不同载波组合下GPS接收机天线相位中心一致性分析

2016-01-12商华艳,于志善,李维军等

全球定位系统 2015年5期

关键词：影响

商华艳,于志善,李维军,彭婷婷

(山东省计量科学研究院,济南 250014)

摘要：利用相对定位法对不同型号接收机的天线相位中心一致性进行检测,并采用不同商业软件使用不同观测组合对数据进行了详尽处理。结果表明:不同观测组合下的天线相位中心一致性不同,这种差异最大可达数毫米。本文目的旨在分析不同观测组合对天线相位中心一致性的影响,探讨其影响规律,为计量检定人员科学地评价天线相位中心一致性提供参考。

关键词：天线相位中心;载波组合;影响

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.018

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0095-04

收稿日期：2015-05-29

作者简介

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接收机天线相位中心是指微波天线的电气中心,其理论位置应与天线几何中心一致。但实际上天线的相位中心位置会随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,即相位中心的瞬时位置与几何中心位置是不同的,这种偏差的影响可达数毫米至数厘米,这将对高精度GPS测量产生很大影响[1]。所以适时地检验接收机的性能,是确保导航定位成果精度的重要方面。

在JJF 1118-2004《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》(以下简称规范)里明确规定了测地型GPS接收机天线相位中心一致性的校准过程。观测数据的后处理是校准过程的重要方面,但规范中没有规定数据后处理的方法。在实际工作中发现,使用厂家提供的数据后处理软件采用不同观测组合对观测数据进行处理时得到的天线相位中心一致性不同,这种差异有时可达数毫米。本文旨在通过分析不同观测组合对天线相位中心一致性测量结果的影响,来探讨其影响规律,为计量检定人员科学地评价天线相位中心一致性提供参考。

1天线相位中心一致性的校准方法和过程

1.1　天线相位中心一致性的校准方法

GPS接收机天线相位中心一致性是指接收机天线在不同方位下测定同一基线的变化值[2]。目前常用的检定方法有微波暗室法、交换天线法和相对定位法,这三种方法各有优缺点[3-4]:

1) 微波暗室法必须在专门的微波暗室里进行,所需的检测设备复杂、昂贵,操作技术高,一般仅国家实验室和天线制造厂家才具备。

2) 交换天线法不适合接收机主机和天线一体的接收机。

3) 相对定位法所需设备简单,一般为具有强制对中且稳定的观测墩。具体操作过程简单,适合野外检测,目前该方法已广泛应用于检测各种大地测量型GPS接收机。

1.2　天线相位中心一致性的校准过程

规范采用了相对定位法校准接收机天线相位中心一致性,并详细规定了该方法的校准步骤[2]:在超短基线或短基线上先将GPS接收机天线按GB/18314要求正确安置,按统一约定的方向指向北,观测一个时段。然后固定一个接收机或天线,其余接收机或天线依次转动90°、180°、270°,各观测一个时段。分别求出各时段基线向量,求得最大值与最小值之差,作为天线相位中心一致性,其应小于GPS接收机的标称固定标准差。

联系人：商华艳 E-mail: 18678786351@163.com

2观测组合及实例分析

2.1　观测组合

目前GPS定位最精确的观测方法是载波相位测量,它通过测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差求解卫星到用户的距离,并根据卫星的轨道位置,确定用户接收机的坐标以实现定位的目的。目前大多数接收机接收的载波信号都加载在L1、L2两个载波频率上。

假设L1、L2载波频率的相位观测值分别为φ1、φ2,则φ1和φ2之间的线性组合形式为[5-6]

φn,m=n·φ1+m·φ2，

(1)

式中,n,m为常数。则组合观测量频率fn,m和波长λn,m分别为

fn,m=n·f1+m·f2，

(2)

(3)

式中,f1、f2和λ1、λ2分别为L1、L2载波的频率和波长。

常见的线性组合有L1、L2组合、宽巷组合LW、窄巷组合LN、消电离层组合、电离层残差组合。

线性组合L1、L2分别是n=1,m=0和n=0,m=1的特殊形式,L1载波频率为1 575.42MHz、波长为19.03cm;L2载波的频率为1 227.60HMz、波长为24.42cm.

当n=1,m=-1时,为宽巷组合LW,其波长为0.86m,且模糊度为整数,电离层延迟及观测值噪声也不大,可以加速模糊度的固定,适用于中长基线的模糊度分解,常用于中长基线的解算。

当n=1,m=1时,为窄巷组合LN,其波长为0.107m,且模糊度也为整数,其电离层影响与宽巷组合的影响大小相等,符号相反,观测值噪声最小,适用于模糊度分解,常用于短基线高精度GPS定位。

消电离层组合消除了一阶电离层影响,但模糊度不再为整数,且观测噪声比L1放大三倍,对中长

基线解算有利,可显著改善中长基线解的精度。

电离层残差组合与接收机至卫星的几何距离无关,消除了诸如轨道误差、接收机钟差、卫星误差和对流层误差,仅包含电离层及双频模糊度实数组合,适用于电离层研究、周跳探测等。

2.2　实例分析

按照规范要求,采用相对定位法计算接收机天线相位中心一致性。在GPS超短基线检定场上,将参考GPS接收机安置在W001号点,方向指向北固定,假设其天线相位中心变化为零。将待检GPS接收机安置在W002号点上,将天线方向指向北观测第一个时段,并依次旋转接收机天线90°、180°、270°,各观测一个时段。采用不同载波组合方案分别求出各观测时段的基线向量,形成基线向量如图1所示。取最大值和最小值之差作为天线相位中心一致性。

Z=Lmax-Lmin，

(4)

式中: Z为天线相位中心一致性; Lmax为4个时段中基线向量最大值; Lmin为4个时段中基线向量最小值。

图1　观测基线向量

分别以南方、中海达、拓普康三个品牌的一体化接收机为例,用相对定位法校准接收机天线相位中心一致性。并分别采用最新版本的南方GNSS后处理软件、中海达HGO数据处理软件、华测CGO数据处理软件以及拓普康Pinnacle中文版处理软件对数据进行处理。鉴于各观测组合的特点,分别使用L1、L2、LN三种线性组合对数据进行处理,高度角和采样间隔分别设置为15°、15″,结果如表1、图2、表2、图3、表3、图4所示。

表1　南方S82接收机在不同观测值线性组合下的天线相位中心一致性(单位:mm)

图2　南方S82接收机在不同观测值线性组合下　　　　　图3　中海达接收机在不同观测值线性组合下的天线相位中心一致性的天线相位中心一致性

仪器型号/编号不同观测值线性组合下的天线相位中心一致性(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　拓普康接收机在不同观测值线性组合下的天线相位中心一致性(单位:mm)

图4　拓普康接收机在不同观测值线性组合下的天线相位中心一致性

通过对以上解算结果对比分析,可得出以下结论:

1) 不同载波组合下的天线相位中心一致性不同,这种差异最大可达7.4 mm(如表2编号为4的接收机)。

2) 接收机天线相位中心一致性最大可达7.5 mm(如表2编号为2的接收机),这对GPS高精度测量的影响是不容忽视的。

3结束语

本文利用相对定位法对天线相位中心一致性进行了检测,并采用不同观测组合对数据进行了处理。实例中天线相位中心一致性的结果表明检定人员在对GPS接收机天线相位中心一致性下结论的时候,不能仅以一种组合解算的结果为准。由于规范中只明确规定了GPS接收机天线相位中心一致性的校准方法和过程,对数据处理没有详细说明,作者也希望本文的研究结果能对进一步完善规范内容起到一些参考作用。

参考文献

[1] 高伟,晏磊，徐绍铨，等.GPS天线相位中心偏差对GPS高程的影响及改正研究[J].仪器仪表学报,2007,28(9)：52-58.

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[3] 陈桂珍.GPS接收机天线相位中心偏差检测技术研究院[D].长沙:中南大学,2006.

[4] 周志春,邓向瑞,金挺.GPS接收机天线相位中心一致性差异分析研究[C].//2009年全国测绘仪器综合学术年会论文集,2009.

[5] 李和旺,任超,吴伟.不同载波观测值线性组合对GPS基线解算的影响[J].城市勘测，2011(5)：87-88.

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[7] 黄功文,王小瑞,党引群,等.GNSS接收机天线相位中心改正对高精度定位影响[J].全球定位系统.2014，39(2)：49-54.

[8] 李晓波,王小亚,任金卫.GNSS天线相位中心偏差与变化精确标定方法研究[J].天文学进展.2012，30(4)：501-518.

商华艳(1987-),女,硕士,工程师,主要从事测绘仪器检测工作。

于志善(1968-),男,工程师,主要从事测绘仪器检测工作。

李维军(1987-),男,工程师,主要从事测绘仪器检测工作。