Chokering ist auf L1 optimiert! Darum beträgt die Ringhöhe nur 48mm.

Die Bullet habe ich so eingebaut, dass die interne Groundplane mit der Oberkante der Ringe abschließt.
Die internen Groundplane der Bullett liegt 40,8mm über ihrer Basis.
Also fehlen hier 7,2mm, die ich zuerst durch Unterlegscheiben und später durch einen 3/8"-Gewindeadapter zur Befestigung des Ganzen realisiert habe.

Darf ich fragen, wie du darauf kommst, dass die Patch-Antenne so um 40mm über der Platine befestigt werden sollte?

Gruß Josef
Josef Gerstenberg
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Yvonne » 15.12.2011 - 14:16

Hallo Josef,

es ist sehr interesannt, was Sie vorgestellt haben. Ich habe auch schon mal was über das Design von Choke Ring gelesen, was bei einigen Sachen immer nicht ganz klar.

Ich habe noch einige Frage:

1. Wie so muss die Tiefe es ein bisschen größer als lambda/4 =4.5cm von L1 sein, also bei Ihnen ist 4.8 cm gewählt? nicht kleiner oder gleich. Ich habe auch was gesehen, dass kleiner als lambda/4 besser ist.

2. Der Abstand zw. Ringen von kommerziellen Choke Ring sind ca. 23 mm bis 30 mm, aber wissen Sie vielleicht den Grund dafür?

3. Sie haben den Durchmesser von 200mm gewählt, da der Wellenläng 190 mm ist? Ist es der Grund, oder gibt es speziellen Grund?

Vielen Dank & viele Grüße
Yvonne
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon ssquare_de » 15.12.2011 - 16:01

Hallo Josef,


wie hast du das Problem mit den Wasserabläufen (Regen,Schnee) gelöst?
Kleine Bohrungen in der Groundplane?
Meinst du, man könnte über deiner Choke-Ring-Konstruktion eine dünne Kunststofffolie anbringen, die eben noch nicht zu einem spürbar verschlechterndem "Detuning" der Gesamtantenne führt?

Stefan


P.S.
(Hast du meine Mail bekommen?)
OK, alles klar und danke für die Info.
:-)
Zuletzt geändert von ssquare_de am 15.12.2011 - 18:03, insgesamt 1-mal geändert.
ssquare_de
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 15.12.2011 - 17:07

Hallo Yvonne,

zu deinen Fragen:

1.
Warum die Tiefe etwas größer als Lambda/4 sein soll, ist genau in der folgenden Literatur beschrieben. Leider habe ich die nicht:
T. Hekmat, N. Nilass, M. Maurer: "Integrated GPS/GLONASS Antenna for High Performance Applications "ION GPS-95 Meeting September 12-15, 1995.

In
V. Filippov, D. Tatarnicov, J. Ashjaee, A. Astakhov, I. Sutiagin: "THE FIRST DUAL-DEPTH DUALFREQUENCY CHOKE RING", Javad Positioning Systems,
findet man folgenden Hinweis:
"As it follows from the said above, the grove depth has to be approximately equal to L/4, where L is wavelength.
If it is less than the said distance the creation of a surface wave becomes possible.
This wave will propagate along the grove structure if the depth is smaller than L/4.
The surface wave can destroy the required phase and amplitude ratios between primary and
secondary waves and create resonance effects.
That is why in the known designs the grove depth was a little bigger than L/4."

2.
Hier kann ich nur vermuten. Evtl. wird das Verhältnis von Breite zu Länge des Hohlleiters zu gering, wenn man den Abstand kleiner macht.
(Breite = Abstand der Ringe, Länge = durch die Krümmung bestimmt)

3.
Den Durchmesser von 200 mm habe ich wegen der Handhabung gewählt und um zu sehen, ob ein so kleiner Choke Ring schon Vorteile bringt.

Zum optimalen Durchmesser eines Choke Rings ist hier etwas zu finden:
Francesca Sciré Scappuzzo and Sergey N. Makarov: "A Low-Multipath Wideband GPS Antenna With Cutoff or Non-Cutoff Corrugated Ground Plane"
"For the classical dual-band GPS frequencies of operation, where the wavelengths are 19 cm and 24 cm,
the optimal ground plane size is thus 28.5 cm at L1 and 36 cm at L2. This is perhaps one reason why the
size of choice for classic geodetic antennas traditionally has been about 37 cm."

Gruß Josef
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 15.12.2011 - 17:16

Hallo Stefan,

der Regen fließt durch 6 mm Bohrungen in der Grundplatte ab (wenn diese schmutzig genug ist).
Um Schnee zu beseitigen, bräuchte man einen spitzen Hut aus Kunststoff, der schwierig herzustellen ist.

Eine dünne Folie darüber zu spannen, wäre denkbar. Bei der Bullet-3 ist der Patch weit genug von der Spitze der Haube entfernt.
Wie sich das Phasenzentrum dadurch verändert, kann man nur messen.

Gruß Josef

PS Danke! Ich habe deine E-Mail bekommen --- aber gerade soooo wenig Zeit.
Josef Gerstenberg
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Yvonne » 16.12.2011 - 15:28

Hallo Josef,

Vielen Dank für deine Frage:

1. Wegen der Tiefe: die zwei Literatur, die Du angegeben hast, war ich auch irgendwann dazu gekommen. Leider sind die beide kostenpflicht. Deswegen habe ich nicht angeschaut.

Aber ich habe auch U.S. Patent von Ashjee " Dual-frequency choke-ring ground planes" (2001)gefunden, die man normalerweise zugreifen kann.
http://www.wikipatents.com/US-Patent-62 ... nes/Page-1

Dort schreibt er aber die Tiefe 0.92lambda/4 und 0.97 lamda/4 am besten ist. Vielleict habe ich auch falsch verstanden.


3.Francesca Sciré Scappuzzo and Sergey N. Makarov: "A Low-Multipath Wideband GPS Antenna With Cutoff or Non-Cutoff Corrugated Ground Plane"

Diese Artikel habe ich auch gelesen, deswegen habe ich mich gewundert, dass Du den Durchmesser von 200mm genommen. Außerdem ist irgendwie geschrieben, dass mehr als 3 Ringe eigentlich nicht so viel bringt? Hast Du auch so verstanden, dass Du jetzt jetzt für 3 Ringen gebaut?

Ich habe noch zwei zusätzliche Fragen:

4. Die kommerzielle Chokering sind meistens aus Metal? Oder stimmt das nicht? Beim Patent von Ashjee ist am Ende auch erwährt, dass die Chokering von seinem Design aus Kunststoff sein soll. Du hast auch Kusntstoff für Deinen Chokering verwendet. Ist es experimental nachgewiesen, dass Kunststoff besser als die Metal für Chokering ist? Wird Signal bei Schweißenstellen gestört?

5. Hast Du schon mal mit deinen Chokering gemessen? Wenn ja, wie sieht das Ergebnis aus, ist es viel besser als ohne?
Im Prinzip kann man ja auch nur einen Metal Grundplatte von eien Durchmesser 28.5 cm (1,5 lambda) verwenden (eine einfache Variante)um den Mehrwegeffekt zu minimieren.Weil der Aufbau von Chokering doch aufwendig ist. Hast Du das auch schon mal versucht? Wenn ja, wie sieht das Ergebins aus?

Gruß Yvonne
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 16.12.2011 - 21:34

Hallo Yvonne,

1.
die Literatur
V. Filippov, D. Tatarnicov, J. Ashjaee, A. Astakhov, I. Sutiagin: "THE FIRST DUAL-DEPTH DUAL-FREQUENCY CHOKE RING", Javad Positioning Systems
war 2009 noch frei im Internet erhältlich und kannst du von mir haben.
Wenn du daran Interesse hast, dann schicke mir eine persönliche Mitteilung mit deiner E-Mail Adresse.

In dem U.S. Patent von Ashjee wird beschrieben, wie man eine L1+L2 Antenne optimieren kann.
Macht man die Tiefe kleiner als L2/4, dann ist die Multipathunterdrückung für L1 besser und für L2 schlechter,
als bei der normalen Bauform.
Bei mir geht es nur um eine L1 Antenne!

3.
Das Material für einen L1 Choke Ring mit 28,5 cm Durchmesser und 3 bis 4 Slots habe ich schon.
Mir fehlt nur die Zeit, ihn zu biegen und zu löten....
Ein Choke Ring mit einem Durchmesser von 20 cm passt in meinen Rucksack. Das war der primäre Grund, ihn zu bauen.

4.
Choke Ringe müssen an der Oberfläche immer aus Metall bestehen!
Die benötigte Dicke des Metalls ist allerdings sehr frequenzabhängig:
http://de.wikipedia.org/wiki/Skin-Effekt
Bei 1 GHz beträgt die Skin-Tiefe nur 0,0021 mm.
Also kann man auch einen Kunststoffkörper mit einer dünnen Metallschicht versehen.

Nur für die Basisplatte habe ich glasfaserverstärktes Epoydharz mit einer 0,035 mm Kupferauflage verwendet,
weil es leicht und sehr stabil ist. Der Rest besteht aus Messingblech, weil es gebogen sehr hart wird.

5.
Ja, wir haben bisher mit einer Bullet3 + 20cm-Chokering + Lea-4T bei trockenem Wetter gemessen.
Basisstation war dabei ein Trimble 5700 mit einer Zephyr-Antenne.
Die Ergebnisse sind deutlich besser als ohne Choke Ring!
So richtig kann allerdings der Choke Ring seinen Vorteil erst zeigen, wenn regnet und alles nass ist.
Dann geht mit einfachen Antennen ohne Choke Ring bei RTK fast nix mehr.

Ich habe mit unterschiedlich großen Groundplanes unter einfachen GPS-Antennen experimentiert:
Es ist ein Märchen, dass große Metallplatten unter einer GPS-Antenne die Mehrwegeffekte minimieren.
Die Wellen, die von unten kommen, hüpfen einfach um die Kante der Groundplane rum und vergnügen sich dann auf dem Weg zur Antenne.

Gruß Josef

PS Ich sollte ein Märchen schreiben, wie es GPS-Signalen geht, wenn sie auf eine Antenne treffen.
Josef Gerstenberg
 
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon ssquare_de » 17.12.2011 - 18:55

Hallo Josef,


was meinst du, könnte ein Bekleben der Groundplane von unten und seitlich (äussere Chokeringfläche) mit EMI-Absorbern
weitere Verbesserungen erbringen?
Zu den sogenannten Stealth-farben und -beschichtungen findet man ja einiges im WWW, aber eben kaum Details...:-)
Das wäre doch was, einfach Farbe mit Eisenpulver angerührt und dann ab auf die Groundplane damit.

Spass beiseite, ein brauchbares Beispiel wäre vielleicht von Würth die "WE-FAS EMI Flexible Absorberfolie"
http://katalog.we-online.de/kataloge/ei ... ible_Sheet
in der Stärke 0,75mm. (Höchste Dämpfung bei L1 1,5GHz gute 5dB)
http://katalog.we-online.de/kataloge/ei ... 324075.pdf

oder von anderen Firmen
http://www.directindustry.de/industrie- ... 78412.html


Ich kenn´ mich aber mit dem HF-Zeugs nicht so recht aus, rate und phantasiere mir die Dinge mehr zusammen, als dass da fundierte Ahnung am Werke wäre... :D



Stefan
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Roland » 17.12.2011 - 22:12

Hallo,

Josef hat geschrieben:V. Filippov, D. Tatarnicov, J. Ashjaee, A. Astakhov, I. Sutiagin: "THE FIRST DUAL-DEPTH DUAL-FREQUENCY CHOKE RING"


Dieser ?

Grüße Roland
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 17.12.2011 - 22:42

Hallo Stefan,

sehr viel Ahnung habe ich von Hochfrequenztechnik auch nicht, weil die HF-Vorlesungen in meinem Studium grauenhaft waren!

Vorab ein Hinweis:
Simple Patch-Antennen benötigen unbedingt eine kleine gut leitfähige Groundplane! Die darf nie absorbierend sein!

Aber nun zu deinem Thema.

GPS-Signale absorbierende Materialen auf einer großen Groundplane sind besser, als eine nur eine große Metallplatte. So meine Erfahrung.

Allerdings schleichen sich die GPS-Signale, die von unten kommen, noch immer um die mit absorbierendem Material beschichtete Groundplane rum.
Grund ist der Sprung in der Leitfähigkeit des Mediums Luft zum Absorbermaterial und zur metallenen Patch-Groundplane.

Trimble hat das Prinzip des sanften Leitfähigkeitsübergangs mit absorbierendem Material bei der Zephyr-Antenne vermutlich "ausgeknautscht" und patentiert.
Literatur dazu findest du hier:
http://facility.unavco.org/kb/questions ... ication%29

Gruß Josef
Zuletzt geändert von Josef Gerstenberg am 17.12.2011 - 23:15, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: GNSS-Antennen für Trägerphasenmessungen

Beitragvon Josef Gerstenberg » 17.12.2011 - 22:48

Roland,

ja, das ist die Veröffentlichung.
Ich habe sie nicht mehr im Internet gefunden.

Danke und Gruß
Josef
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