GNSS天線相位中心偏差檢驗方法研究*

摘 要：在GNSS高程測量中，天線相位垂直偏差對高度分量的影響較大，文章探討了GNSS天線相位中心偏差的規律和檢測方法，并總結出不同檢驗方法在實驗及實際應用中的結果分析。

關鍵詞：天線相位中心偏差；偏差檢驗；研究分析

目前，測繪行業對GNSS測量的精度要求越來越高，人們應用各種方法提高GNSS的測量精度，由于多數應用只限于GNSS平面測量，這方面的精度得到了明顯的提高，而高程方面的應用少于平面的應用，在研究高程測量方面各個環節都有待于進一步加深。在實際研究中，對接收機在采集數據過程中產生的誤差考慮較少。實際上接收機本身產生的誤差中除了接收機鐘差在基線解算中被抵消外，GNSS接收機的天線相位偏差也應該考慮。

1 天線相位中心偏差的一般規律

1.1 天線相位中心的定義

天線的相位中心是其遠區輻射場的等相位面與通過天線軸線的平面相交的曲線的曲率中心。信號源發射的信號與過天線軸線的平面相交，信號源的等相位面和過天線軸線的平面相交出一個閉合曲線，閉合曲線的中心即是天線瞬時產生的相位中心，隨著信號源的方向不斷變化，其相位中心也隨時變化，如一顆GNSS衛星經過接收機上空時，它和通過接收機天線軸線的平面之間的角度不斷變化，這樣信號源的等相位面和過天線軸線的平面交出閉合曲線也隨之變化，天線相位中心也跟著變化。

1.2 天線相位中心和天線幾何中心的關系

在使用GNSS進行控制測量時，往往采用靜態測量模式，經過同步觀測，得到的數據進行基線解算，得到兩個天線之間的三維向量差，由于兩臺接收機同步觀測到多組相同衛星的數據，因此經過解算得到多組基線數據，最終結果是兩個天線平均相位的中心之間的基線。天線的幾何中心是天線在制造是其幾何形狀的中心，尤其測量型接收機，天線的幾何中心是外業測量時安置儀器的依據，但是，根據天線電子相位中心的定義可知天線的平均相位中心也是不穩定的，因此它和其幾何中心并不是重合的；我們不能把天線的幾何中心認為是天線的相位中心，這樣，在實際測量中會產誤差。

2 天線相位中心偏差的檢定方法

在利用GNSS進高精度測量（包括定位和定時）時，其測衛結果是對應于GNSS天線相位中心的。而實際的天線相位中心（天線接收衛旱信號的電氣中心）與廠家提供的位置（機械幾何中心）并不完全一致，其差值稱之為天線相位中心偏差。它會隨外界條件而變化，高精度測量必須對其進行檢測。目前，天線相位中心偏差的檢定方法主要有兩種：天線指標獨立測定法（微波法）和基線相對測定法（對比法）。前者采用微波暗室的環境條件，通過精密可控微波信號源測量天線接收信號的分布來確定天線電氣中心，并計算天線相位中心偏差。此方法需要的測定條件成本很高，一般僅國家實驗室和天線制造廠家才具備。基線測量相對測定法采用載波相位觀測值，通過測定天線在不同方位時，兩天線的基線向量結果來測定天線相位偏差。這種方法是我國國家行業標準規定采用的方法，具有操作簡單、方便，計算容易，成本低的特點，是目前廣泛采用的方法。但這種方法只能有效地檢測出天線相位中心在水平方向的偏差，對于垂直方向的偏差不能精確測定。就很多型號的天線而言，其相位中心在垂直方向的偏差遠遠大于在水平方向的偏差，水平偏差僅幾個毫米，垂直偏差可達上百個毫米，所以基線測量相對測定法也需要進一步完善，下面介紹這兩種方法的操作步驟。

2.1 微波法測定天線相位中心偏差

利用懸吊于暗室天花板上的垂球線和固定于暗室縱軸線與其錐底的交點上和固定于暗室側面并與其縱軸線垂直的兩臺紅激光準直器，將GNSS接收天線的幾何對稱軸與天線底板上表面的交點，安裝置于轉臺的旋轉軸與微波暗室縱軸的交點上。安裝GNSS接收天線的垂直連接桿，通過兩個能夠在相互垂直方向上移動的連接件，固連于轉臺。天線能夠在平行和垂直于暗室縱軸線的兩個方向上平移，也可以繞轉臺的垂直軸在水平面內旋轉。

采用“旋轉天線法”繪制GNSS接收天線的相對相位方向圖來測定相位中心。在測量時，可以調整轉臺的角度，模擬地面衛星高度角不同的情況，檢測不同高度截止角天線相位中心變化情況。為直觀地反映天線相位變化，可以把各個方向的相位變化曲線繪制成立體圖。

2.2 基線測定法（對比法）檢測天線相位中心偏差

基線測定法（對比法）是通過測定兩天線之間的基線向量來測定天線相位中心偏差。利用測地型GNSS接收機，用載波相位觀測值，采用雙差模型解算基線向量，基線測量精度為毫米級，在短基線情況下可不考慮電離層、對流層的影響。屬于這種方法的工作方式有兩種，即絕對法和相對法，絕對法是指使用精度非常高的參考天線作為固定天線來絕對地檢測被檢天線；相對法是使用相同的天線來進行檢驗。

3 結束語

基于以上對天線相位中心偏差的分析和檢測，可得到如下結論：

（1）GNSS天線偏差對平面影響小，而對垂直分量影響大。由于在精化當地似大地水準面時，要用到一定數量的均勻分布的由GNSS測量得到橢球高和水準儀測量得到水準高的點進行曲面擬合，而在GNSS測量中若沒有考慮到天線相位偏差，則GNSS測量的橢球高精度要差一些，這是目前制約高精度的水準面擬合的一個重要因素，比如，目前擬合精度能達到四等水準的等級已經效果非常好了。

在高精度的測量中，如地殼變動，地表沉降觀測中，如果不考慮GNSS接收機天線相位中心偏差，尤其是垂直偏差，其結果不令人滿意，有文獻中提到在沉降觀測項目中用GNSS方法和水準方法進行對比，經過對實驗數據的分析發現GNSS數據和水準觀測數據差異較大，GNSS數據中含有的系統誤差比其偶然誤差還大，GNSS結果沒能用于沉降觀測。筆者認為實驗中應考慮天線相位中心偏差，尤其是天線相位在垂直方向的偏差，這項誤差對高程測量影響是較大的。

（2）GNSS天線相位中心偏差是不穩定的又是相對穩定的。確定天線的電子相位是天線電路板的一個功能，它在確定電子相位中心時，依賴于衛星信號來源方向，信號的強度，以及天線自身放置的方位。在整個測量中，電子相位的中心瞬時位置根據上述情況的變化也跟著變化，因此相位中心是不穩定的；但是，如果是同一天線，方位放置相同（天線上有指北方向，可按羅盤北方向放置天線，偏差小于3度認為放置方位相同）衛星大致在相同的時段中（衛星的分布和信號強度大致相同）所產生的天線相位偏差也是相同的（經過基線解算后為平均相位中心），這說明天線相位中心也是相對穩定的。由此可知，采用觀測值求差法減弱相位偏差是可行的。

參考文獻

[1]劉基余，李征航.全球定位系統原理與應用[M].測繪出版社，1993.

[2]軒敏杰，趙永年.GNSS天線相位中心垂直分量偏差檢測[J].測繪技術裝備，2014（2）：91-93

作者簡介：劉巖（1981-），男，漢族，遼寧鞍山人，講師，主要從事三維地質建模及工程測量方面的研究工作。