GPS天线绝对相位中心偏移和变化对基线解算的影响

2 0 1 3 年 4月第 4 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 2 1 3 GP S天线绝对相位中心偏移和变化对基线 解算的影响 陈兴 权 浦东新区地名 测绘 管理办公室 上海 2 1 3 5 摘 要 该文首先介绍了天线相位中心偏移和变化的改正原理 以及天线相位中心校正的发展过程 然后通过麻省理工大学研制 的G A M I T基线解算软件里天线相位 中心改正模型研究绝对相位中心偏移和变化对基线解算的影响 最后通过算例分析其影响 并给出高精度 G P S基线解算的建议 关键词 天线相位中心 绝对相位中心 相位中心变化 相位中心偏移 基线解算 G A M I T 中 图分 类号 P 2 0 7 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 o 9 7 7 1 6 2 0 1 3 o 4 0 2 1 3 0 3 0 引言 G P S由于其作业速度快 精度高 布点灵活 可以全天候作业等优点在测量领域中广泛应用 但 G P S 高程精度相对于水平精度约低 2 3 倍 主 要由于对流层 电离层等因素影响 对于高精度 G P S 解算 天线 中心变化 和偏移也是重要影 响因素 尤 其是 不同类 型天线共 同作业时 可能造成 c m级甚 至 1 0 c m的偏差 即使使用相同类型的天线也会 有 0 0 1 5 1 0 的尺度误差 对于水平位置 的影响 由于天 线相位 中心偏差 造成 的误 差也达 m m级 因此 这对于高精度 G P S基线解算中 如地面沉 降 大型桥梁和建筑的施工监测 大坝变形监测 等 需要考虑天线相位中心的影响 l 本文采用 G A M I T基线解算软件内天线相位改 正模块对 G P S天线绝对相位中心偏移 和变化进行 研究 并用实例分析其对基线解算的影响 1 天线相位中心偏移和变化 由于天线本身的特性及机械加工等原因 使 G P S天线相位中心与其几何 中心不重合 为了研 究 的方便 许多文献都将 给定入射方 向下天线 接 收信号的瞬时位置作为此方向的相位中心 并将 其相对于几何中心的位置偏差分为偏移和变化两 部分 相位 中心偏移指 天线平均相位 中心相对 于 几何 中心 的距离 而天线相位 中心变化指天线 瞬 时相位中心到平均相位中心的距离 其变化部分 主要与信号的人 射方 向 强度 以及天线周 围的磁 场强度有关 外业测量时一般测地面标石中心到 天线某个参考物理点的位置 在计算时需要将几 何中心的位置改化到地面标石中心 如图 1 所示 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 1 0 作者简介 陈兴权 1 9 8 2 一 男 江苏人 硕士研究生 助理工程 师 从 事测绘 管理 测 量标志 维护管 理 这些改正在高精度 G P S基线解算 中是必须考虑 的 图 1 GP S接 收机相位 中心示 意图 天线相位 中心校准指 的是测 定天线相位 中心 相对于其几何中心的偏移和变化量 目前天线相 位中心校准主要有三种方法 1 相对相位中心校 准 相对校准首先是由N G S 提出 该技术是在不考 虑参考天线相位中心偏差的影响下 将需校准的 天线 与参考 天线放 在有 固定坐标 的点上通过短 基 线测量来实现的 2 微波暗室校准 微波暗室校准 指在微波暗室的环境条件下 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 3 绝对相位中心校准 该技术是由德 国汉诺威大学 和 G e o 公司 1 9 9 8年提 出的 在 室 外实际观测条件下固定参考天线 利用高精度 自 动机器人通过旋转 倾斜校准天线来获得其绝对 相位 中心改正 目前绝 对相位 中心校准 是最好 的校准 方法 其优势在于 1 天线整个半球的相位中心校准都能覆盖到 2 通过分析程序可以消除校准时多路径效应 的影 响 3 考虑了低于 l 0 高度角的相位变化 4 考虑了随方位角变化的相位中心变化 2 1 4 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 5 在室外环境中使用真实的 G P S 信号进行 校准 I G S C B C e n t r a l B u r e a u 中央局 于 2 0 0 6年 1 O 月正式全面启用绝对相位中心改正模型来取代相 对相位 中心改正模型 新 的天线相位 改正表 a t x 文件 可以在 I G S网站服务器上下载 如图2 所示 图 2 L 1天 线相位 中心 变化分布 图 2 绝对相位 中心改正模型 天 线相 位 中心 改正 在 高精 度 G P S数据 处理 中 可以将天线相位中心偏移 P C O 及变化 P C V 对伪距的影响可以改正到伪距观测值上 也可以 将 P C V改正到伪距上 将 P C O改正到坐标上 本 文利用麻省理工大学 G A M I T 1 0 3 基线解算软件中 最新 的天线相位中心改正模型 2 1 天线相位 中心变化 P C V 改正 接 收机天线绝对相位 中心变化 的改正 G A MI T 是通过双线性二维插值来实现的 并将 P C V改正 到伪距和相位观测值中 8J 算法如下 I d y y y o y l d y y s p d y 卸 卸 d x x 1 I d x 1 x p d x x s t e p x s t e p i 1 1 U l d x d y l u 2 d x 1 U 4 I d x U 3 其中 x y 是插值点的坐标 X O y o 是插值 点所 在格 网左下 角点 的坐标 s te p 却分 别为 x方 向和 Y方 向的格 网步长 U i i l 2 3 4 是插值 点所 在格 网四个 角点 的天线 相位 中心 变化改正值 如 图 3所示 图 3 P C V插值 示意 图 对 于卫 星天线 相位 中心变 化 的改正 G AM I T 是通过线性插值实现的 公式如下 f i n c x l 1 i n c x 一 D B L E i in c D B L E 1 in e 一 D B L E i i n c x 2 t o u t 1 t y l y 2 其 中 是 卫星 瞬时相位 中心 的天顶 角 t n c x 表示 插值 步长 卫 星天线相位 中心变化 的插值 步 长默认为 1 o u t 表示卫 星瞬时天线相 位 中心 变 化值 2 2 天线相位中心偏移 P C O 改正 天线相位中心偏移是固定的值 不同的天线 对应 不同的天线相位偏移改正值 在计算 时可以 调用 A N T E X文 件得到天 线平均 相位 中心相对 于 天线参考点的偏移量 偏移量分北方向 东方向及 垂直方向 在 G A M I T计算中 将 P C O的 N E U三 个量分别改正到地 面标石 中心 L l 天线相位 中心 偏移改正公式如下 假设利用斜高计算 l o f f e t a l h a r p 2 p c 1 h r a w n o r t h of f s e t L l e f 唧 c 1 r 伽L e f 3 of f s e t L 1 叩 r a w u p 2 R 2 a r p 一 2 p c L 1 其 中 a r p 2 p c 1 c l a r p 一 2 p c L l 分别表示天线平均 相位 中心相对 于天线参考点 的 偏移 即 P C O的三个方 向矢量 r a w n o r t h r a w e a s t 分别表示外业 G P S测 量天线参考点相对于标石 中 心水平方向的偏移 如果没有出现偏心测量的情 况 这两项均为 0 r a w u p公式 中表示斜高 在 G A MI T中可 以根据测量 天线高 的方式选择不 同的 计算模型 R为天线 盘半 径 同理 L 2相位 中心偏 移改正公式如下 l o f f s e t L 2 h a r p 2 p c 上2 r a 一 o ff s e t L 2 n z p c 2 r a w e a s t 4 I o ff s e t L 2 x r a w u p 一 R a r p 2 p c L 2 3 算例分析 为 了说 明天线 P C O和 P C V对 G P S基线 解算 的影响 算例 中数据来 自上海 G P S参考站 观测 时 间 为 2 0 0 7 年 第2 9 9 天 天 线 类 型 都 为 AS H7 0 0 93 6 A M 首先 下 面设定 以下两种情况来 分析天线相位中心变化对基线解的影响 1 将 a n t m o d d a t 文件中天线相位中心偏移和 变化全部设为 0 即在没有天线相位中心改正情况 下利用 G A M I T计算基线 2 解算基线时加入最新的天线相位改正 a t x 文 件 即对天线相位 中心偏移和变化都加 以改正 并 且天线相位 中心变化改正随天线 的方位角而变化 情况一与情况二 的比较见表 1所列 2 0 1 3 年 4 月第 4期 城 市道桥与 防洪 科技研究 2 1 5 表 1 G A MI T基线结果情况一与情况二比较表 表 2 G A MI T基线结果情况三与情况二比较表 由表 1 可知 在天线相位偏移和变化都没有 改正的情况下 基线结果 N E U方向向量都有一定 的变化 变化量最大为 1 7 mm 基线长度变化量最 大为 1 2 m m 不过不同的天线类型其天线相位中 心偏移量 以及 变化量是不一样的 因此对基线解 算结果影响也不同 如上分析 了天线相位 改正对基线解算 以及 点位 坐标 的影响 下面情况三对天线相位 中心偏 移进 行改正 分析随方位角变化 的天线相位 中心 变化改正值与不随方位角变化的改正值对基线解 算 的影响 情况三与情况二的 比较见表 2所列 由表 2得 当对 天线相 位 中心偏移改正后 基 线 向量在 N和 E方 向变化几乎没有改变 基 线长 度也几乎没有改变 变化量在亚毫米级 但情况 二 中没有加入 随方位角改变的天线相位 中心变化 改 正值 在 U方向号隋况三相差 0 3 m m左右 4 结语 通 过对天线 相位 中心偏 移 P C O 和天 线绝对 相位中心变化 A P C V 介绍 以及实例论证天线相 位 中心改正 的重要性 得 到如下结论 1 天线相位 中心偏移改正对平 面坐标的影 响 在高精度 G P S 解算中是不可以忽略的 2 I G S C B提出用绝对相位中心改正模型取 代相对相位 中心改正模 型 天线绝对相位 中心变 化改正对基线 u方向改正有影响 但对水平方向 几乎没有影 响 3 在 G P S 监测中使用的接收机最好是选相同 类型的 而且在观测时使接收机指北标志正对北 方 向 不 同类 型的接收机 天线相位 中心偏移 和变 化改正不同 会影响计算结果的精度 4 天线绝对相位中心变化改正在高精度 G P S 监测 特别在高程变化监测 中需要考虑解算 时加 入绝对相位 中心变化改正项 参考文献 1 Ra lf S c h mi d Ma r k u s R o t h a c h e r Da n i e l a T h all e r e t a 1 Ab s o l u t e p h ase c e n t e r c o r r e c t i o ns o f s a t e l l i t e a n d r e c e i v e r a n t e n n a s I mp a c t o n g l o b a l GP S s o l u t i o n s a n d e s t i ma t i o n o f a z i mu t h a l p h ase c e n t e r v a r i a t i o n s o f t h e s a t e l l it e a n t e n n a J GP S S o l u t i o n s 2 0 0 5 9 4 2 8 3 2 9 3 2 B G o r r e s L C a mp b e l l M B e c k e r Ab s o l u t e c al i b r a t i o n o f G P S ant e n n a s l a b o r a t o r y r e s u l t s a n d e o mp a r i s o n wi t h fi e l d and r o b o t t e c h n i q u e s J 1 G P S S o l u t i o n s 2 0 0 6 1 O 2 1 3 6 1 4 5 3 郭金运 徐泮林 曲国庆 G P S 接收机天线相位中心偏差的三维 检 定研究 J J 武汉 大学学报 信息科 学版 2 0 0 3 2 8 4 4 4 8 4 5 1 4 范建 军 王飞雪 G P S接收 机天线 相位 中心变化对 基线解 的影 响 J 宇航 学报 2 0 0 7 2 8 2 2 9 8 3 0 4 5 刘志赵 李征航 G P S接收机天线相位中心与几何中心不重合对 基线解算的影响 J 测绘信息与工程 1 9 9 7 2 1 0 1 3 6 郭际明 史俊波 汪伟 天线相位中心偏移和变化对高精度 G P S 数据处理的影响 J 武汉大学学报信息科学版 2 0 0 7 3 2