LGO 解算南方静态数据的天线高改正研究

戴伟

(中科芯集成电路有限公司,南京 210000)

0 引言

当前，以全球卫星导航系统(GNSS)、物联网等技术为支撑的智慧城市建设处于高速发展阶段.与城市的连续运行参考系统(CORS)同步观测可为智慧城市建设提供基准数据.江苏省内的CORS 建设所用的接收机基本为徕卡公司接收机，如江苏CORS[1-2](JSCORS)、徐州CORS[3](XZCORS)，虽然苏州北斗地基增强系统采用了天宝接收机[4]，但JSCORS 在苏州也有所覆盖.为了使静态解算易于开展，在观测仪器选型方面，通常采用与基站相同品牌的接收机进行观测，如使用徕卡GS15 等.在解算软件选择方面，控制网解算一般采用相应配套软件进行，徕卡LGO 数据处理软件在解算相应接收机采集的数据时表现非常好，取得了不错的效果.

随着国产仪器的迅速发展，国内南方测绘公司的GNSS 接收机不断成熟完善，由于其成本较徕卡等国外仪器更低，受到了广大用户青睐，在B 级及以下等级控制网观测时经常会被采用，使用南方GNSS 接收机进行静态观测也变得越来越多[5].基准站接收机目前还是徕卡接收机较多，所以经常会遇到使用LGO 解算南方观测数据的情况.很多情况下，LGO预定义天线中并不包含南方测绘仪器所采用的天线，此时LGO 将无法识别南方仪器采用的天线类型，导致解算结果存在不确定误差.基于此，本文对该问题进行了研究，为类似问题的解决提供参考.

1 天线高的测量与确定

在进行静态观测时，需要获取地面标识到瞬时天线相位中心的高度h，即

式中：h1为地面标识到天线参考点APR 的高度；h2为天线参考点到平均相位中心的距离，即天线相位中心偏差(PCO)；h3为平均相位中心到瞬时相位中心的偏差，即天线相位中心变化(PCV).

进行外业观测时，通常只能获取地面标识到天线参考点或者接收机某个刻度线的高度，当内业采用数据处理软件解算时，选择所使用的仪器、天线类型及测高模式后，软件会自动匹配天线垂直方向的改正数以及PCO 和PCV.如使用徕卡GS15 接收机，对应的天线类型为GS15 Tripod Short，外业测高模式为脚架缩短，通常我们只能量测从地面标识到量测点的距离H，如图1 所示.但在LGO 中，会自动匹配该天线的垂直方向的改正数 ΔH，如GS15 Tripod Short 天线的ΔH被设定为0.254 5 m，L1 和L2 方向的垂直偏差分别为0.199 9 m 和0.198 3 m.

图1 徕卡GS15 测高示意图

此外，LGO 软件可查看天线PCV 值，如GS15 Tripod Short 的PCV 如表1 所示.

表1 GS15 Tripod Short 的PCV 表

由表1 可知，L1 和L2 频点的PCV 是不同的，同时，PCV 与方位角和天顶距存在函数关系.由于PCV 随方位角变化很小，而PCV 随天顶距变化比较明显，所以一般天顶距每5°提供一个数值，取值范围是0°～90°.

同样，采用南方测绘公司的仪器(以南方银河6 为例)进行静态观测时，也需要量取仪器高，量取仪器高的目的是为了得到最终的天线高.但南方的仪器测高模式与徕卡不同，图2 为测高示意图.

图2 南方银河6 测高示意图

天线高为天线参考点到地面测量点的垂直距离，南方GNSS 仪器中主要采用杆高、斜高、直高和测片高四种天线高量测方法，静态观测一般采用测片高.当使用南方的自带软件进行解算时，输入测片高h(至测高片的距离)之后，程序会自动将测片高改正到垂直高H，然后再改正到地面标识到参考点的高度h0，并在识别天线之后，进行相应的天线相位中心的改正[6].

2 天线高对静态解算的影响

GNSS 内业数据处理主要包括基线解算、无约束平差和约束平差.数据处理精度控制指标有重复基线较差、同步环闭合差、异步环闭合差、无约束平差基线向量残差和约束平差基线向量残差[7].

2.1 天线高对基线解算的影响分析

通常情况下，最低等级的E 级大地控制网的控制点间距离约为0.2～5 km，天线相位中心偏差 δ 一般约为10 cm.如图3 所示，对于重复基线，当天线高出错时的位置为B1，正常情况为B，A到B1 的距离为S′，A到B的距离为S，由于 δ 相对于S的距离非常小，此时可认为是直角，则有

图3 重复基线示意图

对式(2)求全微分，有：

则根据误差传播定律，得

认为S是不存在误差的情况下，则

可见，天线高对复测基线的影响非常小.

2.2 天线高对环闭合差及网平差的影响

GNSS 的环闭合差包括同步环闭合差和异步环闭合差，当同步环闭合差满足限差的要求时，还不能完全表明组成该同步闭合环的基线均符合要求，当异步环闭合差满足限差的要求时，则表明组成该异步环闭合差的基线满足要求，因此重点检查异步环闭合差.

已知，空间直角坐标和大地坐标有如下关系：

天线高将直接影响天线相位中心到地面标识的距离，必然影响到大地高，为考虑大地高变化对空间直角坐标的影响，对大地高求微分

当天线高出错时，会对空间直角坐标产生影响，从而影响与之同时段的基线，并可能影响异步环闭合差.

2.3 天线高对控制网精度的综合影响

通过上述分析总结可知，当天线高出错时，首先必然引起与之直接相关的大地高的准确性，进而将影响正常高的计算，其次文献[8]通过理论和案例证明，天线高对无约束平差和约束平差结果的坐标影响较小，但对其坐标精度影响较大.同时上文也证明，天线高在基线解算和网平差的过程中，对重复基线较差不会产生明显影响，但是可能会影响到闭合差以及无约束平差和约束平差的精度.

3 LGO 天线高改正方法

南方测绘公司设备采集的静态观测数据的一般存储格式为.sth，想要南方测绘公司设备的观测数据能够在LGO 中解算，首先要将其转换成RINEX标准格式.南方测绘公司的某些接收机可以直接将观测数据输出成RINEX.值得注意的是，在LGO 中导入RINEX 时，要保证文件基本符合RINEX 对于O文件的命名规则，否则无法识别文件.以LGO V8.04为例，该版本的LGO 只能识别RINEX 3.02 及以下版本的数据.

外业观测时，一般采用测高片测高法，如图2 所示，在采用LGO 进行处理时，需先采用式(10)进行测高片结果预处理，在LGO 处理的时候直接作为量测值使用.

式中，R0为测高片宽度，一般为12 cm，具体参数参照购买仪器时的附件参数说明或咨询厂商.

为获得天线参考点APR 距地面标识的高度.还需要加入天线参考点到测高片的高度差h0.

3.1 PCO 改正

天线相位中心瞬时位置是时刻变化的.对于南方测绘公司的接收机所采用的天线，我们可以通过在其观测文件中查看，然后根据相应的天线去查找PCO.如使用某台南方银河6 接收机，根据其O 文件可以确定其天线类型为SG6X-T970A.正常转换得到的O 文件中，接收机及天线信息如表2 所示.

表2 南方银河6 可正常识别的接收机和天线信息

美国国家大地测量局(NGS)提供天线相位中心改正数[9]，可访问网站www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/进行下载，但是并不是所有的天线都会上报NGS 并公布其数据，如SG6X-T970A，目前并没有查到相关的信息.此外，由于转换软件的原因或者接收机本身的原因，部分观测数据的天线信息如表3 所示.

表3 南方银河6 没有正确识别的天线信息

由表3 可知，此接收机的天线没有正确定义或存储，同样无法通过查找天线相位中心改正数来进行改正.

对于大部分接收机，其附件都会带有该接收机天线的垂直偏差改正数[10]，尽管PCO 由N/E/U 三个方向改正数组成，但是水平方向的影响通常较小，在工程控制网中，仅改正PCO 的垂直方向对精度的影响不大.如南方银河6 的接收机下方附带了本机相位中心L1 和L2 垂直方向的偏差分别为127.1 mm 和115.6 mm.当然有的天线NGS 公布的改正数和商家公布的不完全一致，会略有差异，在高等级控制网中应考虑具体采用哪个数值，工程控制网可以选用其一.

3.2 PCV 改正

南方银河6 接收机没有提供PCV 的值，对于能够在NGS 上查到的天线，可以使用其公布的PCV，文献[11]已证明PCV 不影响水平位置的变化而仅会影响到高程方向的结果，且在高等级的GPS 联测数据处理中才予以考虑，工程控制网精度要求相对较低，可不予考虑.所以如果使用的天线相位中心改正数没有发布，可以不进行此项改正.

3.3 LGO 进行天线改正的具体操作流程

图4 为LGO 软件进行天线改正的具体操作流程.

图4 天线改正操作流程

外业按照控制网等级的要求，观测相应的时长和时段后，输出RINEX3.0.2 及以下版本的文件.导入该原始观测数据，查看该观测数据对应的天线，选择属性选项卡，可以修改L1 和L2 方向的PCO，可以只填垂直方向的偏差，改正方式选择高度角和方位角，在附加改正里填写对应方位角的PCV 改正数，如果没有PCV，则改正方式选择无.至此，天线的高度改正就全部完成了.

4 结束语

多品牌接收机共同作业是未来GNSS 控制网观测的必然趋势，使用商业随机软件必然会遇到天线没有定义的情况，而天线高对于高程准确性以及解算过程中精度控制都有重要意义，此类问题的做法是：

1)根据外业测高，计算地面标识到天线参考点的距离；

2)根据观测文件获得天线类型，并查找对应的PCO 和PCV；

3)若是未公布的天线，根据厂家提供的数据获取PCO 的垂直改正数；

4)在LGO 中将相应的数值更新到对应的天线里.