天線整流罩對GNSS觀測值與定位精度影響研究

程曉暉, 趙傳寶, 陳嘉琦

(1. 廣州市城市規劃勘測設計研究院有限公司,廣州 510060;2. 廣州市資源規劃和海洋科技協同創新中心,廣州 510060;3. 廣東省城市感知與監測預警企業重點實驗室,廣州 510060)

0 引言

近年來,全球導航衛星系統(global navigation sa-tellite system,GNSS)的不斷進步推動了高精度定位、導航與授時(positioning, navigation and timing,PNT)領域迎來新的發展機遇和挑戰[1-2]。GNSS憑借其高精度、全天候、廣覆蓋、低成本以及高效率等特點被廣泛應用于軍用和民用的各個領域。大眾用戶以及行業用戶對高精度位置服務的需求也在日益增長,在空間環境探索、地學災害監測與預警、工程建設以及電力、通信和交通等行業發揮著越來越大的作用[3-5]。

北斗/GNSS衛星定位連續運行參考站(contin-uous operation reference station,CORS)系統是支撐城市空間感知的重要基礎設施之一,作為城市坐標框架骨干網的重要組成部分,為城市持續提供高精度時空信息服務[3]。在過去20年,我國各大城市相繼以較高的基建標準建立了各自的CORS系統,并向用戶提供網絡實時動態定位(real time kinematic,RTK)服務,用以支撐城市建設等各類應用。雖然精密單點定位(precise point positioning,PPP)技術能夠在不需要基準站的情況下為用戶提供全球范圍內任意位置的高精度絕對位置信息[6-9],但通常需要30～60 min的收斂時間,使其在城市復雜環境下難以實現快速高精度定位。近年來興起的實時動態精密單點定位(PPP-RTK)技術雖然結合了傳統PPP與RTK技術的優勢[10-11],但其在工程應用中還處于起步階段,且當前市面絕大部分定位設備仍僅支持RTK服務,因此,在城市快速高精度定位場景下,網絡RTK技術仍占主導地位。

目前,城市CORS已廣泛應用于城市工程測量、滑坡及地面沉降等地災監測以及無人機航飛等眾多應用場景[12-14]。為保護城市CORS基準站天線,通常會選擇安裝天線整流罩,但絕大部分天線整流罩因材質、制作工藝等因素的不同,在保護天線日常工作的同時也對天線相位中心與觀測值的質量產生一定影響。相關研究表明,天線相位中心誤差是GNSS高精度定位中不可忽視的一項重要誤差源[15-16],且對高程分量的影響最為顯著[17-18]。劉文建等[19]研究發現,GPS信號通過天線罩會發生延時和折射,其影響在水平分量不顯著,但在高程方向影響較大。此外,天線整流罩對觀測值質量影響的相關研究較少。對此,本文針對過去基于廣州CORS(GZCORS)進行RTK測量過程中存在高程分量不準確的問題,從基準站坐標穩定情況、拆除基準站天線整流罩前后對觀測值和基準站坐標變化進行了分析,并基于拆除天線整流罩后的GZCORS進行了靜態仿動態和城市復雜環境下車輛動態定位服務能力方面的測試。

1 GZCORS介紹

GZCORS原有兩套:一套為2005年原廣州市城市規劃局組織建設的“廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統”[20];另一套為2006年原廣州市國土資源和房屋管理局組織建設的“廣州市連續運行衛星定位服務系統”。2016年廣州市對兩套CORS進行了優化整合,以“基準統一、網絡統一、數據統一”為原則[21],采用天寶扼流圈天線(TRM57971.00)和思托力SC300接收機,建立了廣州市北斗地基增強系統,站點分布如圖1所示。

圖1 廣州CORS站點分布概略圖

圖2 GZCORS基準站高程變化

2 天線罩對GZCORS觀測值與高程影響

2.1 高程存在的問題

GZCORS在部分地區長期存在RTK定位高程測不準的情況,其中東北部呂田站周邊RTK定位高程偏差在10～15 cm,南部沙頭站周邊RTK定位高程偏差在7～9 cm。由于平面坐標定位結果差異均在1 cm以內,因此本文僅對高程定位情況展開研究。為驗證高程偏差是否是基準站自身高程變化引起的,本文首先以周邊部分廣東省CORS站坐標作為起算基準,并基于TBC(Trimble Business Center)雙差網解對2017—2021年連續5年的GZCORS基準站數據進行解算。圖 2為8個基準站高程相對于2016年的絕對變化量情況,可以看出高程變化范圍在1 cm 左右,個別站點變化達到1.6 cm,滿足《衛星定位城市測量技術標準》(CJJ/T 73-2019)關于基準站高程年變化量不超過30 mm的要求。由此可知,基于GZCORS的RTK測量高程分量偏差較大的問題并非由基準站自身高程波動引起。

2.2 天線整流罩影響

為進一步探究用戶RTK測量高程偏差較大的原因,在排除基準站自身高程波動因素的影響后,2022年6月首先對呂梁站和沙頭站的天線罩進行了拆除(見圖3),并分析了拆除前后觀測數據的變化情況。表1和表2分別為利用TEQC軟件分析的呂田站和沙頭站天線罩拆除前后觀測數據質量變化情況,可以看出拆除天線罩后,基準站的多路徑影響顯著降低且數據有效率均有明顯提升,多路徑誤差和數據有效率分別如式(1)和式(2)所示。

表1 呂田站天線罩拆除前后觀測質量變化情況

表2 沙頭站天線罩拆除前后觀測質量變化情況

圖3 呂田站天線罩拆除前(左圖)、后(右圖)

(1)

(2)

其中,Pobs為測站觀測數據有效率;N為測站一天的理論觀測數據歷元數;N0為測站一天實際觀測歷元數。

為探究拆除天線罩后基準站高程坐標分量變化情況,采用2022年6月15～30日觀測數據,選取周邊廣東省CORS網中的ZSGT、QYGY及HYGT站作為起算點,并基于TBC進行雙差聯網解算。表3和表4分別為天線罩拆除前后呂田站和沙頭站高程的變化情況,由表可知,拆除基準站天線罩后,呂田站高程降低約15 cm,沙頭站高程升高約7.5 cm。

表3 呂田站天線罩拆除前后高程變化情況

表4 沙頭站天線罩拆除前后高程變化情況

為進一步分析天線罩對基準站高程坐標分量的影響,繼續拆除廣州市內其余6個GZCORS基準站天線罩,同樣選取廣東省CORS網中的ZSGT、QYGY及HYGT 7天的觀測數據進行雙差聯網解算,并對拆除天線罩前后天線的高程變化進行分析。如表5所示,各個站點拆除天線罩前后高程解算結果均發生了變化,其中變化最大的為永和站,高程降低約11.8 cm;變化最小的為花都站,高程降低約0.7 cm。

表5 6個CORS站拆罩前后高程變化情況

拆除基準站天線罩后,在前期RTK測量高程誤差較大的呂田站和沙頭站周邊均勻選取部分已知高程的高等級控制點進行CORS RTK測量檢測。如表6所示,檢測點的高程較差均在4 cm以內,符合《衛星定位城市測量技術標準》(CJJ/T 73-2019)相關指標要求。

表6 拆除天線罩后CORS高程檢測

基于上述驗證結果,安裝天線整流罩后會對基準站坐標高程分量產生系統性偏差影響,且該影響具有持續性。通過查閱歷史資料發現,2005年廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統建立之初,CORS站坐標基準解算基于無天線罩狀態,后續為加強天線的日常保護而加裝天線罩,且未進行天線罩偏差標定,進而對基準站高程基準解算產生了一定影響,致使后續用戶基于GZCORS 的RTK測量出現高程偏差較大的情況。

3 定位測試

3.1 實驗設計

為驗證拆除天線罩后的GZCORS位置服務性能,分別采用靜態仿動態定位與城市車載動態定位兩種形式進行測試驗證。靜態監測站位于樓頂已知點J001,布設環境如圖4所示。監測站使用吉歐雙頻一體化GNSS接收機,差分位置服務器使用拆除基準站天線罩后的GZCORS服務。

圖4 樓頂靜態站示意圖

車載動態測試地點位于廣州市城市路段,行駛路線如圖5所示,車載設備裝載情況如圖6所示。動態定位終端使用吉歐高精度車載定位終端(A2),并以諾瓦泰高精度慣導為參考基準(S1、S2)。靜態仿動態定位與車載動態定位設備和差分位置服務信息如表7所示。

表7 定位測試設備與位置服務信息

圖5 車載動態定位路線示意圖

圖6 車載動態定位測試裝置示意圖

3.2 靜態仿動態定位

圖7為J001點在2023年11月14～16日靜態仿動態RTK定位誤差時間序列,東西方向和南北方向定位均方根誤差(RMS)分別為1 cm和0.8 cm,高程方向RMS為2.0 cm,完全可滿足傳統城市RTK測量定位需求。

圖7 2023年11月14～16日J001仿動態定位誤差時間序列

3.3 車載動態定位

圖8為部分開闊路段測試車輛影像展點示意圖。由圖可以看出,車輛動態定位結果與衛星影像中車輛行駛狀況具有較好的一致性。圖9為使用千尋位置服務和諾瓦泰SPAN高精度慣導組合導航定位結果為參考的定位誤差序列圖。表8為對應的車載動態定位誤差統計表,由統計可知,城市復雜環境下車載水平與高程動態定位精度均在20 cm左右。在城市復雜環境下由于高樓、樹木以及隧道等遮擋,導致部分時段定位效果較差,但在開闊區域水平與高程定位效果均較好,可滿足一般車輛的車道級(分米級)導航定位需求。

表8 城市場景車載動態定位性能

圖8 車道級導航定位示意圖

圖9 城市場景車載動態定位誤差序列

4 結論

本文針對基于GZCORS的RTK高程測量偏差較大的問題進行分析研究,發現天線罩對觀測值多路徑效應和基準站的高程定位結果有較大影響。通過拆除天線罩前后分析,分別進行了靜態仿動態和車載動態定位測試,得到如下結論:

1)天線罩對天線相位中心存在較大影響,且對高程方向的影響較大,最大可達十幾厘米。

2)天線罩對天線高程的影響比較穩定,波動在2 cm以內,因此在數據處理中可將天線罩影響視為系統偏差處理。

3)天線罩對天線高程的影響具有不一致性,最大影響接近15 cm,最小的影響不足1 cm,且影響方向具有不一致性。

4)拆除基準站天線罩后的GZCORS可滿足日常厘米級RTK定位服務,并可提供車道分米級導航定位服務。