利用室外旋轉天線法估計導航衛星接收機天線相位中心偏差

張潤濤,馬德強

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450052;2.61206部隊,北京 100071;3.山東省地質測繪院,濟南250011)

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利用室外旋轉天線法估計導航衛星接收機天線相位中心偏差

張潤濤1,2,馬德強3

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450052;2.61206部隊,北京 100071;3.山東省地質測繪院,濟南250011)

導航衛星接收機的天線相位中心偏差是GNSS測量應用中必須考慮的一項誤差。本文研究了在室外條件下利用旋轉天線法測量和估計導航衛星接收機的天線相位中心偏差的理論和方法,并給出具體的操作步驟和相應的參數估計方法。算例采用位于西安某科研單位樓頂兩臺GPS/BDS雙模衛星導航接收機組成超短基線,通過實測數據分別解算得到實驗所用的接收機天線的BDS B1頻率和GPS L1頻率天線相位中心偏差的參考值,并進行精度分析,證明此方法是一種在實際應用中精度較高且操作性強的方法。

GNSS接收機;GPS/BDS;天線相位中心;超短基線;旋轉天線法

0　引　言

GNSS測量是以接收機天線相位中心的精確位置為參照的,理論上相位中心與幾何中心應保持一致,現實中由于相位中心會隨信號輸入的強度和方向不同而變化,即會隨衛星高度角和方位角的變化而變化,通常稱之為接收機天線相位中心偏差。它對GNSS定位影響可達數厘米,且很難通過差分的方式消除或減弱,它是制約GNSS精度提高的一個重要因素。模型改正是消除和減弱GNSS接收機天線相位中心偏差的一個很好的途徑,本文嘗試利用數學和物理模型來估計GNSS接收機天線相位中心偏差。

對于導航衛星接收機天線相位中心偏差的研究可以追朔到上世紀八十年代[1],在之后的應用中,Schupler[2]采用了在微波暗室內估計導航衛星天線相位中心誤差的算法,國內一些學者也采用了微波暗室法(室內法)測定導航衛星天線相位中心誤差[3-5]。同時,也有一些學者采用室外測定天線相位中心的研究[6-8],但僅僅是針對GPS衛星。相對于室內微波暗室天線相位中心估計方法,室外法具有對儀器設備要求不高、數據處理算法更簡易、實際操作更容易實現等優點,且對提高定位精度有很好的效果。

從2000年至今,中國已發射19顆北斗導航衛星,并計劃到2020年增加至35顆,目前對于GPS天線相位中心改正的研究已經有大量成果且較為成熟,而國內對北斗接收機天線相位中心誤差研究開展的較少。本文從GNSS天線相位中心的相關改正和建模的理論出發,對北斗天線相位中心誤差的估計方法進行初步的研究。

1　天線相位中心偏差產生的原因

在利用GNSS測量時,觀測者獲取的觀測值通常情況下是以GNSS接收機天線的相位中心為參考點，從理論上講,GNSS天線的幾何中心和相位中心應保持一致,但GNSS的相位中心是隨著可見衛星數量、方向、位置和信號強弱的變化而時刻變化的,即觀測時相位中心的瞬時位置與理論上的相位中心位置將有所不同,通常稱這種偏差為GNSS天線相位中心的位置偏差，如圖1所示。它通常具有如下特點:1 )偏差數值和位置隨時間變化; 2) 同一天線在地面不同位置時,偏差大小不同; 3) 定位影響可以達幾毫米至幾厘米。瞬時相位中心的位置很難確定,一般用求取相位中心偏差均值的方式來解決。

圖1　同一GNSS接收機天線不同可視衛星條件時的天線相位中心偏差

2　室外旋轉天線法及數據處理算法

2.1室外旋轉天線法

采用室外旋轉天線估計法,首先需要尋找一個視野開闊不受障礙物遮擋且無強磁場的平坦空地作為觀測場,其次需要設置一個野外超短基線(通常指邊長5～10 m的短基線),最后在基線兩端安置GNSS接收機天線(通常選多頻扼流圈天線)并嚴格整平,選擇至少可視衛星大于5顆的時間段進行觀測,每個時段至少2 h.

具體操作流程如下:

1) 在基線兩端分別安置GNSS扼流圈天線,并精確對中、整平,在安置過程中,需要注意把天線的指北點朝向概略北方向;

2) 在兩個天線指北的基礎上,首先觀測1個時段(2 h);

3) 在步驟2的基礎上,保持天線A指向不變,天線B先后按順時針方向旋轉90°、180°和270°,并在三個方向各觀測1個時段;

4) 同理,在保持天線B指向為北的情況下,天線A在順時針旋轉90°、180°和270°的位置上分別觀測1個時段;

5) 觀測完成后,分別解算各個時間段的基線坐標向量值。

2.2數據處理方法

如圖2所示,GNSS接收機天線A與天線B分別安裝于超短基線的兩端。OA表示天線A的幾何中心,OB表示天線B的幾何中心。其中,A1為天線指北時天線A的平均相位中心,B1表示指北時天線B的平均相位中心。

圖2　天線A固定天線B旋轉的測量示意圖

以天線幾何中心OA為原點,設OA與指北標志的連線為X軸,過OA的垂直方向為Z軸,Y軸與X、Z軸構成右手坐標系。同理,以OB為原點,建立X′OBY′坐標系。當兩臺GNSS天線同時指北時,在平面坐標系XOAY中GNSS天線A的平均相位中心A1為(δx1,δy1),在坐標系X′OBY′中天線B的平均相位中心B1為(δx2,δy2)。當天線A和B沿著順時針依次旋轉90°、180°、270°,其平均相位中心在各自坐標系中的坐標如表1所示。

表1　天線在不同旋轉位置的坐標

設Δx,Δy為天線A和B幾何中心的坐標差值,dxi、dyi為基線第i個觀測時段的x坐標差與y坐標差。當天線A固定指北,天線B旋轉觀測四個

時段(N→E→S→W)時,根據圖2,可得如下殘差方程:

(1)

同理,當天線B固定指北,天線A再旋轉觀測三個時段(E→S→W)時,殘差方程為

(2)

聯立兩個殘差方程,令

得簡化的誤差方程

V=L-BX,

(3)

其中,B為X的系數矩陣,dxi和dyi(i=1,2,…,7)可以通過基線解算求得。設P為單位權陣,則根據最小二乘法原理,誤差方程的法方程為BTPBX=BTPL,進而可求解得到X.

3　實測算例分析

3.1試驗準備與數據處理

實驗采用兩臺TrimbleNETR9GPS/BDS雙模接收機,所配天線類型為扼流圈天線(Trimble59900.00),試驗地點為西安某研究所樓頂(視野開闊),如圖3所示,實驗時間為2014年1月8日的多個時段。

利用伯爾尼軟件(Bernese5.1)進行超短基線的數據處理,采用GPS/BDS事后高精度的精密星歷(****.sp3),并采用從IGS官網下載的極移參數等信息,對流層采用NIELL模型解算,模糊度固定采用QIF方法。在此基礎上,分別計算GPSL1 頻點和BDSB1頻點的估計值。

圖3　超短基線試驗現場

3.2GPS L1 解算結果

對于GPS L1,基線解算結果如表2所示。

表2　GPS基線解算結果

由于兩個GNSS天線是同一型號,則二者相位中心偏差基本相同,因此,可以把未知參數縮減為4個,即認為δx1與δx2、δy1與δy2相同。同時分析上表,不選用基線解算精度較差的第2、3時間段,求解結果為

δx=0.000808,δy=-0.000498,

Δx=2.001245,Δy=7.028360.

與IGS官網提供的天線相位中心改正文件比較,如表3所示。

通過表3分析可得,使用本文方法估計得到天線相位中心改正值與IGS提供的參考值基本一致,其存在的誤差可能是測量時段不夠多的原因導致。

表3　GPS L1 PCO估值與參考值比較

3.3BDS B1 解算結果

對于BDS B1,基線解算結果如表4所示。

表4　BDS基線解算結果

與GPS解算策略相同,估計4個參數,不選用基線解算精度較差的第2、6時間段,求解結果為

δx=0.001338,δy=-0.000554,

Δx=2.001242,Δy=7.028383.

4　結束語

本文在旋轉天線法相關理論的基礎上,根據天線相位室外校正的實測結果,采用最小二乘法處理觀測數據,得到相應GPS和BDS接收機天線的相位中心偏差。其中GPS的解算結果和IGS公布的參考值很接近,證實此方法的正確性和可行性。同時利用此方法求取了目前并沒有發布的BDS B1頻點的天線相位中心偏差,該方法可用于實際高精度BDS/GPS定位中,以進一步提高定位精度。

[1] SIMS M L. Phase center variation in the geodetic TI4100 GPS receiver system's conical spiral antenna[C]//In Proceedings of the First International Symposium on Precise Positioning with the Global Positioning System. Rockville, Maryland. U.S. Department of Commerce, May 1985.

[2] SCHUPLER B R, ALLSHOUSE R L, CLARKl T A.Signal characteristics of GPS user antennas [J].Inst Navigation,1994(41):277-295.

[3] 劉智超,張則宇,龐飛. GNSS天線相位中心偏差檢定及不確定度分析[J]. 測繪地理信息, 2014(3):19-23.

[4] 張勇虎,周力,鄭彬,等. 一種新的微波暗室天線相位中心標定方法[C]//2005全國微波毫米波會議，2006.

[5] 柯樹人. 導航定位天線相位中心的實驗室標定[C]//中國宇航學會飛行器測控專業委員會2007年航天測控技術研討會, 2007.

[6] 郭金運,徐泮林,曲國慶. GPS接收機天線相位中心偏差的三維檢定研究[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2004, 28(4):448-451.

[7] 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, 2008, 28(11):2052-2058.

[8] 魏錦德,黃張裕,海美,等. GPS天線相位中心誤差的檢測與改正[J]. 測繪科學技術學報, 2012, 29(6):410-413.

An Estimate of Navigation Satellite Receiver Antenna Phase Center Offset Based on the Outdoor Rotating AntennaMethod

ZHANG Runtao1,2,MA Deqiang3

(1.InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450052,China;2.61206Troops,Beijing100071,China;3.InstituteofGeologicalSurveyandMappinginShandong,Jinan250011,China)

The antenna phase center offset of navigation satellite receiver is a GNSS measurement error in applications, which must be considered. In this study, with outdoor conditions, the theory and methods of the rotating antenna phase center measurement and estimation for navigation satellite receiver were researched, andproposing the specific steps of corresponding parameter estimation method. The experiment wasoperated in Xi'an, onthe roof of a research unit, two GPS/BDS dual mode satellite navigation receivers composing USBL.By the measured data the authors calculate antenna phase center offsets respectively on the BDSB1 frequency and the GPS L1 frequency,and the precision analysisproves this method is a workable approach with high precision.

GNSS receiver; GPS/BDS; antenna phase center; ultra short baseline; rotating antenna method

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.004

2016-03-14

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0017-05

張潤濤(1985-),男,碩士,助理工程師，從事GNSS數據處理理論與方法研究。

馬德強(1987-),男,碩士,工程師，從事GNSS數據處理理論與方法研究。

聯系人： 張潤濤 E-mail: zrt0206@126.com