不同類型GPS接收機天線觀測結果分析①

王小瑞，程傳錄

（國家測繪局大地測量數(shù)據(jù)處理中心，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著GPS定位精度的提高和技術的完善，GPS技術已成為大地坐標系統(tǒng)建立與維護；及基礎地理信息獲取與更新的主要技術手段。國內外GPS測量儀器種類不斷增加，目前有TRIMBLE、LEICA、TOPCON、ASHTECH、NOVATEL、THALES、SOKKIA、南方、中海達、華測及合眾思壯等GPS測量儀器，GPS測量儀器種類的增加推動了GPS技術的廣泛應用。由于GPS天線相位中心不一致性，造成不同儀器定位結果的差異，針對不同類型GPS儀器和天線進行實驗、計算、分析和比較。

1 天線相位中心及改正模型

無線電天線發(fā)射或接收信號的那一點被稱為天線相位中心，GPS接收機所采集到的觀測值就是相對于這一點的。天線相位中心并非固定不變，而是隨所接收信號的高度角、方位角和信號強度等變化而變化，這被稱為天線相位中心變化（PCV）［1－2]。天線相位中心變化通常為數(shù)個毫米，對于某些類型的天線，可能達到數(shù)厘米。天線相位中心變化對基線解算結果所產(chǎn)生的影響，可以采用模型改正的方法來加以消除［1]。

雖然天線相位中心與信號的高度角、方位角和信號強度都有關，但由于測試成本比較高，因此，現(xiàn)有的改正模型僅考慮了高度角因素。測定相位中心變化的方法是：采用多項式對L1和L2的單殘差進行擬合，得出由于相位中心隨高度角變化而引起的觀測值的變化［1]。利用此方法所確定出的天線相位中心變化被稱為相對的相位中心變化。常用的天線相位中心改正模型由兩部分改正構成：天線平均相位中心位置（也常被稱為天線相位中心偏移［3]，該參數(shù)由天線生產(chǎn)廠商提供）；與信號高度角有關的相位中心變化而引起的載波相位觀測值的改正。

常用的天線相位中心改正模型是由國際全球導航衛(wèi)星服務（IGS）組織所發(fā)布。對于不同的GPS天線，其相位中心改正模型不同。IGS給出了國外主要GPS廠商生產(chǎn)的天線相位中心改正模型，而國產(chǎn)天線的相位中心改正沒有經(jīng)過專門部門的檢測和公布，所以，缺少改正模型。這導致了使用國產(chǎn)天線觀測結果與國外天線觀測結果在垂直方向上存在一定差異。

IGS公 布 的 GPS天 線 TRM39105.00（TRMZEP）的天線相位中心改正模型，該數(shù)據(jù)來自GAMIT軟件的天線相位中心改正模型文件antmod.dat［2]，如圖1所示。前兩行為注釋行，第一行表明：天線高度角改正在0°～90°之間，步長為5°；第二行表明：天線名稱、載波名稱、U方向、N方向、E方向等信息；下面四行為改正模型參數(shù)，第三行表明：L1載波的U、N、E方向的改正量；第四行為高度角0～90°的以5°為步長的相位中心改正。

圖1 天線相位中心改正模型文件

2 不同儀器結果與分析

為了比較分析不同類型GPS接收機天線的性能，使用國外天線：天寶5700（EPHYR GEODETIC、EPHYR）、天寶 R8MODEL 2、天寶 R6、天寶R4、拓普康Hiper Ga和國產(chǎn)天線：南方靈銳S82、達恒LV2、華測X91儀器及對應天線在8個測站點上于2011年1月19、27、28、29日進行了GPS觀測，每天觀測兩個時段，時段長度2.5～3.5小時左右。表1示出了不同天線在不同點位的觀測時段數(shù)。

表1 測站點觀測時段統(tǒng)計（＃代表測站號）

1）數(shù)據(jù)處理方案

數(shù)據(jù)處理采用GAMIT／GLOBK軟件。利用國際GPS服務跟蹤（IGS）精密星歷，估計衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、電離層與對流層延遲、衛(wèi)星和接收機天線相位中心等各種改正［2，3]，以北京房山、西安、鄭州、鹽池4個IGS站為框架點，選擇ITRF97參考框架、2 000.0參考歷元進行數(shù)據(jù)處理。

主要參數(shù)設置：

衛(wèi)星軌道：IGS精密星歷，且固定；

衛(wèi)星截至高度角：10°；

數(shù)據(jù)采樣間隔：15s；

對流層改正模型：采用Saastamoinen模型進行標準氣象改正［2]；

觀測值：采用消除電離層后的組合觀測值［2]；

坐標約束：GPS連續(xù)運行參考站水平方向給予5cm、垂直方向給予10cm的約束，其它GPS站給予10m的約束；

數(shù)據(jù)解算模式：周跳自動修復技術［2]。

2）不同類型GPS接收機天線觀測結果精度統(tǒng)計

按照以上處理方案，對各種天線觀測數(shù)據(jù)進行處理。對同一天線在同一點位的多時段解進行綜合平差，得到平差之后的點位坐標及其點位精度。如表2所示。（平差過程和文件配置參照參考文獻［4]）。

表2 不同天線觀測結果精度統(tǒng)計

由表2可知，使用不同類型GPS接收機天線進行觀測，對觀測結果精度影響不明顯，測站點平面精度較好，高程精度較弱。

3）同類型GPS接收機天線觀測結果比較

為了便于分析，首先選擇國外的天線的觀測結果作為基準進行比較。由于天寶R8MODEl 2和天寶5700EPHYR兩種儀器上站次數(shù)較多，其天線相位中心改正模型完善，以這兩種儀器結果為基準，其它天線在同一點位的觀測結果分別與這兩種天線的觀測結果在N、E、U三個分量上比較，其差異結果如表3、表4所示。

由表3和表4可知，不同類型GPS接收機天線觀測結果平面差異較小，高程差異較大；國外天線在U方向差異較小，基本都在2cm之內；國內天線在U方向上與該兩種天線差異較大，基本都在4cm以上。

表3 不同天線觀測結果與‘天寶R8MODEl 2’比較

表4 不同天線觀測結果與‘天寶5700EPHYR’比較

國內外儀器在U方向差異的主要原因是由于國產(chǎn)GPS天線沒有相位中心改正模型，在數(shù)據(jù)處理過程中，我國儀器沒有附加天線相位中心改正，這種相位中心的改正的缺失就在U方向上體現(xiàn)出差異。所以，影響高程差異的主要原因是不同GPS的接收機天線相位中心改正模型不同。

為了進一步比較各種天線之間的觀測差異情況，對各個不同天線在同一點位的結果進行了比較，由于數(shù)據(jù)量太多，在此不再贅述。其差異情況與以上比較的結果趨勢相同，國外天線在高程方向的差異較小，國產(chǎn)天線與國外天線的差異較大。

3 結 論

通過以上比較分析，可得知：

1）使用不同的GPS接收機天線進行觀測，對觀測結果精度影響不明顯，平面精度比高程精度稍好；

2）不同GPS接收機天線觀測結果，平面差異較小，高程差異較大，影響高程差異的主要原因是不同的GPS接收機天線相位中心改正模型不同；

3）國產(chǎn)GPS接收機天線相位中心改正模型目前還沒有，在數(shù)據(jù)處理時無法進行改正。

4）為了避免不同GPS接收機天線對觀測結果高程方向的影響，在同一個網(wǎng)中最好使用相同的GPS接收機天線進行觀測，這樣可以消除天線相位中心改正的影響。

［1]李征航 黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理［M].武漢；武漢大學出版社，2005.

［2]HERRING T A，KING R W，MCCLUSKY S C.Documentation for the GAMIT GPS analysis software［M].Department of Earth，Atmospheric，and Planetary Sciences Massachussetts Institute of Technology，2006.

［3]ROLF D，URS H，PIERRE F，et al.Bernese GPS software version 5.0［M].Berne：Astronomical Institutes of University of Berne，2007.

［4]MIT.Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program（GLOBK），ver 10.0［R].2000.