不同載波組合下GPS接收機天線相位中心一致性分析

不同載波組合下GPS接收機天線相位中心一致性分析

商華艷,于志善,李維軍,彭婷婷

(山東省計量科學(xué)研究院,濟南 250014)

摘要：利用相對定位法對不同型號接收機的天線相位中心一致性進行檢測,并采用不同商業(yè)軟件使用不同觀測組合對數(shù)據(jù)進行了詳盡處理。結(jié)果表明:不同觀測組合下的天線相位中心一致性不同,這種差異最大可達數(shù)毫米。本文目的旨在分析不同觀測組合對天線相位中心一致性的影響,探討其影響規(guī)律,為計量檢定人員科學(xué)地評價天線相位中心一致性提供參考。

關(guān)鍵詞：天線相位中心;載波組合;影響

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.018

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0095-04

收稿日期：2015-05-29

作者簡介

Abstract:Relative positioning method have been used to test antenna phasic center consistency of different types of receivers, and using different combination of observations to undertake the observation data detail processing by different commercial software. The results show that antenna phasic center consistency is different under different combination of observations, and the difference is up to several millimeters. The purpose of this paper is to analyze the influence of different combination of observations on the antenna phase center consistency, to explore its effects, and to provide reference for the measuring staff to evaluate the antenna phasic center consistency scientifically.

0引言

GPS接收機天線相位中心是指微波天線的電氣中心,其理論位置應(yīng)與天線幾何中心一致。但實際上天線的相位中心位置會隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化,即相位中心的瞬時位置與幾何中心位置是不同的,這種偏差的影響可達數(shù)毫米至數(shù)厘米,這將對高精度GPS測量產(chǎn)生很大影響[1]。所以適時地檢驗接收機的性能,是確保導(dǎo)航定位成果精度的重要方面。

在JJF 1118-2004《全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(測地型和導(dǎo)航型)校準規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)里明確規(guī)定了測地型GPS接收機天線相位中心一致性的校準過程。觀測數(shù)據(jù)的后處理是校準過程的重要方面,但規(guī)范中沒有規(guī)定數(shù)據(jù)后處理的方法。在實際工作中發(fā)現(xiàn),使用廠家提供的數(shù)據(jù)后處理軟件采用不同觀測組合對觀測數(shù)據(jù)進行處理時得到的天線相位中心一致性不同,這種差異有時可達數(shù)毫米。本文旨在通過分析不同觀測組合對天線相位中心一致性測量結(jié)果的影響,來探討其影響規(guī)律,為計量檢定人員科學(xué)地評價天線相位中心一致性提供參考。

1天線相位中心一致性的校準方法和過程

1.1　天線相位中心一致性的校準方法

GPS接收機天線相位中心一致性是指接收機天線在不同方位下測定同一基線的變化值[2]。目前常用的檢定方法有微波暗室法、交換天線法和相對定位法,這三種方法各有優(yōu)缺點[3-4]:

1) 微波暗室法必須在專門的微波暗室里進行,所需的檢測設(shè)備復(fù)雜、昂貴,操作技術(shù)高,一般僅國家實驗室和天線制造廠家才具備。

2) 交換天線法不適合接收機主機和天線一體的接收機。

3) 相對定位法所需設(shè)備簡單,一般為具有強制對中且穩(wěn)定的觀測墩。具體操作過程簡單,適合野外檢測,目前該方法已廣泛應(yīng)用于檢測各種大地測量型GPS接收機。

1.2　天線相位中心一致性的校準過程

規(guī)范采用了相對定位法校準接收機天線相位中心一致性,并詳細規(guī)定了該方法的校準步驟[2]:在超短基線或短基線上先將GPS接收機天線按GB/18314要求正確安置,按統(tǒng)一約定的方向指向北,觀測一個時段。然后固定一個接收機或天線,其余接收機或天線依次轉(zhuǎn)動90°、180°、270°,各觀測一個時段。分別求出各時段基線向量,求得最大值與最小值之差,作為天線相位中心一致性,其應(yīng)小于GPS接收機的標稱固定標準差。

聯(lián)系人： 商華艷 E-mail: 18678786351@163.com

2觀測組合及實例分析

2.1　觀測組合

目前GPS定位最精確的觀測方法是載波相位測量,它通過測量接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差求解衛(wèi)星到用戶的距離,并根據(jù)衛(wèi)星的軌道位置,確定用戶接收機的坐標以實現(xiàn)定位的目的。目前大多數(shù)接收機接收的載波信號都加載在L1、L2兩個載波頻率上。

假設(shè)L1、L2載波頻率的相位觀測值分別為φ1、φ2,則φ1和φ2之間的線性組合形式為[5-6]

φn,m=n·φ1+m·φ2，

(1)

式中,n,m為常數(shù)。則組合觀測量頻率fn,m和波長λn,m分別為

fn,m=n·f1+m·f2，

(2)

(3)

式中,f1、f2和λ1、λ2分別為L1、L2載波的頻率和波長。

常見的線性組合有L1、L2組合、寬巷組合LW、窄巷組合LN、消電離層組合、電離層殘差組合。

線性組合L1、L2分別是n=1,m=0和n=0,m=1的特殊形式,L1載波頻率為1 575.42MHz、波長為19.03cm;L2載波的頻率為1 227.60HMz、波長為24.42cm.

當n=1,m=-1時,為寬巷組合LW,其波長為0.86m,且模糊度為整數(shù),電離層延遲及觀測值噪聲也不大,可以加速模糊度的固定,適用于中長基線的模糊度分解,常用于中長基線的解算。

當n=1,m=1時,為窄巷組合LN,其波長為0.107m,且模糊度也為整數(shù),其電離層影響與寬巷組合的影響大小相等,符號相反,觀測值噪聲最小,適用于模糊度分解,常用于短基線高精度GPS定位。

消電離層組合消除了一階電離層影響,但模糊度不再為整數(shù),且觀測噪聲比L1放大三倍,對中長

基線解算有利,可顯著改善中長基線解的精度。

電離層殘差組合與接收機至衛(wèi)星的幾何距離無關(guān),消除了諸如軌道誤差、接收機鐘差、衛(wèi)星誤差和對流層誤差,僅包含電離層及雙頻模糊度實數(shù)組合,適用于電離層研究、周跳探測等。

2.2　實例分析

按照規(guī)范要求,采用相對定位法計算接收機天線相位中心一致性。在GPS超短基線檢定場上,將參考GPS接收機安置在W001號點,方向指向北固定,假設(shè)其天線相位中心變化為零。將待檢GPS接收機安置在W002號點上,將天線方向指向北觀測第一個時段,并依次旋轉(zhuǎn)接收機天線90°、180°、270°,各觀測一個時段。采用不同載波組合方案分別求出各觀測時段的基線向量,形成基線向量如圖1所示。取最大值和最小值之差作為天線相位中心一致性。

Z=Lmax-Lmin，

(4)

式中: Z為天線相位中心一致性; Lmax為4個時段中基線向量最大值; Lmin為4個時段中基線向量最小值。

圖1　觀測基線向量

分別以南方、中海達、拓普康三個品牌的一體化接收機為例,用相對定位法校準接收機天線相位中心一致性。并分別采用最新版本的南方GNSS后處理軟件、中海達HGO數(shù)據(jù)處理軟件、華測CGO數(shù)據(jù)處理軟件以及拓普康Pinnacle中文版處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理。鑒于各觀測組合的特點,分別使用L1、L2、LN三種線性組合對數(shù)據(jù)進行處理,高度角和采樣間隔分別設(shè)置為15°、15″,結(jié)果如表1、圖2、表2、圖3、表3、圖4所示。

表1　南方S82接收機在不同觀測值線性組合下的天線相位中心一致性(單位:mm)

圖2　南方S82接收機在不同觀測值線性組合下　　　　　 圖3　中海達接收機在不同觀測值線性組合下 的天線相位中心一致性 的天線相位中心一致性

儀器型號/編號不同觀測值線性組合下的天線相位中心一致性(Z)L1L2LN110.14.47.5V30212.17.59.732.04.12.5HD-5800411.03.65.652.33.51.9V865.25.64.373.27.61.8A880.94.51.8

表3　拓普康接收機在不同觀測值線性組合下的天線相位中心一致性(單位:mm)

圖4　拓普康接收機在不同觀測值線性組合下 的天線相位中心一致性

通過對以上解算結(jié)果對比分析,可得出以下結(jié)論:

1) 不同載波組合下的天線相位中心一致性不同,這種差異最大可達7.4 mm(如表2編號為4的接收機)。

2) 接收機天線相位中心一致性最大可達7.5 mm(如表2編號為2的接收機),這對GPS高精度測量的影響是不容忽視的。

3結(jié)束語

本文利用相對定位法對天線相位中心一致性進行了檢測,并采用不同觀測組合對數(shù)據(jù)進行了處理。實例中天線相位中心一致性的結(jié)果表明檢定人員在對GPS接收機天線相位中心一致性下結(jié)論的時候,不能僅以一種組合解算的結(jié)果為準。由于規(guī)范中只明確規(guī)定了GPS接收機天線相位中心一致性的校準方法和過程,對數(shù)據(jù)處理沒有詳細說明,作者也希望本文的研究結(jié)果能對進一步完善規(guī)范內(nèi)容起到一些參考作用。

參考文獻

[1] 高偉,晏磊，徐紹銓，等.GPS天線相位中心偏差對GPS高程的影響及改正研究[J].儀器儀表學(xué)報,2007,28(9)：52-58.

[2] 中國地震局地震研究所等.JJF 1118-2004全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(測地型和導(dǎo)航型)校準規(guī)范[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2004.

[3] 陳桂珍.GPS接收機天線相位中心偏差檢測技術(shù)研究院[D].長沙:中南大學(xué),2006.

[4] 周志春,鄧向瑞,金挺.GPS接收機天線相位中心一致性差異分析研究[C].//2009年全國測繪儀器綜合學(xué)術(shù)年會論文集,2009.

[5] 李和旺,任超,吳偉.不同載波觀測值線性組合對GPS基線解算的影響[J].城市勘測，2011(5)：87-88.

[6] 魏子卿,葛茂榮.GPS相對定位的數(shù)學(xué)模型[M].北京:測繪出版社.1998.

[7] 黃功文,王小瑞,黨引群,等.GNSS接收機天線相位中心改正對高精度定位影響[J].全球定位系統(tǒng).2014，39(2)：49-54.

[8] 李曉波,王小亞,任金衛(wèi).GNSS天線相位中心偏差與變化精確標定方法研究[J].天文學(xué)進展.2012，30(4)：501-518.

商華艷(1987-),女,碩士,工程師,主要從事測繪儀器檢測工作。

于志善(1968-),男,工程師,主要從事測繪儀器檢測工作。

李維軍(1987-),男,工程師,主要從事測繪儀器檢測工作。

Analysis on the Consistency of GPS Receiver Antenna Phase

Center Under the Combination of Different Carrier

SHANG Huayan,YU Zhishan,LI Weijun,PENG Tingting

(ShandongInstituteofMetrology,Jinan250014,China)

Key words: Antenna phasic center; carrier combination; influence