文档介绍：第 30 卷第 4 期天文学进展 Vol. 30, No. 4
2012 年 11 月 PROGRESS IN ASTRONOMY Nov., 2012
文章编号: 1000-8349(2012)04-501-17
GNSS 天天天线线线相相相位位位中中中心心心偏偏偏差差差与与与变变变化化化精精精确确确标标标定定定
方方方法法法研研研究究究
李晓波 1,2,王小亚 2,任金卫 1
( 1. 中国地震局地震预测研究所,北京 100036; 2. 中国科学院上海天文台,上海 200030 )
摘要:综述了地面上天线相位中心偏差的标定方法和天线相位中心变化的归算方法及其优缺点,
并研究了 GNSS 在轨卫星天线相位中心改正的估算策略,探讨了 LEO GPS 卫星天线相位中心
变化的在轨标定,有利于我国导航系统天线相位中心偏差和变化的标定研究。
关键词:GNSS;标定;天线相位中心偏差;天线相位中心变化;LEO
中中中图图图分分分类类类号号号:::P128 文文文献献献标标标识识识码码码:::A
1 引言
在 GNSS 测量应用中,所观测到的伪距或载波相位值都是基于接收机天线相位中心到卫
星天线相位中心之间的距离测量得到,而在 GNSS 数据处理中,卫星的位置或轨道是以卫星
质心为基准, 接收机天线则是以测站基墩参考点 ARP 为基准。由于天线本身的特性,天线相
位中心与卫星质量中心或接收机基墩参考点不一致,在东西、南北及高程方面都存在偏差,
而且会随着高度角和方位角的变化而变化,分别被称为天线相位中心偏差(PCO) 和天线相
位中心变化(PCV)。在高精度 GNSS 应用中,如果不考虑天线相位中心改正,必然会对测量
结果带来影响,其误差有时甚至达到米级。因此,需要对 GNSS 天线相位中心的偏差和变化
做完整的标定研究,把天线相位中心改正精度提高到毫米级才能满足高精度用户的需求。
通常,不同类型天线的相位中心偏差和变化模型不一样。随着不同类型的 GNSS 天线混
合使用越来越广,尤其是在参考基准网及实时动态差分应用中,需要对不同类型天线的相位
中心分别进行标定。本文针对目前较常用的 GNSS 天线相位中心偏差标定方法进行探讨,主
要描述了 4 种对天线相位中心偏差标定的方法;对于 GNSS 天线相位中心变化,主要有实验
室测量和现场标定,本文主要描述了 3 种对天线相位中心变化标定的方法。天线相位中心变
收稿日期: 2012-03-12 ; 修回日期: 2012-06-07
资助项目: 国家自然科学基金(11173048,10873029);上海市空间导航与定位技术重点实验室项目(06DZ22101)
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化的标定要比天线相位中心偏差的标定复杂得多,它不仅随高度角和方位角的变化而变化,
而且还受到其他多种因素的影响,如周围的环境、多路径效应、天线材料、天线罩、天线类型
等,因此,需要不断标定。
对于卫星天线的相位中心,除了要在地面上对其进行初步标定外,发射后,在轨卫星天
线的相位中心还需要进一步校准,才能得到更精确的结果。
2 天线相位中心偏差精确标定方法
GPS 大地测量解算提供了地面上两天线之间基线两端的天线相位中心之间的矢量(即基
线长矢量)。但是,一个天线并没有物理意义上明确的相位中心位置,而是一个天线接收信号
方向的函数。如果不考虑它的变化,那么所测基线就是两天线的平均相位中心矢量。不同的
天线类型,相位中心位置不同;即使相同天线,对于双频接收机来说,每个频率的相位中心
位置也是不同的。所以在基线解算时要分别对 L1、L2,以及无电离层的 LC 组合测量。甚短
基线(一般只有几米) 中,天线的相位中心偏差的影响尤其严重,占主导地位,此时我们可以
只考虑天线的相位中心偏差,而忽略 PCV 影响。天线相位中心偏差的标定相对来说比较简
单,下面分别介绍旋转观测法、天线交换法、完全流动观测法和相对参考天线的双差相位观
测法。
旋转观测法
旋转标定的基础
在一个高精度 GNSS 测量中,利用 GNSS 数据处理软件进行单基线相对定位处理,通过
多次旋转天线提供基线冗余数,如果选择合适的观测策略,就可以进行最小二乘法估算,给
出相位中心偏差 PCO。观测方程可以写成:
v = Ax − b . (1)
其中 A 是系数矩阵,见下面旋转观测法中的方程(3),x 是未知相位中心偏差 PCO 的三维
坐标矢量,b 是观测得到的地面上两天线之间的基线矢量,v 是计算得到的基线与观测得到
的基线的残差矢量,它的解为:
x = (AT PA)−1(AT Pb)