LGO 解算南方靜態數據的天線高改正研究

戴偉

(中科芯集成電路有限公司,南京 210000)

0 引言

當前，以全球衛星導航系統(GNSS)、物聯網等技術為支撐的智慧城市建設處于高速發展階段.與城市的連續運行參考系統(CORS)同步觀測可為智慧城市建設提供基準數據.江蘇省內的CORS 建設所用的接收機基本為徠卡公司接收機，如江蘇CORS[1-2](JSCORS)、徐州CORS[3](XZCORS)，雖然蘇州北斗地基增強系統采用了天寶接收機[4]，但JSCORS 在蘇州也有所覆蓋.為了使靜態解算易于開展，在觀測儀器選型方面，通常采用與基站相同品牌的接收機進行觀測，如使用徠卡GS15 等.在解算軟件選擇方面，控制網解算一般采用相應配套軟件進行，徠卡LGO 數據處理軟件在解算相應接收機采集的數據時表現非常好，取得了不錯的效果.

隨著國產儀器的迅速發展，國內南方測繪公司的GNSS 接收機不斷成熟完善，由于其成本較徠卡等國外儀器更低，受到了廣大用戶青睞，在B 級及以下等級控制網觀測時經常會被采用，使用南方GNSS 接收機進行靜態觀測也變得越來越多[5].基準站接收機目前還是徠卡接收機較多，所以經常會遇到使用LGO 解算南方觀測數據的情況.很多情況下，LGO預定義天線中并不包含南方測繪儀器所采用的天線，此時LGO 將無法識別南方儀器采用的天線類型，導致解算結果存在不確定誤差.基于此，本文對該問題進行了研究，為類似問題的解決提供參考.

1 天線高的測量與確定

在進行靜態觀測時，需要獲取地面標識到瞬時天線相位中心的高度h，即

式中：h1為地面標識到天線參考點APR 的高度；h2為天線參考點到平均相位中心的距離，即天線相位中心偏差(PCO)；h3為平均相位中心到瞬時相位中心的偏差，即天線相位中心變化(PCV).

進行外業觀測時，通常只能獲取地面標識到天線參考點或者接收機某個刻度線的高度，當內業采用數據處理軟件解算時，選擇所使用的儀器、天線類型及測高模式后，軟件會自動匹配天線垂直方向的改正數以及PCO 和PCV.如使用徠卡GS15 接收機，對應的天線類型為GS15 Tripod Short，外業測高模式為腳架縮短，通常我們只能量測從地面標識到量測點的距離H，如圖1 所示.但在LGO 中，會自動匹配該天線的垂直方向的改正數 ΔH，如GS15 Tripod Short 天線的ΔH被設定為0.254 5 m，L1 和L2 方向的垂直偏差分別為0.199 9 m 和0.198 3 m.

圖1 徠卡GS15 測高示意圖

此外，LGO 軟件可查看天線PCV 值，如GS15 Tripod Short 的PCV 如表1 所示.

表1 GS15 Tripod Short 的PCV 表

由表1 可知，L1 和L2 頻點的PCV 是不同的，同時，PCV 與方位角和天頂距存在函數關系.由于PCV 隨方位角變化很小，而PCV 隨天頂距變化比較明顯，所以一般天頂距每5°提供一個數值，取值范圍是0°～90°.

同樣，采用南方測繪公司的儀器(以南方銀河6 為例)進行靜態觀測時，也需要量取儀器高，量取儀器高的目的是為了得到最終的天線高.但南方的儀器測高模式與徠卡不同，圖2 為測高示意圖.

圖2 南方銀河6 測高示意圖

天線高為天線參考點到地面測量點的垂直距離，南方GNSS 儀器中主要采用桿高、斜高、直高和測片高四種天線高量測方法，靜態觀測一般采用測片高.當使用南方的自帶軟件進行解算時，輸入測片高h(至測高片的距離)之后，程序會自動將測片高改正到垂直高H，然后再改正到地面標識到參考點的高度h0，并在識別天線之后，進行相應的天線相位中心的改正[6].

2 天線高對靜態解算的影響

GNSS 內業數據處理主要包括基線解算、無約束平差和約束平差.數據處理精度控制指標有重復基線較差、同步環閉合差、異步環閉合差、無約束平差基線向量殘差和約束平差基線向量殘差[7].

2.1 天線高對基線解算的影響分析

通常情況下，最低等級的E 級大地控制網的控制點間距離約為0.2～5 km，天線相位中心偏差 δ 一般約為10 cm.如圖3 所示，對于重復基線，當天線高出錯時的位置為B1，正常情況為B，A到B1 的距離為S′，A到B的距離為S，由于 δ 相對于S的距離非常小，此時可認為是直角，則有

圖3 重復基線示意圖

對式(2)求全微分，有：

則根據誤差傳播定律，得

認為S是不存在誤差的情況下，則

可見，天線高對復測基線的影響非常小.

2.2 天線高對環閉合差及網平差的影響

GNSS 的環閉合差包括同步環閉合差和異步環閉合差，當同步環閉合差滿足限差的要求時，還不能完全表明組成該同步閉合環的基線均符合要求，當異步環閉合差滿足限差的要求時，則表明組成該異步環閉合差的基線滿足要求，因此重點檢查異步環閉合差.

已知，空間直角坐標和大地坐標有如下關系：

天線高將直接影響天線相位中心到地面標識的距離，必然影響到大地高，為考慮大地高變化對空間直角坐標的影響，對大地高求微分

當天線高出錯時，會對空間直角坐標產生影響，從而影響與之同時段的基線，并可能影響異步環閉合差.

2.3 天線高對控制網精度的綜合影響

通過上述分析總結可知，當天線高出錯時，首先必然引起與之直接相關的大地高的準確性，進而將影響正常高的計算，其次文獻[8]通過理論和案例證明，天線高對無約束平差和約束平差結果的坐標影響較小，但對其坐標精度影響較大.同時上文也證明，天線高在基線解算和網平差的過程中，對重復基線較差不會產生明顯影響，但是可能會影響到閉合差以及無約束平差和約束平差的精度.

3 LGO 天線高改正方法

南方測繪公司設備采集的靜態觀測數據的一般存儲格式為.sth，想要南方測繪公司設備的觀測數據能夠在LGO 中解算，首先要將其轉換成RINEX標準格式.南方測繪公司的某些接收機可以直接將觀測數據輸出成RINEX.值得注意的是，在LGO 中導入RINEX 時，要保證文件基本符合RINEX 對于O文件的命名規則，否則無法識別文件.以LGO V8.04為例，該版本的LGO 只能識別RINEX 3.02 及以下版本的數據.

外業觀測時，一般采用測高片測高法，如圖2 所示，在采用LGO 進行處理時，需先采用式(10)進行測高片結果預處理，在LGO 處理的時候直接作為量測值使用.

式中，R0為測高片寬度，一般為12 cm，具體參數參照購買儀器時的附件參數說明或咨詢廠商.

為獲得天線參考點APR 距地面標識的高度.還需要加入天線參考點到測高片的高度差h0.

3.1 PCO 改正

天線相位中心瞬時位置是時刻變化的.對于南方測繪公司的接收機所采用的天線，我們可以通過在其觀測文件中查看，然后根據相應的天線去查找PCO.如使用某臺南方銀河6 接收機，根據其O 文件可以確定其天線類型為SG6X-T970A.正常轉換得到的O 文件中，接收機及天線信息如表2 所示.

表2 南方銀河6 可正常識別的接收機和天線信息

美國國家大地測量局(NGS)提供天線相位中心改正數[9]，可訪問網站www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/進行下載，但是并不是所有的天線都會上報NGS 并公布其數據，如SG6X-T970A，目前并沒有查到相關的信息.此外，由于轉換軟件的原因或者接收機本身的原因，部分觀測數據的天線信息如表3 所示.

表3 南方銀河6 沒有正確識別的天線信息

由表3 可知，此接收機的天線沒有正確定義或存儲，同樣無法通過查找天線相位中心改正數來進行改正.

對于大部分接收機，其附件都會帶有該接收機天線的垂直偏差改正數[10]，盡管PCO 由N/E/U 三個方向改正數組成，但是水平方向的影響通常較小，在工程控制網中，僅改正PCO 的垂直方向對精度的影響不大.如南方銀河6 的接收機下方附帶了本機相位中心L1 和L2 垂直方向的偏差分別為127.1 mm 和115.6 mm.當然有的天線NGS 公布的改正數和商家公布的不完全一致，會略有差異，在高等級控制網中應考慮具體采用哪個數值，工程控制網可以選用其一.

3.2 PCV 改正

南方銀河6 接收機沒有提供PCV 的值，對于能夠在NGS 上查到的天線，可以使用其公布的PCV，文獻[11]已證明PCV 不影響水平位置的變化而僅會影響到高程方向的結果，且在高等級的GPS 聯測數據處理中才予以考慮，工程控制網精度要求相對較低，可不予考慮.所以如果使用的天線相位中心改正數沒有發布，可以不進行此項改正.

3.3 LGO 進行天線改正的具體操作流程

圖4 為LGO 軟件進行天線改正的具體操作流程.

圖4 天線改正操作流程

外業按照控制網等級的要求，觀測相應的時長和時段后，輸出RINEX3.0.2 及以下版本的文件.導入該原始觀測數據，查看該觀測數據對應的天線，選擇屬性選項卡，可以修改L1 和L2 方向的PCO，可以只填垂直方向的偏差，改正方式選擇高度角和方位角，在附加改正里填寫對應方位角的PCV 改正數，如果沒有PCV，則改正方式選擇無.至此，天線的高度改正就全部完成了.

4 結束語

多品牌接收機共同作業是未來GNSS 控制網觀測的必然趨勢，使用商業隨機軟件必然會遇到天線沒有定義的情況，而天線高對于高程準確性以及解算過程中精度控制都有重要意義，此類問題的做法是：

1)根據外業測高，計算地面標識到天線參考點的距離；

2)根據觀測文件獲得天線類型，并查找對應的PCO 和PCV；

3)若是未公布的天線，根據廠家提供的數據獲取PCO 的垂直改正數；

4)在LGO 中將相應的數值更新到對應的天線里.