多種GPS天線類型聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究

曹體濤，王 銅，羅 濤，梁 靜，馬 娜，李 琴

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031； 2.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽 110122)

多種GPS天線類型聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法研究

曹體濤1，王 銅2，羅 濤2，梁 靜2，馬 娜2，李 琴3

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031； 2.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽 110122)

GPS接收機(jī)及天線的生產(chǎn)廠商眾多，且沒有明確觀測(cè)時(shí)天線高的量測(cè)方法。在研究Leica和Trimble主流接收機(jī)及天線的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一了天線高的正確獲取方法，分析在LGO、TBC等后處理軟件中如何自定義相應(yīng)的天線類型及正確輸入天線高，并在某GPS基線檢定場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，為多種GPS天線類型聯(lián)合觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理提供理論依據(jù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

GPS接收機(jī)；天線高；相位中心；靜態(tài)后處理；LGO；TBC

在GPS觀測(cè)時(shí)，能否正確量測(cè)天線高直接影響基線的解算質(zhì)量，而且在GPS測(cè)高應(yīng)用中對(duì)高程的影響重大[1-2]。在使用不同型號(hào)的GPS天線聯(lián)合靜態(tài)觀測(cè)時(shí)，需要對(duì)天線高進(jìn)行統(tǒng)一[3]，并在后處理軟件中針對(duì)每種天線進(jìn)行相應(yīng)的相位中心改正。目前，GPS生產(chǎn)廠商眾多，每種天線造型不一，又沒有明確說明量測(cè)天線高的方法，對(duì)廣大用戶造成困惑。同時(shí)，在使用不同的GPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，其內(nèi)置天線集里面不一定有所需的天線模型，這需要用戶自行建立相應(yīng)的天線相位中心改正參數(shù)，彌補(bǔ)外業(yè)量取天線高的差別。

1 GPS天線高的獲取方法

GPS天線一般有兩個(gè)參考點(diǎn)，即天線電學(xué)相位中心(EPC)和天線參考點(diǎn)(ARP)。天線的電學(xué)相位中心為GPS信號(hào)接收的實(shí)際位置，根據(jù)接收的載波不同分為：L1和L2。電學(xué)相位中心也不是固定不變的，其與衛(wèi)星的高度角、方位角、信號(hào)的強(qiáng)度和站星間的幾何距離有關(guān)，隨著它們的變化而變化[4]，于是又分為平均相位中心和瞬時(shí)相位中心。天線參考點(diǎn)為GPS 天線上能被實(shí)際測(cè)量的物理點(diǎn)，通常位于天線座的底部，即機(jī)械參考面。GPS主流廠商定義的天線高都是指量測(cè)到機(jī)械參考面的高度，因此，外業(yè)觀測(cè)時(shí)的天線高大都量測(cè)到GPS天線的機(jī)械參考面，圖1為L(zhǎng)eica GS15接收機(jī)的機(jī)械參考面。

圖1 Leica GS15接收機(jī)機(jī)械參考面(m)

以Leica GPS接收機(jī)天線高的量測(cè)方法為例。Leica為其GPS接收機(jī)專門設(shè)計(jì)了垂直量高用的卷尺，架設(shè)三角架進(jìn)行量高時(shí)的具體方法如圖2所示，尺子的實(shí)際讀數(shù)為e，垂直偏差為d；此時(shí)，量至機(jī)械參考面時(shí)天線高為e+d，其中d為固定的值，由廠商給出。對(duì)于GS15接收機(jī)標(biāo)配的GRT247螺紋支架，d值為0.2545 m。當(dāng)控制點(diǎn)為強(qiáng)制對(duì)中墩，無法使用專用量高尺進(jìn)行量高時(shí)，可以直接量取控制點(diǎn)至接收機(jī)機(jī)械參考面的高度。

圖2 Leica GS15天線量高

外業(yè)觀測(cè)量取天線高后，內(nèi)業(yè)利用LGO、TBC等后處理軟件處理數(shù)據(jù)時(shí)，天線相位中心高度應(yīng)在所量測(cè)天線高的基礎(chǔ)上加上L1、L2相位垂直偏差及瞬時(shí)相位中心改正[5]，圖2中b，c分別為L(zhǎng)1、L2相位垂直偏差。一般，對(duì)于天線相位中心偏差及瞬時(shí)相位中心改正，可以從GPS生產(chǎn)廠商處獲得，也可從IGS/NGS等組織獲取主流GPS的天線相位垂直偏差數(shù)據(jù)。

2 GPS后處理軟件中自定義天線高

商用GPS后處理軟件常用的一般為L(zhǎng)eica和Trimble公司的產(chǎn)品，因此本文重點(diǎn)針對(duì)LGO和TBC軟件中天線高的自定義方法進(jìn)行介紹。Leica公司的GPS數(shù)據(jù)處理軟件LGO為開放軟件，該軟件具有界面友好、功能齊備等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用較廣。Trimble公司的GPS數(shù)據(jù)處理軟件包括：TGO 1.63、TTC 2.73、TBC 3.3。TGO至1.63版后便不再提供版本的升級(jí)，已不能處理2011年9月14日以后的數(shù)據(jù)，TTC也是從2.73版本后就不再更新。目前，天寶的GPS數(shù)據(jù)處理都是使用其最新的軟件TBC，需要軟件狗支持，只為用戶免費(fèi)提供一個(gè)月試用版軟件(http://www.trimble.com/survey/trimble-business-center_support.aspx)。

由于不同組織對(duì)天線相位中心的標(biāo)定方法不同，給出的天線參數(shù)也不同，本文以IGS/NGS等組織發(fā)布的天線相位中心改正參數(shù)為參考進(jìn)行研究[6]。從2006年11月，IGS/NGS等組織開始從天線相對(duì)相位中心轉(zhuǎn)到絕對(duì)相位中心標(biāo)定[7-8]。目前，最新的天線絕對(duì)相位中心標(biāo)定文件可以從NGS網(wǎng)站上下載(http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/)或者從IGS網(wǎng)站下載所有的天線模型文件igs08.atx(http://acc.igs.org/)。

2.1 LGO中自定義天線高

在LGO軟件中，對(duì)GPS天線的定義主要包括4項(xiàng)改正：垂直偏差、L1相位中心偏差、L2相位中心偏差和附加的瞬時(shí)相位中心改正。因此，在利用LGO進(jìn)行數(shù)據(jù)解算時(shí)，只需輸入測(cè)量點(diǎn)至接收機(jī)機(jī)械參考面的高度，再選擇合適的天線類型，處理時(shí)就會(huì)自動(dòng)加入天線的3個(gè)垂直改正量以及附加改正，最終換算到天線的相位中心。

LGO中默認(rèn)內(nèi)置了Leica所有的天線類型，但對(duì)于其他品牌的GPS天線沒有定義，需要用戶自己確定正確的天線類型。在上文中提出NGS網(wǎng)站上可以查閱各廠商的天線參數(shù)，點(diǎn)擊“Data & Imagery”->“Antenna Calibration Data”，選擇廠商，找到所需的天線型號(hào)，再點(diǎn)擊新版天線文件“ANTEX”，將其中的內(nèi)容復(fù)制并粘貼到后綴名為“.DOME” 的記事本內(nèi)，即完成該天線的自定義。最后，在LGO里右鍵點(diǎn)擊天線，選擇“輸入天線”，導(dǎo)入前面保存好的DOME天線參數(shù)文件即可進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

2.2 TBC中自定義天線高

在TBC軟件中，對(duì)GPS天線的定義主要包括3項(xiàng)改正：天線參考點(diǎn)ARP到天線物理相位中心偏差改正、天線電學(xué)相位中心至物理相位中心的絕對(duì)相位中心改正和瞬時(shí)相位中心隨衛(wèi)星信號(hào)高度角、方位角變化的改正，這3項(xiàng)改正由軟件自己完成。因此，在利用TBC進(jìn)行數(shù)據(jù)解算時(shí)，同樣只需輸入控制點(diǎn)至接收機(jī)機(jī)械參考面的高度，再選擇正確的天線類型及量測(cè)方法，即可換算到天線的相位中心。

TBC中天線類型的定義不像LGO那樣直觀，其天線文件都在軟件的安裝盤，如C:Program FilesCommon FilesTrimbleConfig文件夾中[9]，主要包括Antenna.ini、*.ife、receiver.ini、*.ngs等文件，其中對(duì)天線高的改正文件主要為Antenna.ini、*.ife兩個(gè)文件。其中Antenna.ini文件中主要定義天線參考點(diǎn)ARP到天線物理相位中心的偏差，*.ife文件中主要定義天線電學(xué)相位中心至物理相位中心的絕對(duì)相位中心改正以及瞬時(shí)相位中心改正。receiver.ini文件主要定義了天線相對(duì)應(yīng)的GPS接收機(jī)類型，*.ngs文件為NGS組織先前發(fā)布的相對(duì)相位中心改正。

為了驗(yàn)證TBC中*.ife文件的天線相位中心改正是否與IGS/NGS發(fā)布的一致，以Leica GS15接收機(jī)為例進(jìn)行分析。由于IGS/NGS中的天線相位偏差是從天線參考點(diǎn)起算，而Trimble 軟件是從天線物理相位中心起算[10]，為此在計(jì)算對(duì)比時(shí)*.ife文件中的天線相位改正數(shù)還應(yīng)歸算至天線參考點(diǎn)。Antenna.ini文件中定義的Leica GS15機(jī)械參

考面至物理相位中心的距離為0.223 5 m，*.ife文件中定義L1的相位偏差為-0.0214 m，L2的相位偏差為-0.022 8 m，由此計(jì)算出機(jī)械參考面至L1、L2平均電學(xué)相位中心的距離分別為0.202 1 m和0.200 7 m，與NGS/IGS發(fā)布的絕對(duì)相位中心改正相同。對(duì)于天線瞬時(shí)相位中心隨高度角及方位角的改正，IGS/NGS與Trimble一樣，差別僅僅在于改正量的次序不同。在TBC中已內(nèi)置了大部分GPS廠商的天線類型，而且最新的天線更新文件也可以在其官網(wǎng)下載，因此可以直接選用。

3 多種天線類型聯(lián)合觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理

為了驗(yàn)證GPS天線高的量測(cè)方法以及參數(shù)自定義的正確性，在某強(qiáng)制對(duì)中基線檢定場(chǎng)投入8臺(tái)GPS進(jìn)行測(cè)試研究，其中，4臺(tái)為L(zhǎng)eica GS15一體機(jī)，4臺(tái)為Topcon NET-G3A接收機(jī)及CR-G5天線，標(biāo)稱精度為3 mm+0.5 ppm。在P01至P08點(diǎn)上進(jìn)行連續(xù)10 h的觀測(cè)，其中P01、P03、P06、P07點(diǎn)上架設(shè)Topcon儀器，P02、P04、P06、P08點(diǎn)上架設(shè)Leica儀器，天線高皆量至天線機(jī)械參考面。

在TBC中進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，并與基線場(chǎng)的21條標(biāo)準(zhǔn)基線長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，詳細(xì)見表1。表1中1至9號(hào)基線兩端為同類型的天線，10至21號(hào)基線兩端為不同種類型的天線。可以看出：相位改正對(duì)基線長(zhǎng)度有影響，如果基線兩端為同種天線類型，相位中心的改正對(duì)基線長(zhǎng)度基本無影響，如果基線兩端為不同種天線類型，相位中心改正對(duì)基線長(zhǎng)度影響可以達(dá)到1.2 mm；TBC中有無天線相位中心改正解算基線長(zhǎng)度與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度差值較小，符合儀器的標(biāo)稱精度，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.9 mm和2.0 mm，但是進(jìn)行相位中心改正后解算的結(jié)果更接近標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 多種天線類型聯(lián)合觀測(cè)基線長(zhǎng)度對(duì)比表

4 結(jié) 論

1)本文分析了GPS外業(yè)觀測(cè)時(shí)天線高的量測(cè)方法，解決了在多種型號(hào)GPS天線聯(lián)合觀測(cè)時(shí)如何通過數(shù)據(jù)后處理軟件正確建立相應(yīng)的天線模型及統(tǒng)一解算的方法。

2)通過在某基線檢定場(chǎng)的實(shí)地驗(yàn)證，得出是否進(jìn)行天線相位中心改正對(duì)GPS基線解算的結(jié)果確實(shí)有影響，在進(jìn)行天線相位中心改正后基線解算的結(jié)果更趨于真值。

3)在精密工程測(cè)量中，特別是在多種GPS天線類型聯(lián)合觀測(cè)時(shí)，有必要進(jìn)行天線相位中心的改正。

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[責(zé)任編輯：張德福]

The joint observation and data processing methods of multi-type GPS antenna

CAO Ti-tao1，WANG Tong2，LUO Tao2，LIANG Jing2，MA Na2，LI Qin3

(1.China Railway No.2 Engineering Group Co.Ltd,Chengdu 610031,China;2.Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3. Liaoning College of Communications, Shenyang 110122, China)

In view of the numerous GPS receiver and antenna manufacturers， and no clear definition about how to measure antenna height, the right method of measuring antenna height is unified. And how to customize the corresponding antenna types and correctly input antenna height in the post-processing software of LGO and TBC are analyzed based on a study of the mainstream receiver and antenna of Leica and Trimble. Experimental verification is carried out in a GPS baseline field and provides theoretical basis for combined observation and data processing of multiple GPS antennas, which has high practical values.

GPS receiver; antenna high; phase center; static after treatment;LGO；TBC

2014-01-07

曹體濤(1977-)，男，工程師，碩士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)07-0055-04