Applications and limitations of low-cost GNSS receivers

Abstract

Vysoké náklady na profesionální antény globálního navigačního satelitního systému (GNSS), dosahující desítek tisíc eur, omezují jejich dostupnost a široké využití pro velkou skupinu uživatelů, kteří si nemohou dovolit tak vysoké finanční výdaje. Jako alternativa mohou být použity nízkonákladové GNSS přijímače a antény. Použití levnějších GNSS čipových sad a komponent nižší kvality umožňuje výrazně snížit výrobní náklady těchto měřicích sestav. To však vede ke zhoršení kvality dat zaznamenaných přijímačem, což znemožňuje dosažení milimetrové přesnosti typické pro profesionální geodetické antény a přijímače. Nicméně neustálý technologický pokrok a probíhající miniaturizace způsobují, že nízkonákladové měřicí sestavy jsou stále rozšířenější a kvalita jimi poskytovaných výsledků se systematicky zlepšuje. Jedním z klíčových faktorů ovlivňujících kvalitu získaných dat je kvalita a výrobní přesnost přijímací antény. Neznalost hodnot posunu fázového centra (PCO) a variací fázového centra (PCV) způsobuje, že určená poloha antény je zatížena významnými chybami, dosahujícími až několika centimetrů. Kromě toho jsou současné náklady na individuální kalibrační postupy antén mnohonásobně vyšší než cena samotné nízkonákladové antény, což činí kalibraci nízkonákladových GNSS antén ekonomicky neodůvodněnou. Na druhé straně by použití individuálních kalibračních modelů antén mohlo vést k výraznému zlepšení kvality získaných výsledků. Za účelem posouzení vlivu použití kalibračních modelů nízkonákladových antén na určování souřadnic bylo kalibrováno 10 GNSS antén (ArduSimple ANT3B-CAL-L1). Tento postup byl proveden na Leibniz Universität Hannover za použití individuální robotické kalibrační metody. Pro zkoumání vlivu aplikace individuálních kalibračních modelů byly vypočteny týdenní časové řady pomocí metod Precise Point Positioning (PPP) a Real-Time Kinematics (RTK) pro 22 nízkonákladových přijímačů umístěných ve Vratislavi (Wrocław), Polsko. Zpracování bylo provedeno v několika variantách použití individuálních kalibračních modelů, což umožnilo podrobnou analýzu jejich vlivu na dosažené výsledky. Provedené studie potvrzují oprávněnost použití individuálních kalibračních modelů pro nízkonákladové GNSS antény. Jejich aplikace vede k jednoznačnému zlepšení přesnosti určených souřadnic.The high cost of professional Global Navigation Satellite System (GNSS) antennas, reaching tens of thousands of euro, limits their availability and widespread use for a broad group of users who cannot afford such large expenditures. As an alternative, low-cost GNSS receivers and antennas can be used. The use of cheaper GNSS chipsets and lower-quality components makes it possible to significantly reduce the production cost of such measurement sets. However, this results in poorer quality of the data recorded by the receiver, which makes it impossible to achieve millimetre-level accuracy typical of professional geodetic antennas and receivers. Nevertheless, continuous technological progress and ongoing miniaturization mean that low-cost measurement sets are becoming increasingly common, and the quality of the results they offer is systematically improving. One of the key factors influencing the quality of the obtained data is the quality and manufacturing precision of the receiving antenna. The lack of knowledge of Phase Centre Offsets (PCO) and Phase Centre Variations (PCV) values causes the determined antenna position to be burdened with significant errors, reaching up to a few centimetres. In addition, the current cost of individual calibration procedures for antennas is many times higher than the price of the low-cost antenna itself, which makes calibration of low-cost GNSS antennas economically unjustified. On the other hand, the use of individual antenna calibration models could lead to a significant improvement in the quality of the obtained results. In order to assess the impact of applying calibration models for low-cost antennas on coordinate determination, 10 GNSS antennas (ArduSimple ANT3B-CAL-L1) were calibrated. This procedure was carried out at Leibniz Universität Hannover using an individual robot calibration procedure. To investigate the impact of applying individual calibration models, weekly time series were computed using the Precise Point Positioning (PPP) and Real-Time Kinematics (RTK) techniques for 22 low-cost receivers located in Wrocław, Poland. The processing was performed in several variants of applying individual calibration models, which allowed for a detailed analysis of their impact on the obtained results. The conducted studies confirm the legitimacy of using individual calibration models for low-cost GNSS antennas. Their application leads to a clear improvement in the accuracy of the determined coordinates.