GNSS天線相位中心檢定方法與成果應(yīng)用

李桂榮 李杰 程瑞忠 李瑞

摘 要：結(jié)合呼圖壁GNSS檢定場檢定7臺GNSS觀測儀器實(shí)例詳細(xì)介紹天線相位中心檢定外業(yè)操作及內(nèi)業(yè)計(jì)算的全過程，實(shí)踐證明，該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，可以為廣大GNSS觀測工作者進(jìn)行天線相位中心檢定提供參考。

關(guān)鍵詞：相位中心；檢定；應(yīng)用

1 引言

GNSS觀測技術(shù)在形變測量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，特別是近年來以GNSS觀測為手段之一的地球物理場觀測可以獲得區(qū)域高分辨率的地殼水平運(yùn)動(dòng)速度場圖像和水平應(yīng)變速率場圖像，為區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)地點(diǎn)判定、大陸動(dòng)力學(xué)研究提供重要基礎(chǔ)[1]。

但GNSS觀測獲取的數(shù)據(jù)中存在誤差是不可避免的。影響測量成果的誤差來源很多，如與接收機(jī)有關(guān)的誤差包括接收機(jī)的鐘誤差、接收機(jī)的測量噪聲、接收機(jī)天線相位中心偏差等，其中接收機(jī)天線相位中心偏差（PCO）是由于制造過程中電氣化中心與幾何中心不一致產(chǎn)生的，對平面測量成果的影響值可達(dá)毫米級甚至厘米級[2]。因此利用GNSS進(jìn)行高精度測量定位前，必須對接收機(jī)天線相位中心進(jìn)行檢驗(yàn)，以確認(rèn)觀測儀器工作狀態(tài)，選用合格的觀測儀器確保觀測數(shù)據(jù)的可靠性。

本文結(jié)合實(shí)例主要針對GNSS天線相位中心檢定過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，為廣大GNSS觀測工作者進(jìn)行天線相位中心檢定外業(yè)操作及內(nèi)業(yè)計(jì)算提供參考。

2 野外觀測

本文選取2015年5月20日至21日在呼圖壁GNSS檢定場對7臺GNSS觀測儀器進(jìn)行檢定為例，詳細(xì)介紹檢定過程。

呼圖壁GNSS檢定場是個(gè)以10米為半徑的圓形場地，周邊無大于10度的遮蔽物與多路徑反射物。共埋設(shè)9個(gè)觀測墩。觀測墩均勻的分布于圓形場地內(nèi)，分別位于圓心和北東、正東、南東、正南、南西、正西、北西、正北8個(gè)方向上。觀測墩埋深基本在1.5米，性能穩(wěn)定。

天線相位中心穩(wěn)定性檢驗(yàn)是測定天線電氣中心與天線幾何中心之差及其穩(wěn)定程度，采用下列方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

將7臺GNSS接收機(jī)天線分別安置在10m的超短基線觀測墩上，強(qiáng)制歸心、整平、天線定向標(biāo)志指向正北。截止高度角設(shè)置為10°，采樣間隔30秒。觀測1個(gè)完整的全天時(shí)段（24小時(shí)，UTC 00：00-UTC 24：00）后，固定中間的天線不動(dòng)，其它天線旋轉(zhuǎn)180°，再觀測1個(gè)完整的全天時(shí)段（24小時(shí)，UTC 00：00-UTC 24：00）。

將觀測數(shù)據(jù)下載并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式，再利用TEQC軟件和預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行檢測，分析其觀測數(shù)據(jù)的有效性。儀器必須在3分鐘內(nèi)完全鎖定所有可見衛(wèi)星并能正常記錄所有必須觀測的數(shù)據(jù)；高度角在10°以上的觀測率（實(shí)際觀測量/預(yù)期觀測量）應(yīng)大于95%；偽距多路徑效應(yīng)MP1和MP2小于0.55米[3]。可采用天線相位中心偏差及一致性檢驗(yàn)過程中第一天的觀測數(shù)據(jù)來分析完成，即對年積日為140的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用GAMIT軟件對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理前，需更新tables表；下載星歷文件，包括事后精密星歷和廣播星歷；制作lfile.文件，station.info文件，sestbl.文件等控制文件；由于是進(jìn)行天線相位中心檢定計(jì)算，需將antmod.dat文件內(nèi)與檢定天線類型一致的偏差值改為0，本例中一個(gè)是TRM59800.00 NONE天線類型，另一個(gè)是TPSCR.G5天線類型，以確保它在數(shù)據(jù)計(jì)算過程中不被改正[3]。

通過處理兩個(gè)全天時(shí)段L1和L2的載波相位觀測值，分別求出旋轉(zhuǎn)180°前、后固定天線和旋轉(zhuǎn)天線間基線矢量。選擇結(jié)果文件中以o為開頭，以a為結(jié)尾，以年積日為后綴的結(jié)果文件，從其中提取出NEU方向的計(jì)算結(jié)果。由此可根據(jù)基線矢量的E-W分量和S-N分量之差除2，確定旋轉(zhuǎn)天線相位中心水平 “偏差”（以E-W分量和S-N分量表示）。

設(shè)：待檢天線旋轉(zhuǎn)180度前測得的與參考天線之間的短基線E-W分量為BE-W前，待檢天線旋轉(zhuǎn)180度后測得的與參考天線之間的短基線E-W分量為BE-W后，則待測天線的相位中心偏差的東西分量為：

DE-W=（BE-W前-BE-W后）/2

同樣：待檢天線旋轉(zhuǎn)180度前測得的與參考天線之間的短基線S-N分量為BS-N前，待檢天線旋轉(zhuǎn)180度后測得的與參考天線之間的短基線S-N分量為BS-N后，則待測天線的相位中心偏差的東西分量為：

DS-N=（BS-N前-BS-N后）/2

對于一個(gè)合格的天線，要求DE-W、DS-N與制造商給出的天線相位中心偏差模型改正值之差的徑向長度（即（（DS-N-Dsn）2+（DE-W-Dew）2）1/2 ，式中Dsn為制造商給出的天線相位中心偏差的南北分量、Dew為制造商給出的天線相位中心偏差的東西分量）不得超過1mm。同時(shí)要求各被檢天線相位中心水平分量構(gòu)成的徑向長度（即（（DS-N）2+（DE-W）2）1/2）不超過2mm。

同樣的方法分別處理L1和L2。其結(jié)果均要滿足要求。如果發(fā)現(xiàn)超限，允許重新檢驗(yàn)一次，兩次超限則視該天線為不合格天線。處理結(jié)果見表1。

4 檢驗(yàn)結(jié)論和注意事項(xiàng)

經(jīng)檢測和計(jì)算分析，序列號為6354923的TRM59800.00天線及序列號為762-11533的TRM55971.00天線相位中心與標(biāo)稱相位中心水平偏差超出限值1.00mm，按照《中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測技術(shù)規(guī)程》要求，這兩個(gè)GNSS接收機(jī)天線為不合格天線，不能用于GNSS高精度地殼形變監(jiān)測。

計(jì)算中需注意，分別計(jì)算L1和L2時(shí)，需將sestbl.文件中的參數(shù)修改為L1_ONLY和L2_ONLY，antmod.dat文件中的改正值必須設(shè)置為零，否則解算結(jié)果將有較大差異。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凡.中國綜合地球物理場觀測——青藏高原東緣地區(qū)——地震行業(yè)科研重大專項(xiàng)成果簡介[J].科技成果管理與研究，2013，（3）：80-82.

[2]王鐵生，緱慧娟，趙東保.GPS天線相位中心水平方向偏差的檢測與校正[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34（6）：73-76.

[3]地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測工程研究中心.中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006