GPS接收机天线相位中心的检测方法

报告人：魏锦德日期：2011年11月10日GPS接收机天线相位中心的检测方法关键字：GPS接收机；天线相位中心；检测方法摘要在高精度测量中，GPS接收机天线相位中心偏差是不容忽视的。本文讨论了采用室内测量法和室外测量法，并结合最小二乘原理，来确定天线相位中心在水平和垂直方向上的偏差。通过实例测量结果，做出相应的总结分析。目录研究背景一检测方法二实例计算三总结分析四（一）、研究背景GPS在测量中的应用十分广泛,其作业速度快、精度高、布点灵活、可以全天候作业。通常，我们是根据仪器厂家所提供的天线几何中心和所量测的夭线高，将定位结果归算至标石中心的。GPS接收机天线相位中心偏差：是指GPS天线接收卫星信号的电气中心与其厂家提供的位置（机械几何中心）之差。（一）、研究背景天线相位中心偏差的影响：1）天线相位中心的垂直偏差，造成测站间相对高程偏差达mm级；2）对于水平位置的影响,由天线相位中心偏差造成的误差也达mm级。天线相位中心偏差受多种原因影响，如天线制造水平、GPS信号入射方向、信号强度、高度角等，因此它会随时间而变化。GPS测量过程中我们只能测出理论上的平均相位中心。（二）、检测方法卫星导航接收天线相位中心偏差的测量方法可分为室内测量法和室外测量法。1、室内测量法室内测量法，即用微波天线测量设备测定相位中心位置，必须在微波暗室里进行。微波天线测量设备由转台、微波发射天线、微波接收机、方向绘图仪和微波暗室等部分组成。（二）、检测方法室内测量法工作原理：如果天线相位中心与转台旋转中心完全重合,那么在转台旋转过程中天线相位中心的位置是恒定不变的,信号通道的信号与参考通道信号的相对相位值也是固定不变的,在绘出的直角坐标系相位方向图中其相位曲线理论上是一条直线。（二）、检测方法为了测定天线相位中心的Y轴分量,应把天线绕其中心轴旋转90°。改变信号源的输出频率,照此原理,便可测量出另一波段(L2)的相位中心。（二）、检测方法室内测量的优点是:①不受时间、室外环境的影响，测量重复性、复现性好；②测量准确度高。因此，室内测量法特别适用于实验室检测和天线生产厂对天线定标时的检测。但由于微波天线测量设备复杂、昂贵，检定费用高、耗时多，并且一般测绘部门没有这种设备，不适合野外检测。（二）、检测方法2）交换天线法测量相位中心的垂直偏差1）旋转天线法测量相位中心的水平偏差2、室外测量法（二）、检测方法在进行天线相位中心偏差检定时，在天空视野开阔、无强电磁场干扰和反射环境的地势平坦之处，选择一超短基线，一般取1-10m。选择PDOP≤5所对应的时间段进行观测。第一个测段中两个天线都指北，观测一个时段(1.5h)。然后固定一个天线A不动,另外一个天线B依次旋转90°、180°、270°再测3个时段；之后,B不动,原固定不动的A天线依次旋转90°、180°、270°，再测3个时段；求出各个时段的基线值。旋转天线法（二）、检测方法旋转天线法（二）、检测方法假设当2台天线都指北时天线A的相位中心A1(δx1,δy1),天线B的相位中心B1的坐标为(δx2,δy2),则当天线B顺时针旋转90°、180°、270°后,B1分别转到B2(-δy2,δx2)、B3(-δx2,-δy2)、B4(δy2,-δx2)的位置。Δx,Δy分别是基线几何中心的坐标差,dxi,dyi分别是第i基线测量的x坐标差与y坐标差。旋转天线法（二）、检测方法（二）、检测方法数学模型与未知数解算下面采用最小二乘法解算未知数。观测量为dxi,dyi(i=1,2,…,7)未知数为δx1,δy1,δx2,δy2,Δx,Δy误差方程为V=BX+LX=(δx1,δy1,δx2,δy2,Δx,Δy)T系数阵B为（二）、检测方法组成法方程解出X,并求出精度。依照以上所述原理编制了一个简单的VB程序,计算时只要输入各条基线的数值再按计算按钮就可以得到计算结果。（二）、检测方法地面标石到瞬时相位中心的高度改化H分为3部分:H=h1+h2+h3h1是地面标石到天线参考点ARP之间的高度；h2是天线参考点到平均相位中心的偏移PCO；h3是瞬时相位中心相对于平均相位中心的相位中心变化PCV。交换天线法（二）、检测方法在使用旋转天线法的过程一并完成。第一个测段中两个天线精确对中、整平,天线定向标志指北,精确地量取天线高，观测一个时段(1.5h)；交换天线，精确对中、整平,天线定向标志指北,精确地量取天线高，再观测一个时段；分别解算二个时段基线值。采用精密水准测量测定两天线抑径板之间的高差Δh=hB-hA。测站A和B的大地高分别为HA和HB，天线高分别为hA和hB。交换天线法（二）、检测方法交换天线法（二）、检测方法第一时段：第二时段：相减得：对于双频GPS接收机而言，由于L1和L2载波的相位中心是不一致的，因此，必须对L1、L2载波的相位观测值分别求解。交换天线法（三）、实例计算按照以上所述的方法测量了7条基线,结果如表2。表2所列的是空间基线dx,dy,dz,下面把它们转化为平面坐标系下的基线。（三）、实例计算因为这是一条超短基线,所以可以用一种简单而有效的方法。如图所示,假设弧EF只有1m长,它是如此之短以至可以把它当作一条直线,则:其中,a为长半轴,e是第一偏心率,取WGS-84椭球)ρ=206265″从而表2的基线化为平面坐标差见表3。（三）、实例计算（三）、实例计算天线相位中心垂直偏差如下：（三）、实例计算《CH8016-1995全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》规定：《JJF1118-2004全球定位系统(GPS)接收机校准规范》规定：各时段基线向量最大互差应小于GPS接收机的固定误差。静态相对定位标称精度:平面:±(5mm+1ppm)高程:±(10mm+2ppm)（四）、总结分析1、在精密测量中，按照测绘行业标准，对接收机进行天线相位中心偏差检定是必不可少的。2、本文利用几何关系和最小二乘法检测和计算天线相位中心偏差，实践证明这种方法简便易行。3、不同型号的天线相位偏差是不同的，甚至同一品种的天线其相位也会有所不同。（四）、总结分析1GPS快速静态测量方法能否用来检测天线相位中心的偏差。2怎样测出天线相位中心的垂直绝对够偏差。3GPS天线的平均相位中心和瞬间相位中心的关系？（四）、总结分析