多種GPS天線類型聯合觀測數據處理方法研究

曹體濤，王 銅，羅 濤，梁 靜，馬 娜，李 琴

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031； 2.中國科學院高能物理研究所，北京 100049；3.遼寧省交通高等?？茖W校，遼寧 沈陽 110122)

多種GPS天線類型聯合觀測數據處理方法研究

曹體濤1，王 銅2，羅 濤2，梁 靜2，馬 娜2，李 琴3

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031； 2.中國科學院高能物理研究所，北京 100049；3.遼寧省交通高等?？茖W校，遼寧 沈陽 110122)

GPS接收機及天線的生產廠商眾多，且沒有明確觀測時天線高的量測方法。在研究Leica和Trimble主流接收機及天線的基礎上，統一了天線高的正確獲取方法，分析在LGO、TBC等后處理軟件中如何自定義相應的天線類型及正確輸入天線高，并在某GPS基線檢定場進行實測驗證，為多種GPS天線類型聯合觀測及數據處理提供理論依據，具有較高的實用價值。

GPS接收機；天線高；相位中心；靜態后處理；LGO；TBC

在GPS觀測時，能否正確量測天線高直接影響基線的解算質量，而且在GPS測高應用中對高程的影響重大[1-2]。在使用不同型號的GPS天線聯合靜態觀測時，需要對天線高進行統一[3]，并在后處理軟件中針對每種天線進行相應的相位中心改正。目前，GPS生產廠商眾多，每種天線造型不一，又沒有明確說明量測天線高的方法，對廣大用戶造成困惑。同時，在使用不同的GPS軟件進行數據處理時，其內置天線集里面不一定有所需的天線模型，這需要用戶自行建立相應的天線相位中心改正參數，彌補外業量取天線高的差別。

1 GPS天線高的獲取方法

GPS天線一般有兩個參考點，即天線電學相位中心(EPC)和天線參考點(ARP)。天線的電學相位中心為GPS信號接收的實際位置，根據接收的載波不同分為：L1和L2。電學相位中心也不是固定不變的，其與衛星的高度角、方位角、信號的強度和站星間的幾何距離有關，隨著它們的變化而變化[4]，于是又分為平均相位中心和瞬時相位中心。天線參考點為GPS 天線上能被實際測量的物理點，通常位于天線座的底部，即機械參考面。GPS主流廠商定義的天線高都是指量測到機械參考面的高度，因此，外業觀測時的天線高大都量測到GPS天線的機械參考面，圖1為Leica GS15接收機的機械參考面。

圖1 Leica GS15接收機機械參考面(m)

以Leica GPS接收機天線高的量測方法為例。Leica為其GPS接收機專門設計了垂直量高用的卷尺，架設三角架進行量高時的具體方法如圖2所示，尺子的實際讀數為e，垂直偏差為d；此時，量至機械參考面時天線高為e+d，其中d為固定的值，由廠商給出。對于GS15接收機標配的GRT247螺紋支架，d值為0.2545 m。當控制點為強制對中墩，無法使用專用量高尺進行量高時，可以直接量取控制點至接收機機械參考面的高度。

圖2 Leica GS15天線量高

外業觀測量取天線高后，內業利用LGO、TBC等后處理軟件處理數據時，天線相位中心高度應在所量測天線高的基礎上加上L1、L2相位垂直偏差及瞬時相位中心改正[5]，圖2中b，c分別為L1、L2相位垂直偏差。一般，對于天線相位中心偏差及瞬時相位中心改正，可以從GPS生產廠商處獲得，也可從IGS/NGS等組織獲取主流GPS的天線相位垂直偏差數據。

2 GPS后處理軟件中自定義天線高

商用GPS后處理軟件常用的一般為Leica和Trimble公司的產品，因此本文重點針對LGO和TBC軟件中天線高的自定義方法進行介紹。Leica公司的GPS數據處理軟件LGO為開放軟件，該軟件具有界面友好、功能齊備等優點，在測繪領域應用較廣。Trimble公司的GPS數據處理軟件包括：TGO 1.63、TTC 2.73、TBC 3.3。TGO至1.63版后便不再提供版本的升級，已不能處理2011年9月14日以后的數據，TTC也是從2.73版本后就不再更新。目前，天寶的GPS數據處理都是使用其最新的軟件TBC，需要軟件狗支持，只為用戶免費提供一個月試用版軟件(http://www.trimble.com/survey/trimble-business-center_support.aspx)。

由于不同組織對天線相位中心的標定方法不同，給出的天線參數也不同，本文以IGS/NGS等組織發布的天線相位中心改正參數為參考進行研究[6]。從2006年11月，IGS/NGS等組織開始從天線相對相位中心轉到絕對相位中心標定[7-8]。目前，最新的天線絕對相位中心標定文件可以從NGS網站上下載(http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/)或者從IGS網站下載所有的天線模型文件igs08.atx(http://acc.igs.org/)。

2.1 LGO中自定義天線高

在LGO軟件中，對GPS天線的定義主要包括4項改正：垂直偏差、L1相位中心偏差、L2相位中心偏差和附加的瞬時相位中心改正。因此，在利用LGO進行數據解算時，只需輸入測量點至接收機機械參考面的高度，再選擇合適的天線類型，處理時就會自動加入天線的3個垂直改正量以及附加改正，最終換算到天線的相位中心。

LGO中默認內置了Leica所有的天線類型，但對于其他品牌的GPS天線沒有定義，需要用戶自己確定正確的天線類型。在上文中提出NGS網站上可以查閱各廠商的天線參數，點擊“Data & Imagery”->“Antenna Calibration Data”，選擇廠商，找到所需的天線型號，再點擊新版天線文件“ANTEX”，將其中的內容復制并粘貼到后綴名為“.DOME” 的記事本內，即完成該天線的自定義。最后，在LGO里右鍵點擊天線，選擇“輸入天線”，導入前面保存好的DOME天線參數文件即可進行后續的數據處理。

2.2 TBC中自定義天線高

在TBC軟件中，對GPS天線的定義主要包括3項改正：天線參考點ARP到天線物理相位中心偏差改正、天線電學相位中心至物理相位中心的絕對相位中心改正和瞬時相位中心隨衛星信號高度角、方位角變化的改正，這3項改正由軟件自己完成。因此，在利用TBC進行數據解算時，同樣只需輸入控制點至接收機機械參考面的高度，再選擇正確的天線類型及量測方法，即可換算到天線的相位中心。

TBC中天線類型的定義不像LGO那樣直觀，其天線文件都在軟件的安裝盤，如C:Program FilesCommon FilesTrimbleConfig文件夾中[9]，主要包括Antenna.ini、*.ife、receiver.ini、*.ngs等文件，其中對天線高的改正文件主要為Antenna.ini、*.ife兩個文件。其中Antenna.ini文件中主要定義天線參考點ARP到天線物理相位中心的偏差，*.ife文件中主要定義天線電學相位中心至物理相位中心的絕對相位中心改正以及瞬時相位中心改正。receiver.ini文件主要定義了天線相對應的GPS接收機類型，*.ngs文件為NGS組織先前發布的相對相位中心改正。

為了驗證TBC中*.ife文件的天線相位中心改正是否與IGS/NGS發布的一致，以Leica GS15接收機為例進行分析。由于IGS/NGS中的天線相位偏差是從天線參考點起算，而Trimble 軟件是從天線物理相位中心起算[10]，為此在計算對比時*.ife文件中的天線相位改正數還應歸算至天線參考點。Antenna.ini文件中定義的Leica GS15機械參

考面至物理相位中心的距離為0.223 5 m，*.ife文件中定義L1的相位偏差為-0.0214 m，L2的相位偏差為-0.022 8 m，由此計算出機械參考面至L1、L2平均電學相位中心的距離分別為0.202 1 m和0.200 7 m，與NGS/IGS發布的絕對相位中心改正相同。對于天線瞬時相位中心隨高度角及方位角的改正，IGS/NGS與Trimble一樣，差別僅僅在于改正量的次序不同。在TBC中已內置了大部分GPS廠商的天線類型，而且最新的天線更新文件也可以在其官網下載，因此可以直接選用。

3 多種天線類型聯合觀測及數據處理

為了驗證GPS天線高的量測方法以及參數自定義的正確性，在某強制對中基線檢定場投入8臺GPS進行測試研究，其中，4臺為Leica GS15一體機，4臺為Topcon NET-G3A接收機及CR-G5天線，標稱精度為3 mm+0.5 ppm。在P01至P08點上進行連續10 h的觀測，其中P01、P03、P06、P07點上架設Topcon儀器，P02、P04、P06、P08點上架設Leica儀器，天線高皆量至天線機械參考面。

在TBC中進行數據解算，并與基線場的21條標準基線長進行對比，詳細見表1。表1中1至9號基線兩端為同類型的天線，10至21號基線兩端為不同種類型的天線。可以看出：相位改正對基線長度有影響，如果基線兩端為同種天線類型，相位中心的改正對基線長度基本無影響，如果基線兩端為不同種天線類型，相位中心改正對基線長度影響可以達到1.2 mm；TBC中有無天線相位中心改正解算基線長度與標準長度差值較小，符合儀器的標稱精度，其標準偏差分別為1.9 mm和2.0 mm，但是進行相位中心改正后解算的結果更接近標準值。

表1 多種天線類型聯合觀測基線長度對比表

4 結 論

1)本文分析了GPS外業觀測時天線高的量測方法，解決了在多種型號GPS天線聯合觀測時如何通過數據后處理軟件正確建立相應的天線模型及統一解算的方法。

2)通過在某基線檢定場的實地驗證，得出是否進行天線相位中心改正對GPS基線解算的結果確實有影響，在進行天線相位中心改正后基線解算的結果更趨于真值。

3)在精密工程測量中，特別是在多種GPS天線類型聯合觀測時，有必要進行天線相位中心的改正。

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[5]郭際明，史俊波，汪偉.天線相位中心偏移和變化對高精度GPS數據處理的影響[J]. 武漢大學學報:信息科學版，2007，32(12)：1143-1146.

[6]王小瑞，程傳錄.不同類型GPS接收機天線觀測結果分析 [J].全球定位系統，2011(6)：73-75.

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[11]魯雪松，陳義.GPS 接收機噪聲對天線相位中心檢測的影響分析[J].測繪工程，2003，12(3)：29-30.

[責任編輯：張德福]

The joint observation and data processing methods of multi-type GPS antenna

CAO Ti-tao1，WANG Tong2，LUO Tao2，LIANG Jing2，MA Na2，LI Qin3

(1.China Railway No.2 Engineering Group Co.Ltd,Chengdu 610031,China;2.Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3. Liaoning College of Communications, Shenyang 110122, China)

In view of the numerous GPS receiver and antenna manufacturers， and no clear definition about how to measure antenna height, the right method of measuring antenna height is unified. And how to customize the corresponding antenna types and correctly input antenna height in the post-processing software of LGO and TBC are analyzed based on a study of the mainstream receiver and antenna of Leica and Trimble. Experimental verification is carried out in a GPS baseline field and provides theoretical basis for combined observation and data processing of multiple GPS antennas, which has high practical values.

GPS receiver; antenna high; phase center; static after treatment;LGO；TBC

2014-01-07

曹體濤(1977-)，男，工程師，碩士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)07-0055-04