天線相位中心改正模型對江西省GPS基準站基線解算的影響

張勝凱，左耀文，孔 建，鄂棟臣

（武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北 武漢430079）

天線相位中心改正模型對江西省GPS基準站基線解算的影響

張勝凱，左耀文，孔 建，鄂棟臣

（武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北 武漢430079）

江西是我國較早建成省級CORS的省份，江西省GPS基準站網監(jiān)測系統(tǒng)（JXCORS）廣泛運用在江西省測繪及其他行業(yè)。數(shù)據(jù)處理是JXCORS運行過程中非常關鍵的一步，在處理過程中選取合適的解算策略來得到高精度的解算結果有助于提高JXCORS產品精度。針對天線相位中心誤差對JXCORS數(shù)據(jù)處理的影響進行了實驗，采用TEQC及GAMIT軟件對江西CORS站和周邊IGS站進行數(shù)據(jù)處理，對比分析了相對和絕對天線相位中心改正模型對基線解算的影響。結果表明，在JXCORS數(shù)據(jù)處理中需要考慮天線相位中心誤差，且建議使用絕對相位中心改正模型。

GPS；天線相位中心改正模型；基線解算；JXCORS；GAMIT

江西省GPS基準站網監(jiān)測系統(tǒng)（JXCORS）是一個基于衛(wèi)星導航定位技術、測繪學、氣象學、地理信息系統(tǒng)、計算機技術與現(xiàn)代通訊技術等有機結合的綜合系統(tǒng)［1］，它由62個GNSS連續(xù)運行參考站、數(shù)據(jù)處理與控制中心（測繪數(shù)據(jù)中心、氣象數(shù)據(jù)中心）、數(shù)據(jù)通訊線路和流動站用戶四部分組成［2］，是具有高精度、高時空分辨率、高效率和高覆蓋率的全球導航定位綜合服務系統(tǒng)［3］。

JXCORS可以根據(jù)用戶需求和應用領域提供不同精度不同類別的數(shù)據(jù)產品，隨著社會需求的不斷發(fā)展，有些領域對精度的要求越來越高，如地面沉降監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、板塊運動等，如何得到更高精度的數(shù)據(jù)產品具有重要的意義。數(shù)據(jù)處理是JXCORS運行的一個重要部分，處理結果的精度會直接影響影響數(shù)據(jù)產品的精度，因此合適的處理策略選取在JXCORS的數(shù)據(jù)處理過程中是十分重要的。

在高精度的GPS測量中，很多因素會影響GPS基線解算，包括衛(wèi)星星歷誤差、鐘誤差、電離層延遲和對流程延遲等［4］，天線相位中心的誤差也是GPS定位的一個重要誤差源，對高程分量的影響尤為嚴重［5］。天線相位中心的誤差包括天線相位中心偏差（phase center offset，PCO）和天線相位中心變化（phase center variation，PCV）。天線相位中心偏差指天線的平均相位中心（天線瞬時相位中心的平均值）與天線參考點（ARP）之間的偏差，對于某一天線而言，PCO可看作一個固定的偏差向量；天線相位中心變化指天線的瞬時相位中心與平均相位中心的差值，PCV會隨著信號的方位角及天頂距的變化而變化［6］。在GPS定位中，通常采用模型對天線相位中心的偏差和變化進行修正，模型對相位中心的偏差和變化的修正結果會很大程度上影響GPS解算精度［7］。文章將通過GPS數(shù)據(jù)處理實驗來研究天線相位中心改正模型對JXCORS數(shù)據(jù)處理的影響。

1 天線相位中心改正模型

1.1 相對天線相位中心改正模型

IGS從1998年開始使用相對天線相位中心改正模型——IGS_01，該模型假定參考天線AOAD/M-T無天線相位中心變化且已知其天線相位中心偏差，通過短基線測量得到其他天線類型的天線相位中心偏差。實際上參考天線的天線相位中心變化并不為0，且難以估計10°高度角以下的PCV，天線發(fā)生旋轉或者傾斜時，模型的精度很難得到保證［8］。

1.2 絕對天線相位中心改正模型

IGS從2006年11月5日開始使用絕對相位中心模型——IGS_05，該模型在考慮天線相位中心偏差的同時也考慮了天線相位中心變化［9］。絕對天線相位中心模型充分考慮了衛(wèi)星端與接收機端PCV隨高度角和方位角的變化，且能計算出高度角小于10°時接收機天線的PCV。該模型給出了所有類型的接收機天線的PCV值，且消除了大部分多路徑影響。

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；△φ（α，z）為方向總的天線相位中心改正量；△r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矩陣；△φ′（α，z）為天線相位中心變化的改正值。

圖1 JXCORS站及IGS站點分布Fig.1 The distributions of JXCORS and IGS sites

2 實驗設計

JXCORS是集新的GPS技術、網絡通訊技術，高集成的現(xiàn)代化空間數(shù)據(jù)為一體的基礎設施，它的建成和使用使江西測繪踏入了新的時代，同時擴大測繪技術的使用面使其更好地為提升全省國民經濟而服務。實驗選取江西CORS站JXJA以及周邊兩個IGS站（HKSL，WUHN）2015年10月2日—5日4天連續(xù)觀測的數(shù)據(jù)（見圖1），利用TEQC軟件和GAMIT軟件進行數(shù)據(jù)處理。

先使用TEQC軟件對3個站點4天的觀測數(shù)據(jù)進行質量檢核，結果如表1所示。

表1 3個站點質量檢核結果Tab.1 Quality inspection results of three sites

數(shù)據(jù)利用率最低為85%，使用率高；多路徑誤差均值在0.30～0.40 m；信噪比在30～40間；周跳比均大于500，最小值563，說明所有數(shù)據(jù)均質量良好。然后將所有的觀測文件按4個小時進行切割，如10月2號觀測文件jxja2750.15o，使用軟件TEQC對其進行切割得到6個觀測文件，每個觀測文件觀測時長為4小時，依次命名為jxja2751.15o，jxja2752.15o…jxja2756.15o。同一觀測時段的觀測文件作為一組進行數(shù)據(jù)處理，共有24組數(shù)據(jù)，按時間先后順序分別計為解算時段2751，2752…2756，2761，2762…2786。

實驗采用高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK10.5，為了比較天線相位中心模型對JXCORS基線處理的影響，在使用GAMIT軟件進行計算時設計了3種方案。方案一:選擇絕對天線相位中心模型改正（AZEL）；方案二:選擇相對天線相位中心模型改正（ELEV）；方案三:不選擇相位中心模型改正（NONE）。處理策略中其他參數(shù)設置均相同，包括將兩個IGS站設為固定站，站坐標約束為0.050，0.050，0.050 m，JXCORS站點JXJA設為非固定站，站坐標約束為100.0，100.0，100.0 m；采用ITRF2008參考框架；空間慣性參考系用J2000；截止高度角設為15°；采用SP3精密星歷；對流層誤差采用分段參數(shù)估計，初始值采用標準大氣參數(shù)用Saastamonien模型改正；電離層模型用消除電離層的LC－AUTCLN觀測量；衛(wèi)星鐘差的模型改正用廣播星歷中的鐘差參數(shù)；接收機鐘差的模型改正用根據(jù)偽距觀測值計算出的鐘差，并考慮了固體潮、海潮、和極移等影響。

3 實驗結果及分析

每種實驗方案都得到24組解算結果，每組解算結果包含著3條基線的結果，使用GAMIT解算的每一組結果RMS均滿足要求。表2給出了每條基線解算得到的24組結果精度均值，包括N、E、U 3個方向。

3條基線計算結果隨觀測時間的變化見圖2～圖4。

表2 3條基線解算結果Tab.2 Solutions results of 3 baselines

從表2及下圖2～圖4可以看出，在N，E，U 3個方向上，方案三的誤差明顯高于方案一和方案二，可以達到5～6 mm，對于部分時段達到cm量級，說明使用JXCORS的數(shù)據(jù)進行高精度GPS數(shù)據(jù)處理時，必須考慮天線相位中心誤差的影響；在N，E，U 3個方向上，方案一和方案二的結果很接近，從表2中可以看到方案一的精度略高于方案二，說明絕對相位中心改正模型對于天線相位中心誤差的改正要優(yōu)于相對相位中心改正模型；3條基線3種方案對應的N和E方向的精度明顯高于U方向，說明天線相位中心誤差對高程方向的影響較大。在JXCORS進行數(shù)據(jù)處理的過程中，建議使用絕對天線相位中心改正模型。

圖2 基線HKSL_JXJA的解算結果Fig.2 Results of Baseline HKSL_JXJA

圖3 基線HKSL_WUHN的解算結果Fig.3 Results of Baseline HKSL_WUHN

圖4 基線JXJA_WUHN的解算結果Fig.4 Results of Baseline JXJA_WUHN

4 結論

考慮天線相位中心的影響，采用GAMIT軟件對JXCORS進行了數(shù)據(jù)處理，從不同方案的處理結果可以看出天線相位中心誤差對解算結果能造成mm量級的影響，對于某些時段甚至可以達到cm量級的影響，因此高精度數(shù)據(jù)處理時需要采用天線相位中心改正模型進行改正。兩種改正模型之間的差異較小，絕對相位中心改正模型的改正效果略優(yōu)于相對相位中心改正模型，建議使用絕對相位中心改正模型。

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Impact of Antenna Phase Center Correction Model on Baseline Solution in JXCORS

Zhang Shengkai，Zuo Yaowen，Kong Jian，E Dongchen
（Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Jiangxi built up the provincial level CORS in the early time，where JXCORS has been widely used in surveying and mapping and other industries.Data processing is a very important step in the application of JXCORS，and choosing the appropriate solution strategy can help improve the precision of JXCORS.This study，aiming at the impact of antenna phase center error on the data processing in JXCORS，processes GPS data from JXCORS station and two IGS stations by use of soft TEQC and GAMIT，and then analyzes the influence of relative and absolute antenna phase center correction models on baseline solution.The results show the impact of antenna phase center is non-ignorable and absolute antenna phase center correction model is better than relative antenna phase center correction model.

GPS；antenna phase center correction model；baseline solution；JXCORS；GAMIT

P228.4

A

1005-0523（2016）05-0099-05

（責任編輯 王建華）

2016－06－30

國家自然科學基金項目（41176173）；南北極環(huán)境綜合考察及資源潛力評估項目（CHINARE2016）

張勝凱（1977—），男，副教授，博士，研究方向為大地測量學。