PCC-Suite: Ein Open-Source-Paket zur Analyse und Visualisierung von GNSS- Antennenkalibrierwerten

Amr Fawzy, Johannes Kröger, Tobias Kersten, and Steffen Schön

14. Mai 2026

Hochpräzise GNSS-basierte Positionierung beruht auf genauen Phasenzentrumskorrekturen (PCC). Aufgrund des Fehlens einer allgemein akzeptierten Referenz für Antennenkalibrierwerte ergeben sich jedoch Unterschiede zwischen den Ergebnissen verschiedener Kalibriereinrichtungen und -methoden. Diese Differenzen (dPCC) werden üblicherweise anhand der PCC-Gitter analysiert, wie sie durch das Antenna Exchange (ANTEX)-Format definiert sind. Allerdings spiegelt eine Übereinstimmung auf Gitterebene nicht direkt die Auswirkungen auf geschätzte geodätische Parameter wider.

Wir stellen PCC-Suite vor - ein Open-Source-Python-Paket mit benutzerfreundlichen grafischen Oberflächen zur Konvertierung, Visualisierung und Analyse von PCC- oder dPCC-Werten. ATX-Scanner ermöglicht die Suche und Filterung von ANTEX-Dateien nach Antennentyp, Frequenz, Kalibriermethode und weiteren Metadaten. PCC-Viewer visualisiert PCC- oder dPCC-Werte für ausgewählte Frequenzen und ionosphärenfreie Linearkombinationen (IF-LC) unter Verwendung stereographischer Projektionen und Elevationsprofilen. ATX-Converter bietet bidirektionale Konvertierung zwischen ANTEX-Versionen 1.4 und 2.0.

Der zentrale Bestandteil, PCC-Explorer, quantifiziert den Einfluss von PCC- oder dPCC-Werten auf geodätische Parameter, wie topozentrische Koordinatendifferenzen, Empfängeruhrschätzungen und troposphärische Parameter, unter realistischen multi-GNSS-Bedingungen. Die Software verarbeitet ANTEX-Daten (v1.4 oder v2.0), unterstützt die wichtigsten GNSS-Systeme und Frequenzen und erlaubt benutzerdefinierte IF-LC. Konfigurierbare Parameter umfassen Standort und Zeitspanne, Azimut-/Elevationsmasken, Beobachtungsgewichtung, troposphärische Abbildungsfunktionen, Abtastfrequenz und Lösungslänge (z.B. 3 h oder 24 h). Zudem ermöglicht sie regionale bis globale Analysen auf benutzerdefinierten Gittern.

Die Analyse konzentriert sich auf geodätische Parameter, die für GNSS-Anwender und Netzbetreiber von praktischer Bedeutung sind. Beispielhafte Simulationen werden interpretiert und anhand von Precise Point Positioning (PPP) Ergebnissen aus realen GNSS-Beobachtungen der IGS-Antennenkalibrierkampagne validiert. Darüber hinaus wird ein kinematischer Modus vorgestellt, der es ermöglicht, eine Trajektorie zu importieren, um den Einfluss von dPCC auf geodätische Parameter entlang einer Route zu bewerten. Insgesamt ermöglicht PCC-Suite GNSS-Anwendern und Netzbetreibern fundierte Bewertungen der Kalibriergüte und trägt so zur standardisierten, reproduzierbaren und zuverlässigen Beurteilung des Einflusses von Kalibrierergebnissen auf geodätische Parameter bei.

Antennen zum Empfang von Signalen aus globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) bilden das erste Glied in der GNSS-Datenverarbeitungskette. Die Antennenperformance bestimmt nicht nur die Empfindlichkeit gegenüber dem nützlichen GNSS-Signal, sondern auch die Anfälligkeit gegenüber den wichtigsten Fehlerquellen, die eine sichere und genaue Positionsbestimmung beeinträchtigen – insbesondere Mehrwegausbreitung und Störsignale. Störsignale treten nicht nur in der Nähe von Konfliktregionen auf, sondern können auch in größerer Entfernung die zivile geodätische Infrastruktur sowie die zivile Luftfahrt gefährden. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind widerstandsfähigere Antennen erforderlich, wobei Mehrantennensysteme zu den wirksamsten Gegenmaßnahmen für eine robuste GNSS-Positionierung zählen.

Für eine hochpräzise und genaue GNSS-basierte Positionsbestimmung müssen Phasenzentrumskorrekturen (PCC) und Code-Phasenkorrekturen (CPC) angewendet werden. Die Bestimmung dieser Korrekturen wird als Antennenkalibrierung bezeichnet und kann entweder im Feld unter Einsatz eines Roboters und realer GNSS-Signale oder in einer echolosen Kammer unter Verwendung künstlich erzeugter Signale erfolgen.

In unserem Beitrag stellen wir die Hauptziele des Projekts RENEGANT (Get REady
for NExt Generation of GNSS ANTenna systems) vor. Es handelt sich um ein gemeinsames  DFG-Projekt des Instituts für Erdmessung (IfE) und des Instituts für Kommunikation und Navigation am DLR. Ziel des Projekts ist es, eine Methode zur robotergestützten Kalibrierung von Antenntenarrays unter Verwendung realer GNSS-Signale zu entwickeln, und gleichzeitig den Einfluss von Antennenhalterungen – insbesondere bei miniaturisierten Antennen – auf CPC und PCC zu untersuchen.

Wir präsentieren erste Vergleiche zwischen Kalibrierungen einer miniaturisierten u-blox ANN-MB1-Antenne mit einem Roboter am IfE unter Verwendung realer GNSS-Signale und Kalibrierungen derselben Antenne, die in einer halb-echofreien Kammer am DLR durchgeführt wurden. Die beobachteten Unterschiede werden im Hinblick auf Signalrauschen, durch die Roboterplattform verursachte Nahfeldeffekte und mögliche Auswirkungen der in der Kammerumgebung verwendeten Antennenhalterung diskutiert.

Darüber hinaus werden erste Kalibrierungsergebnisse für einzelne Elemente eines CRPA Arrays (Controlled Reception Pattern Antenna) vorgestellt. Die geschätzten Phasenzentrumspositionen werden visualisiert, wodurch sich zeigt, dass aktive Komponenten wie Low Noise Amplifier (LNAs) aufgrund ihrer elektromagnetischen Wechselwirkung mit den Empfangselementen einen signifikanten Einfluss auf CPC und PCC haben können. Daher müssen diese bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.

Die geodätische Überwachung instabiler Hänge ist von zentraler Bedeutung für die zuverlässige Quantifizierung von Bodenverformungen und die Bewertung der Infrastruktursicherheit in Gebirgsregionen. Diese Studie untersucht das räumlich-zeitliche Deformationsverhalten der Latyan-Rutschmasse im Norden Irans mithilfe eines satellitengestützten geodätischen Kontrollnetzes sowie mehrzeitlicher GNSS-Beobachtungen. Zur Bestimmung der horizontalen und vertikalen Verschiebungskomponenten sowie zur Bewertung der statistischen Zuverlässigkeit der Netzlösung wurde ein rigoroser Ausgleichungsansatz nach der Methode der kleinsten Quadrate angewendet. Die Ergebnisse zeigen ein deutliches räumliches Deformationsmuster, wobei die größten Verschiebungen an den Punkten L4, L3, L2 und L13 innerhalb des aktiven Rutschungsbereichs auftreten, während die geringsten Bewegungen an den Punkten G15, G11, L1, L10 und L16–L22 außerhalb der Deformationszone beobachtet werden. Die Varianz–Kovarianz-Analyse bestätigt die Robustheit und interne Konsistenz des ausgeglichenen Netzes und zeigt, dass die Deformationssignale in der aktiven Zone deutlich über dem Messrauschen liegen. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass satellitengestützte geodätische Verfahren eine zuverlässige und effiziente Alternative zur klassischen terrestrischen Vermessung in komplexem und unzugänglichem Gelände darstellen. Die Studie bestätigt die Leistungsfähigkeit der Kombination aus geodätischer Netzausgleichung und Satellitenbeobachtungen zur präzisen Erfassung und Interpretation von Deformationsprozessen und unterstreicht deren Bedeutung für das Infrastrukturmonitoring und die Gefahrenbewertung in Staugebieten.

Punktwolkenbasierte Deformationsanalysen finden zunehmend Anwendung. Besonders die Punktwolken von terrestrischen Laserscannern (TLS) eignen sich hierfür. Immer mehr Methoden, um auch die kleinsten Bewegungen in TLS-Punktwolken zu erkennen, werden aktuell veröffentlicht. Diese Methoden benötigen dringend gutes Wissen über die Varianzen der zugrundeliegenden Beobachtungen. Ohne diese Information oder auch das Benutzen falscher führt unweigerlich zu Parametern, dessen stochastische Aussagekraft nicht gegeben ist.
Wir stellen eine Methode vor, mit der es möglich ist, die Winkelvarianzen eines TLS empirisch zu bestimmen. Anhand eines Z+F IMAGER ® 5016A wird die Methode entwickelt. Mit der vorgestellten Methode können sowohl die Winkelvarianzen der horizontalen als auch die der vertikalen Winkelmessung bestimmt werden. In Kombination mit dem bekannten intensitätsbasierten stochastischen Modell für die Entfernungsmessung lassen sich somit alle drei Beobachtungsvarianzen eines TLS empirisch ermitteln.
Im Gegensatz zu existierenden Methoden, welche hauptsächlich über die Schätzung von Targetmittelpunkten (TCE) die Winkelvarianzen bestimmen, realisiert unsere Methode die Winkelvarianz in der gemessenen Intensität. Dies erlaubt es, die Winkelvarianzen der einzelnen Winkelmessungen zu bestimmen, ohne wie bei TCE über viele Beobachtungen zu glätten. Mittels einer in-situ Quantifizierung und Reduktion der Varianz der Intensitätsmessung lässt sich die Winkelkomponente extrahieren und weiter zu Winkelvarianzen verarbeiten.
Die bestimmten Winkelvarianzen lassen sich mittels funktionaler Zusammenhänge in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeiten modellieren. Sowohl die Standardabweichungen der horizontalen als auch der vertikalen Winkelmessung als Quadratwurzel der Varianz sind kleiner als die vom Hersteller angenommenen bis zu 14.4”. Die Standardabweichungen der horizontalen Winkelmessung bewegen sich in einem Breich von ≈0.7” bis ≈2”, wobei höhere Rotationsgeschwindigkeiten zu niedrigeren Standardabweichungen führen. Die Standardabweichungen der vertikalen Winkelmessung sind zwischen ≈1” und ≈3”, mit höheren Standardabweichungen bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten.
Zusätzlich zum Z+F IMAGER ® 5016A konnten zwei baugleiche TLS mit unterschiedlicher Firmware und unterschiedlichem Alter analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen Gemeinsamkeiten bei selber Hardware und Unterschiede bei abweichender Servicehistorie.