GNSS 接收機(jī)天線相位中心誤差修正方法

蘇國(guó)營(yíng) 韓 勇

（中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180）

GNSS 接收機(jī)天線相位中心是天線的等效輻射中心，但是，絕大部分天線在整個(gè)波束空間不存在唯一的相位中心，相位中心會(huì)隨著信號(hào)輸入的方向和強(qiáng)度不同發(fā)生改變。因此，在分析天線相位中心時(shí)將瞬時(shí)相位中心和平均相位中心分別討論。平均相位中心相對(duì)天線幾何中心的偏差為相位中心偏差（PCO），瞬時(shí)相位中心到平均相位中心的偏差為相位中心變化（PCV）。

一直以來(lái)，研究人員認(rèn)為天線相位中心誤差對(duì)精密測(cè)量的影響不可忽略，通過(guò)修正天線相位中心誤差可以獲取更精準(zhǔn)的空間坐標(biāo)或基線值。幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)GNSS 接收機(jī)天線相位中心誤差進(jìn)行了大量研究，天線相位中心改正模型和測(cè)量方法已相當(dāng)成熟，分為絕對(duì)相位中心測(cè)量和相對(duì)相位中心測(cè)量。絕對(duì)相位中心測(cè)量主要采用自動(dòng)機(jī)器人測(cè)量法，可以同時(shí)測(cè)量相位中心偏差和相位中心變化；德國(guó)Geo++和美國(guó)NGS是該領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)，測(cè)得的天線絕對(duì)相位中心模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型向全球發(fā)布。相對(duì)相位中心測(cè)量最常用的方法是旋轉(zhuǎn)天線法，可以測(cè)量相位中心偏差；該方法容易實(shí)現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范中被廣泛采用。

本文測(cè)試了大量GNSS 接收機(jī)天線，對(duì)天線相位中心誤差的修正方法進(jìn)行了研究。

1 相位中心模型修正的問(wèn)題

1.1 絕對(duì)相位中心模型修正的問(wèn)題

基于自動(dòng)機(jī)器人的天線絕對(duì)相位中心測(cè)量法，技術(shù)難度大，測(cè)量裝置成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)天線絕對(duì)相位中心模型的批量化測(cè)量。目前NGS 官網(wǎng)發(fā)布的絕對(duì)相位中心模型只是針對(duì)天線型號(hào)而非天線個(gè)體，所以在使用絕對(duì)相位中心模型修正時(shí)，實(shí)際上是用該型號(hào)中的某一臺(tái)的參數(shù)修正其他所有天線。但是在生產(chǎn)過(guò)程中天線存在裝配誤差，同型號(hào)天線的相位中心模型也會(huì)有個(gè)體差異。因此，不同型號(hào)的天線組網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，利用絕對(duì)相位中心模型可抑制型號(hào)差異引入的粗大誤差，卻無(wú)法真正精確修正天線個(gè)體的相位中心偏差。

1.2 相對(duì)相位中心修正的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)偏重于相對(duì)相位中心測(cè)量的研究，計(jì)量技術(shù)規(guī)范也大多采用旋轉(zhuǎn)天線法測(cè)量天線的水平相位中心偏差。

JJF 1118-2004《全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》中使用了一種90°旋轉(zhuǎn)法。參考接收機(jī)天線和被測(cè)接收機(jī)天線安置在超短基線或短基線上，天線按統(tǒng)一約定方向指北，觀測(cè)一個(gè)時(shí)段。然后固定參考天線不動(dòng)，被測(cè)天線依次轉(zhuǎn)動(dòng)90°、180°、270°，并分別觀測(cè)一個(gè)時(shí)段。然后解算各時(shí)段基線值，最大值與最小值之差應(yīng)小于被測(cè)天線的標(biāo)稱固定標(biāo)準(zhǔn)差。該方法本身存在問(wèn)題：一是最大值和最小值之差不能表征相位中心偏差，二是最大值與最小值之差最大時(shí)是與2 倍相位中心偏差相當(dāng)，三是結(jié)果是標(biāo)量無(wú)法用于修正。

表1 TPSCR.G5 NONE 型號(hào)天線相位中心偏差（L1 載波）

表2 TRM59900.00 NONE 型號(hào)天線相位中心偏差（L1 載波）

《地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》中使用了一種180°旋轉(zhuǎn)法。測(cè)試時(shí)將兩臺(tái)GNSS 接收機(jī)天線分別安置在超短基線的觀測(cè)墩上，精確整平，參考天線與待測(cè)天線定向標(biāo)志均指向正北。觀測(cè)1 個(gè)完整的全天時(shí)段，然后保持參考天線固定不動(dòng)，將待測(cè)天線水平旋轉(zhuǎn)180°，再觀測(cè)1 個(gè)完整的全天時(shí)段。按頻點(diǎn)處理載波相位觀測(cè)值，分別求出兩個(gè)時(shí)段的短基線矢量，兩個(gè)基線矢量的水平分量之差的1/2，為待測(cè)天線水平相位中心偏差的東西分量和南北分量。技術(shù)規(guī)程要求天線相位中心偏差徑向長(zhǎng)度不得超過(guò)2mm，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型修正后不超過(guò)1 mm。該方法能夠?qū)μ炀€水平相位中心偏差進(jìn)行精確的矢量化描述，但測(cè)試結(jié)果最終只是用于判斷天線合格與否，并未用于天線相位中心誤差的修正。

圖1 L1 載波頻點(diǎn)天線水平相位中心偏差分布圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

使用《地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的180°旋轉(zhuǎn)法，對(duì)TOPCON 和TRIMBLE 的天線進(jìn)行了測(cè)試。其中9 臺(tái)TPSCR.G5 NONE 型號(hào)天線在L1 載波頻點(diǎn)的水平相位中心偏差如表1 所示，9 臺(tái)TRM59900.00 NONE 型號(hào)天線在L1 載波頻點(diǎn)的水平相位中心偏差如表2 所示。其中，ΔN 為水平位中心偏差的南北分量，ΔE 為水平位中心偏差的東西分量。數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型修正后，被測(cè)天線水平相位中心偏差的徑向長(zhǎng)度反而變大了，徑向長(zhǎng)度的分布也更加離散了，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)有起到修正作用。

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，使用180°旋轉(zhuǎn)法測(cè)試60 臺(tái)TPSCR.G5 NONE 型號(hào)天線和39 臺(tái)TRM59900.00 NONE 型號(hào)天線，將兩種天線在L1 載波頻點(diǎn)的水平相位中心偏差繪圖（如圖1 所示），其中紅色圓點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)模型中的相位中心偏差，藍(lán)色圓點(diǎn)為測(cè)量值的平均值。圖像顯示，天線水平相位中心偏差的分布離散程度較高，測(cè)量結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)模型差異較大，說(shuō)明用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型修正所有天線是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

3 結(jié)論

GNSS 接收機(jī)天線水平相位中心偏差的個(gè)體差異較大，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)天線個(gè)體的水平相位中心偏差的修正效果不理想。在高精度測(cè)量場(chǎng)景下，如超短基線地殼形變監(jiān)測(cè)時(shí)，如果使用不同型號(hào)儀器組網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)模型消除粗大誤差，然后使用每臺(tái)天線的相位中心偏差進(jìn)行精確修正；如果使用相同型號(hào)儀器組網(wǎng)，則可直接用每臺(tái)天線的相位中心偏差進(jìn)行修正。