GNSS接收机天线相位中心变化相对检测方法

邓科,郝金明,陈逸伦,王鹏旭,杨东森

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,河南 郑州 450001,China; 2 北斗导航应用技术河南省协同创新中心,河南 郑州 450001,China)



GNSS接收机天线相位中心变化相对检测方法

邓科1,2,郝金明1,2,陈逸伦1,2,王鹏旭1,2,杨东森1,2

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,河南 郑州 450001,China; 2 北斗导航应用技术河南省协同创新中心,河南 郑州 450001,China)

在精密定位中,GNSS接收机天线相位中心变化是必须进行改正的影响因素。目前成熟的微波暗室法和自动机器人法,对于一般用户而言,不具备相关实验条件,而野外相对法相对简单、易操作。为此,本文利用相对检测法,对GNSS接收机天线相位中心变化进行检测。实例表明,此方法可获得精度优于±3 mm的检测结果,因此可利用此方法对其他类型天线PCV值进行检测,也可借鉴此方法对北斗接收机天线相位中心变化进行检测。同时论文分析了影响检测精度,提出了有益改进建议。

GNSS;接收机天线;相对检测;相位中心变化

0 引 言

影响GNSS定位精度因素有卫星和接收机钟差、电离层和对流层延迟、卫星和接收机天线相位中心误差等,其中接收机天线相位中心误差影响较小,但在精密定位中必须考虑。接收机天线相位中心误差包括相位中心偏差(PCO)和相位中心变化(PCV)两部分[1]。天线相位中心偏差可通过旋转天线法、交换天线法等方法检测,其检测方法相对简单、易操作,而天线相位中心变化需要利用微波暗室法[2-4]、自动机器人法[5-8]和野外相对法[9-10]等方法检测,其操作流程复杂、不易实现。

对于普通用户而言,不具备微波暗室和自动机器人的实验条件,而野外相对法相对简单且易实现,但其只能获得待测天线相对于参考天线的相对相位中心变化。当参考天线绝对相位中心变化已知时,则可实现待测天线相对相位中线变化到绝对相位中心变化的转化,因此研究GNSS接收机天线相位中心变化相对检测法对于普通用户具有重要意义。

1 接收机天线相对相位中心变化检测原理

相位中心变化相对检测,指待测天线的相位中心变化是相对于参考天线确定的。参考天线与被测天线设置在己知精确坐标的超短基线两端,由于PCV随高度角的变化比较明显,所以通常只解算随高度角变化PCV相对值。

选择PCO已知的GNSS接收机天线,静态观测一段时间,分别对载波相位观测值进行站间单差、星间双差、历元间三差来逐步消除误差影响,剩余残差则只包含随高度角变化的PCV相对值。

以频率L1为例,在观测历元t1,被测天线观测的载波相位观测量为

d1(t1)+di(t1)+pcv1(θi(t1)),

(1)

同一历元观测同一卫星,参考天线相位观测量为

d2(t1)+di(t1)+pcv2(θi(t1)).

(2)

由站间单差可得,

pcv1-2(θi(t1)).

(3)

可知,同一颗卫星的两个接收机之间有关卫星的dTi和di(t1)消除,同时也可以消除电离层项和对流层项影响。相对PCV一般采用四阶多项式来描述:

pcv1-2(θi(t1))=α0+α1(θj(t1))+α2(θj(t1))2+

α3(θj(t1))3+α4(θj(t1))4.

(4)

被测天线和参考天线观测卫星j,可得卫星j的单差观测量

pcv(1-2)(θj(t1)),

(5)

对特定历元t1,在测站间求单差后,再进行星间双差,则可消除两接收机之间的钟偏差,

(θj(t1))]+α2[(θi(t1))2-

(θj(t1))2]+α3[(θi(t1))3-

(θj(t1))3]+α4[(θi(t1))4-

(θj(t1))4].

(6)

对连续历元t2,同样可得站星双差观测量为

(θj(t2))]+α2[(θi(t2))2-

(θj(t2))2]+α3[(θi(t2))3-

(θj(t2))3]+α4[(θi(t2))4-

(θj(t2))4].

(7)

为消除上式中未知整周模糊度,可进行历元间三差

(8)

其中,

[(θi(t1))-(θj(t1))],

(9)

[(θit1)2-(θjt1)2],

(10)

[(θit2)3-(θjt2)3],

(11)

[(θi(t2))4-(θj(t2))4].

(12)

取长时间序列数据,用最小二乘平差来解算参数,式(8)可以表达成

TDN×1=KN×4·α4×1,

(13)

其中:

(14)

(15)

α=(KT·K)(-1)(KT·TD).

(16)

即得PCV相对值拟合参数,从而可获得各高度角PCV相对值。此时,假如参考天线PCV绝对值已知,则可由检测获得的相对值,获得待测天线PCV绝对值。

2 实例分析

2015年12月10日利用IGS已公布PCV绝对值的TRM57970.00天线、LEIAX1202天线各一台和两台TrimbleR7接收机,其中TRM57970.00天线为参考天线,LEIAX1202天线为待测天线。在某楼顶拥有已知坐标的超短基线上,开展GNSS接收机天线相位中心变化相对检测实验。由igs08.atx文件可知,TRM57970.00天线与LEIAX1202类型的相位中心变化绝对值,如图1和图2所示。

由于参考天线PCV绝对值已知,解算实验数据,又可得到两个天线相位中心变化相对值,则可计算出待测LEIAX1202天线各频点PCV绝对值。由检测原理可知,为获得PCV相对值,只需对GPS两颗卫星进行长时间静态观测,即可解算出PCV相对值拟合参数和各高度角PCV相对值。

以G02与G06卫星长时间静态观测解算为例,各频点解算结果,如图3、图4所示。

各频点解算结果与IGS值差值,如图5所示。

由图可知,当高度角低于60°时,各频点解算结果与IGS差值具有较高一致性,差值保持在±1mm之内。当高度角高于60°时,各频点解算结果与IGS差值较大,达到±3mm之内。

由相关学者研究可知,天线PCO和PCV之间是相互制约、高度相关的。实验解算时,采用IGS公布的天线PCO值,而不是采用自测PCO值,一定程度上改善了解算精度。算例中,各频率PCV值解算精度优于±3mm,同时大部分结果优于±1mm,则可认为解算结果可靠,可利用此方法对其他类型天线PCV值进行检测。

同时,随着我国北斗卫星导航系统的快速发展,北斗接收机天线相位中心误差检测也成为不少科研机构和科研组织的研究热点,已有不少学者对其进行研究,获得了不少结论,但目前缺乏组织对北斗接收机天线进行长期检测,同时也未给出类似于igs08.atx文件,用于北斗高精度定位解算中相位中心误差改正,因此今后可利用此方法对北斗接收机天线相位中心偏差进行检测研究。

从算例检测结果可知,当卫星高度角高于60°时,实验解算结果偏低,分析其原有:

1) 卫星静态观测量不充分算例中,G02卫星和G06卫星静态观测,如图6,图7所示。

由上图可知,在静态测量过程中,各卫星高度角高于60°的观测量较少,尤其是G06卫星,因此在数据解算不能提供多余的高高度角观测量,从而一定程度生影响数据解算结果。因此在今后进行相对检测时,应增加静态观测时间,获得较充足的观测量。同时在数据结算时,应尽量选择高度角变化范围较大的卫星,以提高解算精度。

2) PCV相对值拟合函数选取并非最优

算例中,不论是天线PCV绝对值,还是参考天线与待测天线PCV相对值,在解算过程中,均选取的是四阶多项式对其进行拟合,同时利用IGS公布的两类天线PCV绝对值,可获得两类天线PCV相对值,如图8所示,因此对由IGS公布所获得的PCV相对值采用四阶多项式进行拟合,判断四阶多项式是否为最优拟合。

利用四阶多项式对IGS相对值进行拟合,其结果如图9所示。

从图9中可知,各频点四阶多项式的拟合结果十分不理想,多项式拟合结果与IGS公布的检测结果存在较大差异,即可认为四阶多项式拟合并非最优函数。同时从四阶多项式拟合结果可知,卫星高度角较高时,拟合值与IGS相对值的差异较大,尤以L2频点最明显,最大差异值可达±1.5mm,因此四阶多项式拟合函数的选取,一定程度上也影响了高度角较高时的PCV检测精度。最终,通过改变多项式阶数,获得的最优拟合函数为七阶多项式,拟合效果如图10所示。因此,建议今后可采取更加合适的函数模型对PCV相对值进行拟合。

3 结束语

本文研究了GNSS接收机天线相位中心变化相对检测方法; 并基于自编程序,采用实测数据进行了实验验证,实例表明:

1) 文中采用的GNSS接收机天线相位中心变化相对检测法,可获得精度优于±3mm的检测结果,则可认为检测结果可靠,可利用此方法对其他类型天线PCV值进行检测。同时,随着BDS的快速发展,可借鉴此方法对北斗接收机天线相位中心变化进行检测。

2) 从检测结果来看,卫星高度角高于60°时,检测结果差异值比较大,其原因有:

① 卫星静态观测量不充分

静态观测的高度角数据较少,不能提供充足解算信息,因此建议今后应增加静态观测时间,获得充足观测量,同时选择高度角变化范围较大的卫星,从而提高解算精度。

② PCV相对值拟合函数选取并非最优

通过利用四阶多项式,对利用IGS绝对值获得的PCV相对值进行拟合,各频点拟合结果不理想,存在较大差异,因此认为四阶多项式拟合并非最优函数。同时从结果可知,卫星高度角较高时,拟合值与IGS相对值的差异较大,尤以L2频点最明显,最大差异值可达±1.5mm,因此四阶多项式拟合函数的选取,一定程度上也影响了高度角较高的PCV检测精度。建议今后可采取更加合适的函数模型进行拟合,比如实例天线的最优拟合函数为七阶多项式。

[1]ROTHACHREM,SCHAERS,MERVARTL, et-al.DeterminationofantennaphasecentervariationsusingGPSdata[C]//InProceedingsoftheIGSWorkshoponSpecialTopicsandNewDirections,Potsdam,Germany, 1995:15-17.

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[4] 周力,张勇虎,郑彬,等. 天线相位中心暗室标定法远场条件研究[J].微波学报,2007,23(8):45-48.

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[10] 李晓波.GNSS天线相位中心改正模型的建立[D].北京:中国地震局地震预测研究所,2013.

A Study on Antenna Relative Phase Center Variation Calibration for GNSS Receiver

DENG Ke1,2,HAO Jinming1,2,CHEN Yilun1,2, WANG Pengxu1,2,YANG Dongsen1,2

(1.InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450001,China; 2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

In high precise positioning, GNSS receiver antenna phase center variation is an error must be corrected. For normal users, they have no experimental equipment for the calibration technique in anechoic chamber or the filed calibration technique with robot. Compared with above calibration techniques, the relative calibration technique are easy and operability. This paper used this calibration technique to calibrate the GNSS receiver antenna PCV. The results showed that the accuracies of this technique is 3mm, so this technique could be used for calibrating another GNSS receiver antenna and BDS receiver antenna. We analysis the influence factors for detection precision, and present some useful conclusions.

GNSS; receiver antenna; relative calibration; Phase Center Variation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.004

2016-09-09

国家自然科学基金项目(批准号:41604032)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0016-06

邓科 (1991-),男,硕士生,主要从事精密定位、天线相位中心误差检测等方面的研究。

郝金明 (1962-),男,教授,博士生导师,主要从事卫星导航与精密定位方向的研究。

陈逸伦 (1992-),男,硕士,主要从事星载GNSS数据处理方向的研究。

王鹏旭 (1991-),男,硕士,主要从事北斗三频数据处理方向的研究。

杨东森 (1991-),男,硕士,主要从事多频GNSS数据处理方向的研究。

联系人： 邓科 E-mail:dengke1221@163.com