顧及天線相位中心改正基線解算技術(shù)的應(yīng)用研究

曹玉明，王 堅，張濟勇

（1.華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京100120;2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州221116）

一、引 言

GPS精密定位技術(shù)，在利用性能良好的接收設(shè)備和模型完善的處理軟件的條件下，可以明顯提高測量精度。核電廠次級平面控制網(wǎng)的邊長較短，而測量精度要求較高，通常采用邊角網(wǎng)測量實施。衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于次級平面控制網(wǎng)測量可以顯著提高作業(yè)效率，為了確保施工測量精度要求，必須將各種因素對基線解算的影響減弱到最小，而GPS接收天線相位中心與其幾何中心的偏差將影響基線解算精度，盡管這種影響是微小的，但對于高精度平面控制網(wǎng)測量而言，必須采取措施予以消除或減弱。

二、天線相位中心改正模型

衛(wèi)星定位測量距離觀測值，是從衛(wèi)星發(fā)射天線瞬時相位中心至接收天線瞬時相位中心的距離，而精密衛(wèi)星軌道產(chǎn)品給出的衛(wèi)星位置是GPS衛(wèi)星的質(zhì)心，與衛(wèi)星天線相位中心存在偏差;接收天線相位中心與其幾何中心也存在偏差，這種偏差稱為天線相位中心偏差。衛(wèi)星天線相位中心隨著衛(wèi)星位置、朝向的改變而變化，接收天線相位中心隨著接收信號的強度和高度角不同而發(fā)生變化，這種變化稱為天線相位中心變化。對于GPS精密定位來說，天線相位中心的偏差和變化難以利用差分方法消除或減弱，通常采用模型進行修正。一般只能合成出理論上的平均相位中心，天線平均相位中心與幾何中心之差稱為天線相位中心偏移(PCO)。天線瞬時相位中心與天線平均相位中心之差稱為天線相位中心的變化(PCV)。

美國國家大地測量局采用相對定位法對GPS天線相位中心的變化進行了多年研究，并測定了多種測量型GPS天線的相位中心相對偏移量和絕對變化量。相對相位中心改正模型假定參考天線的PCV為0，通過短基線測量得到其他天線的PCV。而實際上，參考天線的PCV并不為0，而且難以估計高度角10°以下的天線相位中心變化，當天線旋轉(zhuǎn)或者傾斜時，模型的精度難以保證。

為此，美國國家大地測量局于2006年開始使用絕對相位中心模型替代相對相位中心模型，該模型考慮衛(wèi)星天線相位中心變化，以及接收機天線的方位角、整流罩的影響，受高度角的影響較小。絕對相位中心模型除了考慮接收天線的相位中心改正外，還給出了衛(wèi)星發(fā)射天線的相位中心改正。絕對相位中心模型的先進性在于:①消除參考天線的相位中心影響;②考慮低于10°高度角的相位中心變化;③考慮隨方位角變化的相位中心變化;④ 考慮校準時的多路徑影響;⑤使用真實的GPS信號。

GPS衛(wèi)星相位中心是通過計算十多年的IGS觀測數(shù)據(jù)，并對GFZ和TUM的計算結(jié)果取平均值得到的。改正方法是:衛(wèi)星天線相位中心Z方向偏移改正按照單個衛(wèi)星分類，X、Y方向偏移改正按照同類衛(wèi)星分類;天線相位中心變化改正按照同類衛(wèi)星分類。

絕對天線相位中心改正模型的改正公式為

式中，α為衛(wèi)星信號的方位角;z為GPS接收機的天頂角/衛(wèi)星的天底角;Δφ(α，z)為 α、z方向總的天線相位中心改正量;Δr為平均天線相位中心至天線參考點的距離;e為接收機至衛(wèi)星方向上的一個旋轉(zhuǎn)矩陣;Δφ'(α，z)為天線相位中心變化的改正值。

目前，IGS以5°的間隔給出天線相位中心改正值，因此，對于非格網(wǎng)點上的改正可以采用分段內(nèi)插或者其他算法得到。

三、GNSS系統(tǒng)接收天線相位中心改正軟件開發(fā)

為了提高核電廠次級平面控制網(wǎng)基線解算精度，基于絕對相位中心模型開發(fā)了GNSS系統(tǒng)接收天線相位中心改正軟件(簡稱GOAPCS軟件)，對GPS載波相位觀測值進行接收天線相位中心改正，輸入文件為RINEX格式的觀測值文件，輸出文件是完成接收天線相位中心改正后的RINEX格式的觀測值文件。顧及天線相位中心改正的基線解算流程見圖1。

圖1 顧及天線相位中心改正的基線解算流程圖

GOAPCS軟件采用的是 GAMIT/GLOBK Release10.4版本的接收機和衛(wèi)星天線相位中心改正模型，可改正250種接收機、263種天線類型的接收天線相位中心偏差。若用戶測定了天線的絕對相位中心改正模型，并按要求的命名方式和格式存儲后，即可對該天線的觀測值按測試的模型進行改正。GOAPCS軟件適用于廣播星歷和精密星歷。

四、應(yīng)用實例

在某核電廠次級平面控制網(wǎng)選取9個安裝強制對中裝置的控制點，點位分布均勻，使用6臺Trimble R8雙頻接收機觀測兩個時段，基線長度在100～800 m。采用GOAPCS軟件對觀測數(shù)據(jù)進行天線相位中心偏差改正處理，得到改正后的觀測數(shù)據(jù)文件，采用美國天寶公司的TGO軟件進行基線處理和平差計算?；€解算完成后，為了統(tǒng)計天線相位中心改正對基線解算的影響，比對了高精度全站儀測量成果與衛(wèi)星定位測量成果(見表1)。

由于試驗選用設(shè)備的天線相位中心偏差較小，所以天線相位中心改正前后的基線長度差異不大。從表1的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，經(jīng)過天線相位中心改正后的基線成果與高精度全站儀測量成果相比較的邊長相對精度均滿足規(guī)范要求的1/200 000的精度要求。但是，利用衛(wèi)星定位技術(shù)測量的高精度平面控制網(wǎng)的邊長不宜太短，否則，邊長的相對精度很難滿足測量精度要求。

表1 天線相位中心改正對基線解算的影響統(tǒng)計表

五、結(jié)束語

在高精度施工控制網(wǎng)測量中，天線相位中心偏差對基線解算精度影響較大，必須予以改正。本文研究了顧及天線相位中心改正的基線解算技術(shù)，并開發(fā)了GNSS系統(tǒng)接收機天線相位中心改正軟件，通過對某核電廠次級平面GPS控制網(wǎng)實測數(shù)據(jù)的處理，表明經(jīng)過天線相位中心改正后的基線結(jié)果要優(yōu)于未加天線相位中心改正的基線結(jié)果，可以滿足相關(guān)測量規(guī)范規(guī)定的測量精度要求。

略)