基于几何约束的GNSS接收机天线相位中心偏差测量方法研究.pdf
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1、分析了 接收机天线相位中心与几何中心间的关系,提出了一种基于几何约束的 接收机天线相位中心偏差的测量方法。通过 台或多台天线组合测量,利用天线几何中心在东北天坐标系下的已知坐标,仅需 个观测时段即可解算所有天线的相位中心水平偏差和相对垂直偏差。使用扼流圈天线进行不同观测时段长的相位中心稳定性分析实验;在不同天线组合、不同天线位置条件下,对相位中心偏差进行测量实验。实验结果表明:高精度的 接收机天线相位中心偏差测量的观测时段长为 ,天线的相位中心水平偏差重复性 ,相对垂直偏差重复性为 。关键词:计量学;接收机天线;相位中心偏差;东北天坐标系;几何约束中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;
2、,):,:;收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划()引言全球导航卫星系统(,)接收机天线的参考点为天线的几何中心,而实际接收卫星信号的位置为其相位中心,由于相位中心与几何中心不重合,导致测量结果存在一定的偏差 ,该偏差称为接收机天线相位中心偏差(以下简称为天线相位中心偏差)。天线相位中心偏差定义在以天线几何中心为原点的东北天坐标系()下,其在东、北方向上的偏差分量一般为 级,在高程方向的偏差分量最大可达到 级 ,(东、北方向偏差也称为水平偏差,高程方向偏差也称为垂直偏差),这在定位精度要求为 级的 安全监测工程中不可忽略 ,因此需要对天线相位中心偏差进行精确测量。目前常见的相位中心
3、偏差测量方法主要有旋转天线法、交换天线法及完全流动观测法 ,以上方法均是基于相对差分定位进行测量的,将天线安置在超短基线的两端进行同步观测,通过解算得到两天线间相位中心相对的三维坐标 ,。其中,旋转天线法通过多次水平旋转天线得到多组相位中心相对水平坐标,然后进行最小二乘估算,将每台天线的相位中心水平偏差分量分离出来,其水平偏差分量测量精度为 。由于天线在垂直方向的相对坐标没有发生变化,故无法求解相位中心偏差垂直分量。交换天线法通过交换双天线位置使得垂直方向上的相对坐标发生变化,从而测得相位中心相对垂直偏差,测量精度为 。完全流动观测法综合了旋转天线法和交换天线法的特点,在交换 台天线位置的同时
4、旋转天线,得到多组相位中心相对三维坐标,从而分离出每台天线的相位中心水平偏差和相对垂直偏差 ,其水平偏差分量与相对垂直偏差分量测量精度分别为 、。本文通过对天线相位中心与几何中心的几何关系分析,提出了一种基于几何约束的 接收机天线相位中心偏差测量方法,并通过实验验证了该方法的实用性和可靠性。该方法通过增加几何约束减少天线旋转次数,仅需将其中 台天线旋转 个角度即可解算出多台静止天线的相位中心水平偏差分量和相对垂直偏差分量,提高了测量效率。相位中心偏差测量原理以 台天线为例,基于几何约束的相位中心偏差测量原理如图 所示。、分别为天线 (,)的几何中心与相位中心,(,)为天线 的相位中心偏差,其定
5、义在以 为原点的东北天坐标系 下。通过对天线 、天线 进行同步观测,得到、在 下的相对坐标(,),若已知、在 下的坐标,即可根据、间的几何关系及、坐标所产生的图 基于几何约束的 台天线相位中心偏差测量原理 约束列出关于 、(,)的方程,从而解算得到天线 、天线 相位中心的水平偏差分量、和相对垂直偏差分量 。根据东北天坐标系的定义,通过自准直经纬仪及激光跟踪仪在 处建立与 相同定义的东北天坐标系 ,在该坐标系下标定 的坐标(,)(标定过程将在第 节作详细介绍),即可根据 间的坐标约束对天线相位中心水平偏差和相对垂直偏差进行解算。相位中心水平偏差测量方法图 为 台天线的相位中心水平偏差示意图。天线
6、 、天线 均指北时,在 坐标系下,、的水平坐标分别为(,)、(,),、相对水平坐标为(,)。天线 、天线 未知的相位中 心 水 平 偏 差 分 量 分 别 设 为(,),(,)。图 台天线的相位中心水平偏差示意图 根据几何中心坐标间的约束,可得出几何关系方程式()和式():()()槡 槡()计量学报 年 月 ()式()、式()两个方程含有 个未知数,还需要增加至少 个独立方程,方可解算出水平偏差分量。因此,将天线旋转 指南,此时天线的相位中心位置为 ,天线仍指北,再测量一个时段。、在 下的相对坐标为(,)。同理,可得到几何关系方程式()、式():()()槡 槡()()设式()式()的解析式为(
7、,),通过 ,方法可以解算出天线 、天线 的相位中心水平偏差(,)、(,)。当多台天线同时进行测量,可根据上述测量方法同时解算多台天线相位中心水平偏差分量。相位中心相对垂直偏差测量方法图 为 台天线的相位中心垂直偏差示意图。、分别为天线 、天线 (,)的相位中心垂直偏差,为测站 相对于测站 的几何中心间垂直高差。,为天线 与天线在第 (,)时段的高差;为 与 之间的相对值。图 台天线的相位中心垂直偏差示意图 第 时段天线 相对天线 的相位中心相对垂直偏差 ,为 ,()第 时段天线 相对天线 的相位中心垂直偏差 ,为 ,()两个时段所测的相位中心相对垂直偏差平均值 为 ,()利用天线相位中心相对
8、垂直偏差可以提高双天线测量俯仰角的精度,从而提高天线测姿精度。因此,天线相位中心相对垂直偏差的测量是非常重要的。天线几何中心坐标标定本文方法在进行相位中心偏差测量时,需要在东北天坐标系下对天线几何中心坐标进行标定,其标定过程如下:天线安装在超短基线检测场中的测站上测量,如图 所示,其几何中心与测站几何中心严格强制对中,对中定位精度 ,因此可以在测站几何中心处建立稳定的东北天坐标系 坐标系。在 下对测站几何中心的坐标进行标定,作为天线几何中心的坐标。通过自准直经纬仪及激光跟踪仪建立,其中自准直经纬仪角度误差为 ,激光跟踪仪的坐标测量不确定度为 。图 超短基线检测场及东北天坐标系 首先,通过自准直
9、经纬仪将长基线 已知的大地方位角 引测至测站 边上,所测 边的大地方位角为 ,引测误差 ,根据 可以确定过测站 几何中心 的北方位 ,如图 所示。然后,通过北方向 及激光跟踪仪自带水平仪建立 坐标系。将激光跟踪仪放置在微网中,调节其自带水平仪至水平,得到过 的水平面 。以 为原点,过 的北方位 为 轴正方向,轴在 内与 轴垂直,轴垂直 指向天顶方向,轴、轴、轴符合右手坐标系,通第 卷第 期李晶晶等:基于几何约束的 接收机天线相位中心偏差测量方法研究图 超短基线检测场北方向测量 过此方式在 处建立 坐标系。最后,在 下,通过激光跟踪仪测量各测站几何中心的坐标。各测站 组坐标测量结果重复性均 ,可
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