（大地测量学与测量工程专业论文）gps接收机检定有关问题的研究.pdf

桂林j 。工学院硕士学位论文 摘要 自从g p s 卫星导航定位技术于上世纪8 0 年代被引入中国后，迄今主要在大地测量f 测 绘、勘探) 。海上渔业和车辆定位导航等领域得到了很广泛的应用。 因此，随着高精度的g p s 接收设备的大量普及，g p s 接收设备将不断进入各行各业。 为适应我国卫星导航定位技术的发展，满足卫星导航定位设备的精度检测，需要建立布局 合理，质量好，精度高的g p s 接收机综合检定场，无论对新购进的g p s 接收设备的检验， 对于已有接收机出测前和收测后的检验，均具有重要意义。 本论文主要研究的内容有： 1 、g p s 天线相位中心偏差三维检定研究 静态检定的主要内容包括：天线相位中心稳定性检验( 旋转天线法、相对定位法) ；接 收机内部噪声水平检验( 零基线检验法、超短基线检验法) 以及在不同基线距离相对定位方 面的精度分析。本论文特别对其中的天线相位中心稳定性检验( 相对定位法) 的一种新检 定方法从原理到实践进行了详细的研究和实验论证实践证明本文提出的方法是一种切实 可行的相位中心检定方案 2 、g p s 数据处理中i g s 基准站的选取研究 欲建立稳定的高精度的检定场，一般选择i g s 跟踪站作为参考基准。并对其坐标加权 约束，这不仅解决了g p s 网平差的基准问题，而且可将g p s 网点的坐标纳入到i g s 所维 持的国际地球参考框架( n r f ) 下 由于基准站的选择和处理在高精度g p s 数据处理中至关重要，选择不当或处理不当， 对平差结果的影响是系统性的本文从i g s 基准站选取的几何意义、统计意义进行了研究 论证，得出在选择i g s 基准站的一般原则，即：基准站的选择要考虑具有观测时问长，精 度高、可靠性好，速率稳定的地心坐标具有良好的几何分布，南北半球分布基本对称， 位于板块的稳定部分，且距离测区较近等元素 3 ；基准站的加权及其影响研究 针对高精度g p s 数据处理中基准站坐标的约束及基准站坐标加权不当对平差结果的影 响等问题进行了较系统的研究加权过严并不能提高平差结果的精度。反而会将基准点坐 标的误差转移到g p s 网点坐标上在大规模、高精度g p s 网的数据处理中。对基准站施 加的约束应适当提出了合理确定基准站坐标权的有效方法 关键词：g p s 接收机检定，相位中心变化( p c v ) ，国际g p s 服务( i g s ) ，i g s 基准站 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c eg p ss a t e l l i t en a v i g a t i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di n t oc h i 雌i n1 9 8 0 s l a s tc e n t u r y , i th a dw i d e l yb e e nu s e di nt h ef i e l d sm o s t l yo fg e o d e t i cs u r v e y ( s u r v e y i n ga n d m a p p i n g , e x p l o r a t i o ns u r v e y ) ，f i s h e r yi n d u s t r yo nt h es e a a n dv i e h c l ep o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o n ， e t c 1 1 l e m ，印洒g p sr e c e i v i n ge q u i p m e n t sw i l lb ep u tt ou s ei ne v e r yf i e l d sa l o n gw i t h t h e i rp r e v a l e n t i no r d e rt od e v e l o po u rc o u n t r y ss a t e l l i t en a v i g a t i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ya n d s a t i s f yt h ep r e c i s i o nt e s t i n go ft h e s ee q u i p m e n t s ，w em u s tb u i l du pag p sr e c e i v e r si n t e g r a t e d t e s t i n gf i e l dw h i c hh a dr e a s o n a b l el a y o u t , g o o dq n a l i t ya n dh 讪p r e c i s e 1 1 i j sh a dv e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c eb e t ht ot e s tn e w - b u u 曲tg p sr e c e i v i n ge q u i p m e n t s , a n dt oo l dr e c e i v e r sw h i c hi s t e s t e db e f o r eo ra f t e rs m v e y ： n i s p a p e r sm a j o rs t u d y i n gc o n t e n t sw e r e ： 1 ：n e3 - d i m e n s i o nt e s t i n gs t u d yo ng p sa n t e n n a $ p h r a s ec e n t e r v a r i a n c e 妒c n t h em a j o rc o n t e n t so fs t a t i ct e s t i n gi n c l u d i n g ：s t a b l i l i t yt e s to fa n t f f f l n ap h r a s ec e n t e r ( t h e m e t h o do fm t s t i n gi m t e r n aa n dr e h 啊ep o s i t i o n i n g ) ；r e c e i v e ri n n e rn o i s el e v e lt e s t i n g i b e l i l t e s t i n ga n ds u p e r - s b u nb a s e l i n et e s t i n g ) a n dp r e c i s i o na n a l y s i si nd i f f i r a n td i s t a n c e b a s e l i n e so nr e l a t i v ep o s i t i o n i n g i na l lo ft h e m , e s p e c i a l l y , t h i sp a p e rp a u c i t yr e s e a r c h e dt k i n do fn e wt e s t i n gm e t h o dt oa n t e n n ap h r a s ec e n t e rs t a b i l i t yt e s t i n g ( r e l a t i v ep o s i t i o n i n g m e t h o d ) , f l o mt h e o r yt op r a c t i c e p r a c t i c ep r o v e dt h a tt h em e t h o dw h f c hw a sm e n t i o n e di nm y p a p e r w a s a f e a s 衄e t e s t i n g p r o j c c t o f p h r a s e c e n t e r v a r i a n c e 帆 2 ，t h es e l e c t i n gs t i i d yo fi g sr e f e r e n c es t a t i o ni ng p sd a t a 舯e i n 孚 ，i no r d e rt ob u n d 叩ns t a b l ea n dh i g hp r e c i s i o n 蛐蜘d ，g e n e r a l l y , w es e l e c t e di g s t r a c k i n gs t a t i o n s r e f e r e n c ed a t u m , a n dr e s t r a i n ti t sc o o r d i n a t e sw i t hw e i g h t s t h i sm e t h o dn o t o n l ys o l v e dt h ed a t u mp r o b l e m so fg p sn e t w o r ka d j u s t i n g b u ta l s op a tt h eg p sn e t w o r kp o i n t s u n d e rt h ei n t e r n a t i o n a lt e r r e t e r d a lr e f e r e n c ef r a m e 固限句w h i c hi ss u s t a i n e db yi n t e r n a t i o n a l g p ss e r v i c eo o s ) b e c a u s et h es e l e c t i n ga n d p r o c e s s i n go f f e r e n c es t a t i o nw & qv i t a li ng p sd a t ap r o c e s s i n g , i ft h es e l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gw a sn o tr e s e a n a b l e , t h ei n f l u e n c et oa d j u s t i n gr e s u l t s v f r e s y s t e m a t i c a l t h i sp a p e rs t u d ya n da r g u e dt h es i g n i 丘c a n c eo fs f l e c t i l l go fi g sr e f e r e n c es t a t i o n f r o mt h r e es i g n i f i c a n c e so f g e o m e t r y , s t a t i s t i c sa n dp h y s i c s w ec o n c l u d e dt h eg e n e r a lp r i d p l eo f 扛 桂7 林工学院硕士学位论文 s e l e c t i n gi o sr e f e r e n c es t a t i o n s n a m e l y , t h es e l e c t i n go fr e f e r e n c es t a t i o n sm u s tc o n s i d e rt h e e l e m e n t so fo b s e r v i n gt i m e ，t h eg e o c e n d cc o o r d i n a t ew h i c hh a dh i g hp r e c i s i o n ，r e l i a b l ea n d s t a b l ev e l o c i t y , h a v i n gg o o dg e o m e t r i c a ld i s t r i b u t i o n , s o m on o r t h e r nh e m i s p h e r es t a t t i o n s d i s t r i b u t i o nb a s i c a l l ys y m m e t r i c a lt oo t h e rs o u t h e mh e m i s p h e r es t a t i o n s ，s i t u a t i n ga tt h es t a b l e s e g m e n to f p l a t ea n d n e a rt h es u r v e yr e g i o n 3 、t h es t u d yo fa d d i n gw e i g h tt or e f e r e n c es t a t i o n sa n dt h e i ri n f l u e n c e a i m i n ga tt h eh i g hp r e c i s eg p s d a t ap r o c e s s i n g ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ep r o b l e m s s u c ha st h ei n f l u e n c et oa d j u s t i n gr e s u l t sw h i c hw a sp r o d u c e db yu n r e s e a n a b l er e s t r a i n t sa n d a d d i n gw e i g h t st ot h er e f e r e n c es t a t i o n s ，a n dp u tf o r w a r dt h ee f f e c t i v em e t h o d s o fr e s e a n a b l y f i x i n g t h e w e i g h t o f r e f e r e n c es t a t i o n s c o o r d i n a t e s k e y w o r d a ：g p s ，r e c e i v e rt e s t i n g , p h r a s ec e n t e rv a r i a n c e 口c v ) i n t e r n a t i o n a lg p s s e r v i c e0 0 s ) , l g sr e f e r e n c es t a t i o n m 桂林工学院硕士学，位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意 签名：摊日期：巡f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留，使用学位论文的规定，印：学校有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签名：搬导师签名： 日期：竺! ：! ：! 桂林工学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 i 1 卫星导航的历史 在g p s 卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要采用无线导航系统。 先后出现过多普勒系统等多种无线电导航系统，然而在实际应用中，无线电导 航系统的应用效果受到导航台数量及导航距离等因素的影响，存在覆盖的工作 区域小、电波传播受大气影响、定位精度不够理想等问题【1 ，1 1 】。 在以卫星定位为基础的高精度导航系统中，最早出现的卫星定位系统是美 国子午仪系统( t r a n s i 0 ，1 9 5 8 年研制，1 9 6 4 年正式投入使用。由于该系统卫星数 目较少，运行高度较低( 平均1 0 0 0 k i n ) ，从地面站观测到卫星的时间隔较长( 平均 a s h ) ，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低，但它相对于早期 的无线电导航定位系统已经有的显著进步【1 1 。 g p s ( g i o b a lp o s i t i o n i n gs y s t c m ) 目p 全球卫星定位系统是美国的第二代卫星导 航定位系统，是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航定位系统。最初， 是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位 的要求而建立的该系统从7 0 年代初开始设计，耗资1 0 0 亿美元研制开发，经 历了2 0 年的漫长历程。g p s 作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、 全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性 因此，全球定位系统( g p s ) 已成为美国导航技术现代化的最重要标志，并且被视 为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就【捌 其他国家和组织也建立了一些新的卫星导航和定位系统，如：原苏联的 g l o n a s s 系统、欧洲建立的伽利略、中国的北斗导航系统等原苏联建立的 g l o n a s s 系统于1 9 9 5 年建成，但由于经费紧张，目前卫星数目较少，不能单 独完成导航。目前，g p s 是卫星导航系统的代表 1 1 2 卫星导航应用的广泛性 g p s 卫星导航定位技术于8 0 年代被引入中国，迄今主要在大地测量偎4 绘、 勘探) 、海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用 在测绘方面，我们利用g p s 建立了全国高精度大地控制网。海上渔业应用 g p s 是我国g p s 应用最早的领域之一，经过十年多的发展，已成为我国目前 桂林工学院硕士学位论文 g p s 应用最普及、使用数量最多的市场全国有9 0 余万条渔船和其他各类型船 只，其中有很大部分都己装上g p s 导航接收机。车辆定位监控方面，在全球 g p s 应用领域中，车辆应用所占的比重最大，目前约占总数的4 0 以上，车辆 应用将是我国乃至世界未来几年g p s 的最大的应用领域【l 捌 1 1 3 目前的检定项目 目前，g p s 接收机的检定方法是用来检验接收机的静态测量方面的特性， 主要有：接收机内部噪声的检验、天线相位中心稳定性检验、接收机相对定位 精度检验等。接收机内部噪声的检验方法有零基线检验法和超短基线检验法， 天线相位中心稳定性检验的方法有旋转天线法和相对定位法，接收机相对定位 精度检验可以在长、中、短基线上进行1 3 , 7 1 。 1 2 本课题研究的背景、目的及意义 依据中华人民共和国计量法和 国防计量监督管理条例的基本要求， 作为计量器具的测量仪器在投入使用前均应经过计量机构的检定，在使用中还 应具有连续完整的年检资料。大地测量中g p s 接收机主要用于测量地面点位坐 标或( 和) 点间坐标差，属于计量器具，在国家和国防测量产品质量保证体系中具 有极为重要的地位按国家行业标准( c 1 4 8 0 1 6 - 9 5 ) 和全球定位系统( g p s ) 大地 测量规范( g j b 2 2 2 8 - 9 4 ) 的有关条款，计量检定规程的建立及其所需要的基础 实验条件( 即检定场) 是计量标准化急待解决的问趔7 1 因此，需要建立稳定，高精度的g p s 接收机静态检定场，这样保证对刚购 置的新仪器，以及旧仪器在出测前的检验，对于用该仪器获得满足要求的测量 结果是很重要的本文就是基于这种需要而作的。 1 3 国内外的发展情况 国外具有一定权威性的g p s 接收机检定场为f e d e r a t i o ng e o d e t i cc o n t r o l c o m m i t t e e ( 简写j of g o d 美国联邦大地控制测量委员会) 实验网，该网是由多点 多组合边构成的高精度检定场地，其组合边长为数百米、数千米乃至一百千米 2 桂林工学院硕士学位论文 f g c c 由美国农业部、商业部、国防部、运输部、宇航局等1 0 个国家机构组成 的美国联邦大地控制测量委员会兴建，其目的在于对新设计的大地测量仪器进 行检验并给出权威性的认证结果。国际众多品牌g p s 接收机均于此进行检定， 以获得f g c c 的认证作为其产品质量的标志。f g c c 点位的坐标以常规大地测 量仪器测定，并积累了多种g p s 接收机的测定结果川其长边准确度约为1 0 r 7 ， 短边准确度约为1 旷。 尽管f g c c 检定场具有一定的声誉，但其建场标准值的准确度不高，尤其 是长边，只有大地测量数据，以受检仪器的结果不断修正来提高其精度，由于 各点的利用率不同，其准确度并不均匀，相互之间差别较大。 1 9 9 0 年由解放军狈4 绘学院和总参测绘局第一测绘大队共同设计并建立了我 国第一个用于三维定位检测的g p s 检定场。该检定场位于北京沙河机场，由8 个点组成。沙河g p s 检定场各点埋设不绣钢标志，点问以铟钢基线尺、物理测 矩、三角、水准和天文测量等大地测量手段进行了精密测定，千米级基线相对 精度约为1 0 r 6 。沙河检定场曾是军方法定g p s 检定场( 6 j b 一2 2 2 8 - 9 4 ) 1 9 9 0 1 9 9 8 年期间，用于全国g p s 一、二级网测量业务的仪器之检定均在该场进行，为军 队高新技术的引进及其应用起了重要作用。1 9 9 8 年因机场改建，检定场大部分 网点被破坏，不能使用f i 。 国家测绘局于1 9 9 5 年在北京房山地区建立了g p s 检定场该检定场的点 位大多选在建筑物楼顶，检定场的精度受到建筑物变形、沉降等因素影响。房 山检定场也只有较短的边长，且点位的稳定性较差 。 国外建立的一些检定场如：具有一定权威性的g p s 接收机检定场为 f e d e r a t i o ng e o d e t i cc o n t r o lc o m m i t t e e ( 简写为f ( c g 美国联邦大地控制测量委 员会) 实验网，该网是由多点多组合边构成的高精度检定场地，其组合边长为数 百米、数千米乃至一百千米。国内在初期建立的g p s 接收机检定场多采用长度 基线场的方法检定g p s 仪器的性能如：国家测绘局和总参测绘局分别建立的基 线场以上建立的检定场均是长度检定场川， 1 4 本选题研究的主要内容和重点 随着科学技术的不断发展和普及，高精度的g p s 设备将不断进入各行各业， 桂林工学一院硕士学位论文 对于这些设备的检验，急需建立一套检验系统，用以对g p s 接收机的定位精度 进行检定。为适应我国卫星导航定位技术的发展，满足卫星导航定位设备的精 度检测，急需建立一个布局合理，质量好，精度高的g p s 接收机综合检定场， 无论对新购进的g p s 接收设备的检验，或对于已有设备出测前和收测后的检验， 均具有重要意义。本论文主要研究的内容有： 1 、g p s 接收机静态检定的几个方面的研究。， 研究静态检定的主要内容、方法及实现。静态检定的主要内容包括：天线 相位中心稳定性检验( 旋转天线法、相对定位法) ；接收机内部噪声水平检验( 零 基线检验法、超短基线检验法) 以及在接收机相对定位方面的精度分析。 2 、g p s 数据处理中i g s 基准站的选取研究。 本文比较全面地分析讨论了基准站的选取所应考虑的问题，给出了选择基准 站的一般原则，即：在高精度g p s 网的数据处理中，基准站的选择要考虑观测 时间长，具有精度高、可靠性好、速率稳定的地心坐标，具有良好的几何分布， 南北半球分布基本对称，位于板块的稳定部分，且距离测区较近等因素，这样 选取的基准站具有明确的统计意义、几何意义 3 、基准站坐标施加不同的权对g p s 平差结果的影响不同 加权过严并不能提高平差结果的精度，反而会将基准点坐标的误差转移到 g p s 网点坐标上在大规模、高精度g p s 网的数据处理中，对基准站施加的约 束应适当，一般来说，对基准站坐标的n e 方向施加0 0 0 2 米- 0 0 1 米的约束比 较合适，对u 方向施加0 0 0 5 米- 0 0 1 5 米的约束比较合适，即对基准站坐标应 施加k 的约束这样做不仅在统计上可以保证乎差基准不变，即平差基准对应 于i g s 站所标定的基准，而且还可以充分利用区域g p s 网的信息，使区域网不 会产生大的扭曲和变形 4 桂林工学院硕士学位论文 第二章g p s 接收机检定的内容及一般方法 2 1 概述 g p s 接收机检定的目的，是了解其性能及其能够达到的精度水平。g p s 测 量工作所采用的接收设备，都必须对其性能和可能达到的精度水平进行检验， 合格后方能参加作业。尤其对于新购置的设备，应按规定进行全面的检验。接 收机全面检验的内容【l 】，包括： 1 、一般性检视 主要检查主机与天线外观是否良好，型号是否正确：主机和附件是否齐全， 需固紧的部件是否有松动和脱落；设备使用手册和数据处理软件手册是否齐全； 数据处理软件盘是否齐全。 2 、通电检验 g p s 接收机与电源正确连接后，检验电源信号灯工作是否正常；按键、显示 系统和仪表工作是否正常；利用自测试命令检测仪器工作是否正常；自测试正 常后，按操作步骤进行卫星的捕获与跟踪，检验接收机锁定卫星时间的快慢， 接收信号的信噪比及信号的失锁情况。 。 3 、g p s 接收机内部噪声水平检测。 4 、g p s 接收机天线相位中心稳定性的检验。 j 5 、g p s 接收机在超短、短、中长、长和超长基线上的作业性能和精度指标 2 2g p s 接收机内部噪声水平检测 接收机内部噪声检测，主要是由于接收机硬件的不完整( 如接收机钟差、信 号通道的时间延迟及延迟锁相环误差等) 所引起其检验方法，可根据实际情况 采用以下两种方法之一： 2 z 1 零基线检验法“” 所谓零基线检验法是使用一台天线采集卫星信号，信号经天线前置放大器 放大以后，使用一个l 波段的功率分配器，将信号分裂为两个相等的部分，馈 送给两台接收机主机，通过一段时间的观测将两台接收机接收到的数据进行处 理，可以计算出基线的三维坐标分量) ( ，y z 和基线长及高差。由于信号由 同一天线接收，故这些测得值的真值均为零，测得值和零之差，即为零基线检 5 桂林。工学院硕士学位论文 验测得的结果 零基线检验测得成果消除了卫星方面产生的误差，例如基准频率、卫星轨道、 卫星几何构图等等所产生的误差，消除了电磁波传播介质的误差，例如电离层、 对流层时延等，消除了天线相位中心偏差、多径效应影响和安置误差等等，而集 中的突出了两台接收机主机间电子学性能方面的差异，其具体表现是观测值噪 声。观测值噪声是由各通道间时延差及其变化以及接收机问时钟偏差、延迟锁相 环和相位锁定环误差引起的。 由于零基线检验成果是使用随接收机配置来的后处理软件计算的，故对该计 算软件起了检核作用。但由于零基线计算出的三维坐标增量及基线长、高差均很 小，故对后处理软件的全面评价还有待在整个测程范围的测量试验来取得。 结论和建议： ( 1 ) 零基线检验法可用于天线和主机分离式的g p s 接收机，用它可有效地检验 接收机主机的电子学性能。 ( 2 ) 周期性的零基线检验利于获得接收机主机的电子学性能随时问的变化情况 建议在重要工程项目出测与收测时、或规定一个时间段进行重复地零基线检验 ( 3 ) 两两配对进行零基线检验，可以分离出有毛病的接收机来。 ( 4 ) 在一定观测时段内，零基线检验成果的精度会随观测时间的延长而提高 具体的观测时间可根据工程要求等等条件来确定。在比较不同类型g p s 接收机的 零基线检验成果时，应规定统一的观测时问好的接收机，1 小时的检验时间就 可以得出稳定的成果，质量较差或早期生产的接收机通常需要3 6 小时的检验 时间1 1 1 2 2 2 超短基线检验法o ” 在无功率分配器的情况下，g p s 接收机的内部噪声水平，也可以采用长度精 确已知的超短基线或基线网进行检验。为此，须在地势平坦，对空视野开阔的地 区，布设一边长为5 i o m 的基线或基线网检验时须将两台接收机的天线，分 别安置在超短基线的两端，两台接收机的天线应严格对中、整平，天线定向标志 指北，按高精度静态定位的要求进行同步观测，观测时段的长度，根据情况可取 1 o 2 0 小时。 这时，由于基线长度很短，所以观测数据通过差分处理，可以有效地消除卫 星轨道误差，大气折射误差和多路径效应等外界因素的影响，其测量结果与己知 6 桂林工学院硕士学位。1 论文 的基线长度之差，便主要反映了接收机的内部噪声水平 2 3q p s 接收机天线相位中心稳定性的检验 g p s 接收机天线是c a p s 用户设备的重要组成部分。g p s 接收机通过天线获取 卫星信号及相关数据信息，g p s 用于大地测量所获取的基线及三维坐标矢量是通 过基线两端g p s 天线中心之间的坐标矢量加上相应的天线高改正获得的。 由于g p s 天线本身的特性，其几何中心与其电学相位中心不一致，两者不仅 在东、北、高程3 个方向存在一个固定的偏差，而且随着接收到的g p s 卫星的高 度和方位的变化而变化。这种变化有时在高程方向上会带来十几厘米的误差 若不考虑加以修正，必将对测量结果带来影响，尤其是在高精度的g p s 测量中 利用g p s 进行静态测量，对于用同一种类型的天线进行短基线或超短基线 静态测量时，由于基线两端g p s 天线接收到的卫星数目和信号强度基本一致储l 设没有测站环境干扰) ，基线两端g p s 天线的电学相位中心随接收到g p s 卫星的 变化基本相同，这种情况可以认为是由于天线相位中心的变化致使基线有一个小 的平移量，但基线长度及相应的三维坐标分量基本不受影响，因此在解算基线时 可以不考虑对天线相位中心的变化进行改正 但用同一种类型的天线进行长距离、高精度测量时，由于基线两端g p s 天线 接收到的卫星不一致，不仅接收到卫星的高度角、方位角可能不同，而且接收到卫 星的数目也可能不同，在这种情况下，解算基线时必须考虑对天线相位中心的变 化进行改正不同类型的天线混合使用进行高精度测量时，也必须对天线相位中 心的变化进行改正 天线相位中心稳定性检验，臼前可根据情况采用以下两种方法之一： 2 3 1 旋转天线法 旋转天线法，虽是目前较为严格地测定天线相位中心位置及其变化规律的 方法，但这一方法，须在微波暗室中进行，并要利用专门的微波天线测量设备 采用微波暗室的环境条件，通过精密可控微波信号源测量天线接收信号的强度分 布来确定天线电气中心，计算天线相位中心偏差此方法需要的测定条件成本很 高，一般仅国家实验室和天线制造厂家才具备检验较为复杂，尚难以普遍采用 l l l 】。 7 桂林工学一院硕士学位论文 2 3 2 相对定位法 基线测量相对测定法。也称旋转天线测定法，是目前应用较为普遍的方法。 检验工作须在超短基线网上进行，以便尽可能地消除卫星轨道误差，大气折射 误差和多路径效应等因素的影响。这一方法的基本工作过程是，将g p s 接收机 天线分别精确地安置在基线网的端点上，并将天线的定向标志指向正北。观测 一个时段( 1 小时2 小时) 后，固定一个天线不动，将其余天线依次同向旋转9 0 。、1 8 0 。和2 7 0 。，再分别各观测一个时段。最后再将固定不动的天线，相对 其余任意天线，依次同向旋转9 0 。、1 8 。和2 7 0 。，并再分别观测一个时段。一 根据以上观测数据，利用相对定位原理，求解各时段的基线值，其互差一般规 定不应超过g p s 接收机标称固定误差的二倍1 1 1 2 4g p s 接收机在各长度基线上的精度指标检测 根据全球定位系统( g p s ) 接收机( 测地型和导航型) 校准规范，各类 基线长度的分类如下表所示： 表2 1 基线长分类啪 基线长度分类长度范围( d ) 超短基线2 0 0 m m 2 4 m 短基线2 4 m d 2 k i n 中长基线2 k m d 3 0 k m 长基线3 0 k m d 、 5 0 0 k i n 2 4 1 短基线直接比较法检验 此项检验在标准检定场上进行正确安置天线，对中误差小于l m m ，天线 标志指向正北，天线高量至l m m ，两台或多台仪器同步观测，观测时间按不同 测量模式而定试测结果与基线标准长度的较差应小于仪器的标称中误差盯。 仪器的标称中误差一般表示为 o - 霹- l 聂西 式中：a 为固定误差，m m ；b 为比例误差，p p m ，d 为两点间的距离；k m ( 不足5 0 0 m 按5 0 0 m 计算) 。 8 桂林工学院硕士学位论文 2 4 2 野外检定网上的检验啪 选定若干各不同距离的点构成多边形网，用高精度测距仪测定它们的距离， 作为检定网。在检定网各点上安置g p s 接收机基线观测，并使独立的g p s 边构 成非同步多边形闭合环。 解算所得的结果与相应的边长之差应满足 形2 0 所构成的多边形闭合环的坐标分量闭合差应满足 形蛎j 睨s 3 品 形s 蛎j 式中仃- = f i 丽为观测中误差；意为多边形的边数 不同时段观测得到的重复边的边长和坐标分量的互差应满足 形2 x - 2 0 睨- 3 4 - 2 , , s 3 动 形列易 9 桂林工学院硕士学位论“文 第三章g p s 天线相位中心偏差三维检定研究 3 1 概述 g p s 卫星信号接收天线是g p s 用户设备的重要组成部分。g p s 接收机通过 天线获取卫星信号及相关数据信息。g p s 用于大地测量所获取的基线及三维坐 标矢量是通过基线两端g p s 天线中心之间的坐标矢量加上相应的天线高改正获 得的。 在利用g p s 进行精密测量( 包括定位和定时) 时，其测量结果是对应于g p s 天 线相位中心的。而实际的天线相位中心( 天线接收卫星信号的电气中一o ) - 与f 家提 供的位置( 机械几何中心) 并不完全一致，其差值称之为天线相位中心偏差。它还 会随时间而变化对于高精度测量，必须对之进行检测 3 1 1 g p s 卫星天线特性 g p s 卫星天线是g p s 用户设备的重要组成部分，g p s 接收机通过天线获取卫 星信号及相关数据信息，g p s 用于大地测量所获取的基线及三维坐标矢量是通过 基线两端g p s 天线中心之间的坐标矢量加上相应的天线高改正获得的。由于g p s 天线本身的特性，其几何中心与其电学相位中，i f 不致，两者不仅在东、北、高程 3 个方向存在一个固定的偏差，而且随着接收到的g p s 卫星的高度和方位的变化 而变化这种变化有时在高程方向上会带来十几厘米的误差若不考虑加以修 正。必将对测量结果带来影响，尤其是在高精度的g p s 铡置中利用g p s 进行静态 测量，对于用同一种类型的天线进行短基线或超短基线静态测量时，由于基线两 端g p s 天线接收到的卫星数目和信号强度基本一致( 假设没有测站环境干扰) ，基 线两端g p s 天线的电学相位中心随接收到g p s 卫星的变化基本相同，这种情况可 以认为是由于天线相位中，t l , 的变化致使基线有一个小的平移量，但基线长度及相 应的三维坐标分量基本不受影响，因此在解算基线时可以不考虑对天线相位中心 的变化进行改正但用同一种类型的天线进行长距离i 高精度测量时由于基线 两端g p s 天线接收到的卫星不一致，不仅接收到卫星的高度角、方位角可能不同， 而且接收到卫星的数目也可能不同，在这种情况下，解算基线时必须考虑对天线 相位中心的变化进行改正不同类型的天线混合使用进行高精度测量时，也必须 对天线相位中心的变化进行改i e t 切 3 1 2 微带天线相位中心变化模型 l o 桂林工学院硕士学位论文 根据a g e i g r 推导的天线相位中心变化模型，由天线相位的变化而引起的位 置误差为： 6 x ( q ，a ) - ：1 a r j r ( q ， ) ( 3 1 ) 式中： 岔6 r ；一翳6 r q ，a ) f l ( q ) s i n 2q c o s z l s i n 2 qs i 以k a ( 3 2 ) s i n q c o s qi s i n q l q 为天顶角，a 为方位角。 。 目前大部分g p s 接收机为微带天线，根据微带天线的结构，其天线误差为： 6 r ( q ，a ) 一a s i n q c o s ( a a 0 ) 。 ( 3 3 ) 式中4 。为天线方向定向。将此式代入式( 3 。1 ) 可得距离误差为： 6 x 一a o 4 0 s i l l a e 0 o ( 3 4 ) 从式( 3 4 ) 可见由天线相位中心引起的距离误差与星座无关，只与天线方向定 向有关天线相位中心可事先校准，如果相位中心的偏差只出现在x , y 方向上，则 对高程和时间无影响。因此要求天线必须对准同一方向1 1 7 1 3 2 检定原理 3 2 1 水平偏差检定原理 在进行天线相位中心偏差检定时，在天空视野开简、无强电磁场干扰和反射 环境的地势平坦之处，选择一条超短基线，般取l 1 0 m 在基线两端点上安置 g p s 接收机，将天线严格置平，选择p d o p 5 所对应的时间段进行观测相位中 心一般是指平均相位中心，而瞬时相位中心是随时问而变化的为了求得稳定的 平均相位中心，要求有足够长的观测时间，一般一个时段为2 h a 与b 分别是架设于2 个基线点的g p s 天线仉是天线a 的几何中心，d j 是天线b 的几何中心4 是天线a 的相位中心。且是天线b 的相位中心设以 天线几何中心d 为原点，以d 。与天线的指北标志的连线为x 轴( 即x 轴指北) ， 以经过几何中心吮的垂线为z 轴，y 轴与z ，z 轴构成左手坐标系图3 1 实际 桂林工学院硕士学位论文 是俯视图 我们设定天线a 和天线b 的相位中心相对于其几何中心的水平偏差为 p _ ，6 y 。) ，( 6 x s ，6 y 。) ，a b 两点之间的以几何中心为准的基线向量为( 缸，a y ) 当某一天线按等角日顺时针旋转时，满足厅- 3 6 为整数。那么，在天线 第i ( f - o , 1 , 2 ，撑一1 ) 次旋转后，天线的相位中心( p h a s ec e n t e r ) 相对于其几何 中心( g e o m e t r i c c e n t e r ) 的水平分量为： 工j 厂 、。 j f6 x 。 丘 _ i d | 乡3 。 、j 缸 lj? 弋“6 乡。| | ， ) ， 图3 1 相位中心水平检测原理困 雾：咖c o s f i 触o & + - 咖s i n f i o 盼6 y ( f - 蛆分，再一1 ) ( 3 5 ) 则当天线a 固定不动，天线b 按等角口顺时针旋转n - 3 6 0 。两天线相 位中心的水平分量为： 。 接。a 。z - 6 “x x + e o s i 0 6 x a - 咖泐儿o 。o 胁。，万一1 ) ( 3 6 ) l 呶- 缈一6 儿+ s i n i 0 6 y s + c o s i o 巧y a 、一7 。 当天线b 固定不动，天线a 按等角日顺时针旋转刀- 3 6 次时，两天线相位 中心间的水平分量为： 鬣：箸未6 y - 瞄s i n 鬣- - t c 咖o s 脚j 0 6 儿y a 伊蚺加d 。乃 i 方，。- i - 缈+ j ，而 ”一7 、7 因此，总共可以进行知一1 次四测，可以得到4 靠一2 个方程式，误差方程式用矩 阵形式表示为： 桂林- 7 学院硕士学位论文 v 。b 6 - ：l ( 3 8 ) 式中， 6 一p ，6 y j ，6 ，6 蜘，a x ，缈f 为未知参数向量； ，一 d x l ，方l ，出2 ，方2 ，d x 2 n - i 砂h - l r 为观测值 向量； v p ，v ，l ，v ，一，v ，y 】r 为观测值改正数向量； 曰【6 l ，b 2 , - - , b 4 r 为设计矩阵，其中6 ，o 一1 ，2 ，4 n 一1 】为列向量： “一1 0c o s i g - s i n i 01 o j ，i p - 2 z + 1 , i - o ，i ， 一1 b 。j 【o 一1 c o s 阳o l 】r ，邬- f - o ， 一l ( 3 9 ) 。o i s i n i o j 口 o r ，当咿- 2 , - c o s j o s i n 101 2 n + 2 j 一1 ，- o ，1 ，n 一1 i - s i n ，口- c o s j o 0101 】7 ，! p - 2 n + 2 ，- o ，l ，n 一1 根据最小二乘原理，求解方程，可得： 6 - 7 p b ) 4 8 7 p ( 3 1 0 ) 式中，p 为观测值的单位权阵。 单位权中误差为： 土黑(311)mo - 土、石j ( 3 在野外进行g p s 接收机天线相位中心偏差水平分量检验时，有两种情况是常用 的，即0 9 0 。和0 - 4 5 。在实际作业时，这两种情况容易掌握和操作，同时也 有足够多的多余观测值解算出天线水平偏差【q 3 2 2 垂直偏差检定原理 为了检测天线相位中心在垂直方向上的偏差，我们采用。高差比较法”，其基 本原理如图3 2 所示