GNSS接收機天線相位中心改正對高精度定位影響

黃功文，王小瑞，黨引群，蔣 勇

(1．國家測繪地理信息局大地測量數據處理中心，陜西 西安 710054；2.四川省第三測繪工程院，四川 成都 610500；)

0 引 言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)接收機天線相位中心偏差(PCO)是指天線參考點(ARP)和平均電子相位中心(MPC)的差距。相位中心的偏差一般為常數，而相位中心的變化( PCV)與GNSS信號的方向、信號的頻率，甚至天線罩有關，隨他們的變化而變化。對于高精度的定位和測量，天線相位中心的改正必須全面考慮，如果忽略這種影響，對于站點坐標，特別是高程方向不容忽視。對此，國內外很多學者都做過極為深入的研究[1-2]，相關的GNSS接收機檢定校準規(guī)范中對天線相位中心檢定方法也進行了專門的闡述和規(guī)定[3-4]，這為GNSS技術在我國的廣泛使用和快速發(fā)展打下了堅實的基礎。現階段我國對GNSS接收機天線相位中心測試和檢定還是執(zhí)行的較早規(guī)范，同時關于兼容北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的接收機天線相位中心改正也沒有權威機構進行檢測和發(fā)布，這在一定程度上已不能夠適應導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，對于我國北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展也不利。因此，在闡述天線相位中心偏差的產生原理及其改正模型的基礎上，本文介紹了現階段我國GNSS天線相位中心檢測、檢定的基本原理及方法，并分析其優(yōu)缺點，用算例分析了天線相位中心改正其對定位結果的影響，針對GNSS接收機天線的使用以及我國天線相位中心的檢測提出了一些思路和建議。

1 接收機天線相位中心及改正模型

GNSS信號觀測值都以接收機天線電子相位中心為基準。但通常情況下此點難以測量(例如通過卷尺)，于是引入天線集合點作為天線參考點。實際測量中，GNSS接收機天線電子相位中心與頻率有關，同時又會隨著高度角、方位角、衛(wèi)星信號強度的變化而變化，每一個接收到的信號都有各自的天線相位中心。因此，需要確定天線相位中心的平均位置用于天線相位偏心改正[5]。

GNSS接收機天線相位中心偏差是指ARP和平均電子相位中心的差距。如圖1所示，單個相位測量值的總天線相位中心改正包括PCO的影響及高度角(天頂距)和方位角相關的PCV影響。 如圖所示，記PCO的矢量為a，衛(wèi)星與接收機間單位向量為ρ0，PCO對相位測量值的影響ΔPCO可通過a在單位矢量ρ0上的投影得到，即

圖1 GNSS接收機天線相位中心

ΔPCO=a·ρ0.

(1)

PCV對相位偽距的影響ΔPCV描述為衛(wèi)星方位角α、天頂距z和載波頻率f的函數，即

ΔPCV=ΔPCV(α,z,f)

(2)

PCO和PCV對相位偽距總改正為ΔPCO+ΔPCV.經過此總改正后，相位偽距就改正到ARP了。PCO 和PCV 的測定主要有相對校準和絕對校準兩種方法,對應的相位中心改正模型稱為相對相位中心改正模型和絕對相位中心改正模型。

相對相位中心校準是由美國大地測量局(NGS)提出的，該技術是在不考慮參考天線相位中心影響的前提下，通過對短基線進行測量來實現的。它把參考天線( AOAD/ M_T 型天線)和另外一種類型的天線架設在兩精確已知坐標端點的短基線上,以參考天線為基準,假定參考天線的相位中心偏差為0,與短基線結果比較,得到非參考天線類型的相位中心改正值[6]。

絕對相位中心校準方法包括兩種技術：微波暗室校準和自動機器人校準。相比于相對相位中心改正,絕對相位中心改正的優(yōu)勢在于：消除了參考天線相位中心的影響; 考慮了低于10°高度角的相位中心變化以及隨方位角變化的相位中心變化; 校準時幾乎不受多路徑效應的影響,除了考慮接收天線相位中心的改正,還給出了衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心改正[7]。

2 國內天線相位中心檢測標準及方法

我國現階段對GNSS接收機天線相位中心測試和檢定執(zhí)行的規(guī)范主要有《全球定位系統(tǒng)( GPS)測量型接收機檢定規(guī)程》(CH 8016-1995)、《全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(測地型和導航型)校準規(guī)范》(JJF 1118-2004)。歸納起來，我國測定GNSS接收機天線相位中心偏差的方法主要有2種,即旋轉天線法和相對定位法。

1)旋轉天線法

旋轉天線法測定天線相位中心是在微波暗室中采用專用微波天線測量設備，通過測定天線全方位波形圖，通過分析和計算，確定天線平均相位中心相對天線幾何中心之偏移量，以及天線相位中心隨信號源(衛(wèi)星)方位和高度變化的規(guī)律，詳細測試方法可參考文獻[3]。

旋轉定位法必須在室內進行,檢定中必須有微波暗室,因此旋轉天線法所需的設備復雜、昂貴,檢定費用高、耗時多,并且一般測繪部門沒有這種設備,且不適合野外檢測。

2)相對定位法

相對定位法是利用實際衛(wèi)星信號對GNSS接收機天線相位中心進行測量,即在超短基線或短基線上先將2臺GPS 接收機及其天線分別安置在基線的2個基線點上,精確對中和整平，詳細測試方法可參考文獻[3]和[4].

相對定位法具有操作簡單、方便、成本低等特點,已被廣泛采用，但這種方法只能有效地檢測出天線相位中心偏差的水平分量，而垂直偏差分量卻不能精確測定出。在此基礎上，相關學者和專家研究出了一些較為可行的垂直分量偏差測定方法[8]，如圖2所示。

圖2 天線相位中心垂直分量偏差檢測原理[8]

在天空視野開闊、無強電磁干擾的野外,相距幾米左右的A和B兩點上(最好采用強制對中裝置)，安置兩臺GPS 接收機，進行相對定位觀測。由于A和B兩點相距很近，衛(wèi)星至兩觀測站電磁波傳播路程上的大氣狀況極為相似，電離層延遲和對流層延遲所產生的誤差以及其它GPS 誤差源的影響也很相近，可以通過模型改正和差分的方法而削弱，從而近似的認為在高程方向上僅存在天線相位中心誤差。設A和B點的大地高分別為HA和HB,UA和UB分別為通過GPS衛(wèi)星觀測和計算求出A和B點的大地高值，安置在A和B點上的GPS 接收機天線相位中心垂直分量偏差分別為hA和hB,則

ΔH=HB-HA=(UB-hB)-(UA-hA),

(3)

式中,ΔH為A、B兩點的高差,可由精密水準儀測量得出。

設ΔU=UB-UA，可通過GPS觀測和計算獲得；并設Δh為在A和B兩測站上分別安置的兩臺GPS 接收機天線相位中心垂直分量偏差的差值，Δh=hB-hA由此得

Δh=ΔU-ΔH.

(4)

當其中1臺GPS 接收機天線相位中心垂直分量偏差已知時( 可由旋轉天線法精確測定),便可以計算出另一天線相位中心垂直分量偏差，否則,只能測定兩臺GPS 天線相位中心垂直分量偏差的差值Δh.

這種測定天線相位中心垂直分量偏差的方法，除了進行GPS 測量,還需要利用水準儀測定兩點的高差,最后得到的是GPS接收機天線相位中心垂直分量偏差的差值,是一個相對值。觀測和計算改正時,要都始終以其中一臺天線為參考天線,所有的觀測和計算中相位中心偏差改正都是相對于參考天線而言的。

3 天線相位中心改正對定位結果的影響

以某市CORS網中的4個站點(SJJX、SJLC、SJSZ、SJZD)7天實測數據為例，其均采用國產某品牌同一型號接收機和天線。數據處理采用GAMIT(10.40版)，絕對相位中心模型改正，基線解算和平差采用逐級控制的原則，即首先在ITRF2008框架下，利用6個IGS站(BJFS、SHAO、WUHN、LHAZ、URUM、IRKT)計算出該市周邊3個省級CORS站(國外某品牌同一型號接收機和天線)，其次利用IGS站和省級CORS站計算該市4個CORS站點坐標。

該市4個站點有儀器廠商提供的天線相位中心偏差和NGS提供的天線相位中心偏差,如表1所示。

該天線由廠商采用旋轉天線法校準和檢測的絕對相位中心模型改正，如圖3所示。

該天線由NGS進行相對校準和檢測，并轉換至絕對相位中心模型改正[2]，如圖4所示。

表1 兩套相位改正參數

圖3 廠商提供天線相位中心改正

圖4 NGS天線相位中心改正

從圖3和圖4比較，兩套天線相位改正參數在數值上有一定差異，PCV上只有和天頂距變化有關的改正而無方位角改正[6]。

通過計算發(fā)現，兩套相位改正參數(廠商和NGS)對4個站點形成基線向量及其分量的影響較小，而點位結果在平面影響較小，高程影響較大。如表2,3所示，分析其原因，4個站點間組成的基線向量差異小，這是由于4個站點采用了同一種國產接收機和天線，而站點定位結果上的差異，主要因其與起算點間組成的基線向量在高程方向存在一定的差異(限于篇幅未列出)。

表2 站點基線向量差異(NGS-廠商)

表3 點位結果比較(NGS-廠商)

為進一步分析天線相位中心改正的不同對GNSS定位結果的影響，假設4個CORS站各自采用廠商和NGS參數的計算結果均為真值，本文設計了兩套計算方案。

方案一：N、E、U三個方向采用各自的相位中心偏差，天頂距相位變化設置為零，這代表只有相位偏差，無天頂距相位變化改正。分析比較結果如表4所示。

表4 天頂距相位變化對定位結果影響

從表4可得出，通過各自與真值的比較發(fā)現，NGS參數天頂距相位變化改正對定位結果高程方向的影響較大，廠商參數天頂距相位變化改正對定位結果高程方向的影響較小。

由表5可見，通過計算結果相互比較，二者定位結果在各方向差異都很小，這說明對于GNSS網采用相同的接收機及天線觀測，可以減弱天線相位中心偏差(PCO)對定位結果的影響。

表5 PCO不同對定位結果的影響(NGS-廠商)

方案二：NEU三個方向的相位偏差設置為一個常數，如表6所示，采用各自的天頂距相位變化，這表示二者之間只有天頂距相位變化改正，無相位偏差。

表6 相位偏差設定值

由表7可知，采用方案二，相位偏差改正數值的變化無論對于采用廠商還是NGS提供的參數對定位結果都有一定的影響，這說明對于高精度的GNSS定位，精確校準和測定天線相位中心偏差很有必要。

表7 PCO數值改變對定位結果的影響

由表8可知，廠商和NGS提供的天頂距相位變化對定位結果平面影響較小，高程影響較大，這主要是由于二者的天頂距變化改正不同造成的。

表8 天頂距相位變化對定位結果影響(NGS-廠商)

通過以上分析，對于該天線，二套參數在定位結果上的差異主要是由于天頂距的變化改正的不同造成的，究其原因，這可能還是二者在天線相位改正的測定的方法和手段上有所區(qū)別[6-7]，對于高精度的GNSS定位，精確測定天線相位中心改正很有必要。

4 結束語

1)天線相位中心改正對于定位結果的影響主要體現在高程方向，且相位偏差和天頂距變化對定位結果影響的權重不一定相同，這和具體的天線類型有關。

2)布設的GNSS網，最好采用相同品牌和類型的天線進行外業(yè)觀測，這有利于天線減弱相位偏差和天頂距變化對定位結果帶來的影響，但大范圍的GNSS控制網受衛(wèi)星的幾何分布、天線安置的方位等影響，還需在基線解算時加入準確的天線相位中心模型改正。

3)因條件限制，無法比較方位角變化對高精度定位結果的影響。國內GNSS接收機天線相位中心檢測主要是針對衛(wèi)星高度角(天頂距)對相位中心變化的影響，關于衛(wèi)星方位角對相位中心變化的影響的檢測很少甚至沒有。雖然由方位角引起的天線相位中心偏差可以在外業(yè)測量時將天線嚴格指北來削弱其影響，但實際測量時并不能保證所有測量人員都做到了這一點，這也是今后有待于進一步研究和完善的地方。

4)國內天線相位中心改正的測定，需進一步對現有的相關標準和規(guī)范進行修訂和完善，同時最好由國家相關部門成立一個專業(yè)的天線檢測機構，實時發(fā)布國產天線，特別是對兼容北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收功能的新天線進行相位中心偏差和變化的檢測和發(fā)布。

[1]郭際明,史俊波,汪 偉.天線相位中心偏移和變化對高精度GPS數據處理的影響[J].武漢大學學報·信息科學版,2007,32(12):1,143-146.

[2]SCHMID R,MADER G,HERRING T.From relative to absolute antenna phase center corrections[C]//In:Meindl M (ed)Proc 2004 IGS Workshop and Symposium,Bern,2004：209-219 .

[3]傅輝清,凌 模,何幼平,等.全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(測地型和導航型)校準規(guī)范JJF1118-2004[S].國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2004.

[4]李毓麟,過靜珺，程鵬飛，等.CH8016-95,全球定位系統(tǒng)(GPS)測量型接收機檢定規(guī)程[S].北京:測繪出版社,1995.

[5]伯恩哈德·霍夫曼-韋倫霍夫,利希特內格爾,瓦斯勒.全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS,GLONASS,Galileo及其他系統(tǒng)[M].程鵬飛，蔡燕輝，文漢江，等譯.北京:測繪出版社,2009:112-117.

[6]MADER G L .GPS antenna calibration at the national geodetic survey [J].GPS Solutions,1999,3( 1):50-58.

[7]ROTHACHER M.Comparison of absolute and relative antenna phase center variations[J].GPS Solutions,2001,4(4):55-60.

[8]高 偉,晏 磊,徐紹銓,等.GPS天線相位中心偏差對GPS高程的影響及改正研究[J].儀器儀表學報,2007,28(9)：2052-2057.

[9]翟清斌,齊維君.GPS天線相位中心變化及測試[J].測繪科學,2004,29(12):60-64.