王麗麗 ，楊志敏，段艷霞，劉峻寧

(1.廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510080; 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 43022;3．成都市勘察測(cè)繪研究院，四川 成都 610081; 4.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

GPS 天線相位中心是指GPS 天線的電器中心。天線相位中心在實(shí)際意義中看不到，是無(wú)線電信號(hào)接收的瞬時(shí)位置，它隨著衛(wèi)星信號(hào)輸入的強(qiáng)度和角度而改變。不同的天線類(lèi)型，其相位中心的差值較大，對(duì)定位的結(jié)果具有較大的影響。在GPS 外業(yè)測(cè)量中測(cè)到的位置，通常是測(cè)到GPS 接收機(jī)天線相位中心的位置。例如，在通過(guò)聯(lián)測(cè)IGS 跟蹤站傳遞高精度GPS 網(wǎng)的基準(zhǔn)坐標(biāo)時(shí)，天線相位中心改化正確與否會(huì)對(duì)高程方向產(chǎn)生厘米級(jí)的影響［1］。本文針對(duì)不同的GPS 天線，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，用高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT 軟件進(jìn)行處理，分析了不同的GPS 天線對(duì)解算坐標(biāo)及解算精度的影響。

1 天線相位中心

天線相位中心隨著衛(wèi)星信號(hào)輸入的強(qiáng)度和角度而改變，如圖1所示，天線相位中心總改正值的公式如式(1)所示。

圖1 天線相位中心

式中，△φ 為天線相位中心總改正值;a 為衛(wèi)星方位角;e 為天頂距;△φ'為天線相位中心改正值，該值隨著信號(hào)方向的變化而變化是接收機(jī)天線至衛(wèi)星方向的單位矢量是表示平均天線相位中心至天線參考點(diǎn)的距離。不同的GPS 天線，其相位中心也不同，在GPS 測(cè)量中，很難通過(guò)差分的方式進(jìn)行消除，一般采用模型進(jìn)行改正。國(guó)際IGS 從1998年開(kāi)始公布IGS01 天線相位中心模型參數(shù)，2006年后用IGS05 天線相位中心模型參數(shù)代替了原來(lái)的IGS01 模型。目前，國(guó)際IGS 以5°的間隔給出IGS05 天線相位中心模型參數(shù)的改正值，非格網(wǎng)點(diǎn)可以采用內(nèi)插的方式獲得。

2 GAMIT 軟件

GAMIT 軟件是高精度GPS 數(shù)據(jù)處理軟件，由美國(guó)麻省理工學(xué)院和斯克里普斯海洋研究所(SIO)一起開(kāi)發(fā)的，該軟件主要用于處理整體解的雙差GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)。GAMIT 軟件采用開(kāi)源設(shè)計(jì)，其中主要的解算程序有6 個(gè)程序:ARC(計(jì)算衛(wèi)星位置)、MODEL(組成觀測(cè)方程)、SINCLN(單差自動(dòng)修復(fù)周跳)、DBCLN (雙差自動(dòng)修復(fù)周跳)、CFMRG(生成平差處理需要的文件)和SOLVE(最小二乘法求解參數(shù))。

在GAMIT 軟件數(shù)據(jù)處理中，該軟件提供了很多誤差改正模型用于改正各種GPS 觀測(cè)誤差，提高基線解算的精度。其中關(guān)于天線相位中心改正的函數(shù)主要有hisub 函數(shù)和get －antpcv 函數(shù)，分別用于改正天線相位中心偏移和天線相位中心改正，模型參數(shù)采用IGS發(fā)布的天線相位中心改正文件:antmod．dat 文件，具體如圖2所示。

圖2 antmod．dat 文件

3 不同天線類(lèi)型的結(jié)果分析

為了分析不同類(lèi)型的GPS 天線對(duì)定位精度的影響，本文選取了不同的Trimble 天線類(lèi)型進(jìn)行測(cè)試。控制點(diǎn)分布如圖3所示，圖中共有8 個(gè)控制點(diǎn)，全部控制點(diǎn)的坐標(biāo)已知，觀測(cè)時(shí)間為24 h，使用的解算軟件為GAMIT 10.40。為了測(cè)試天線高對(duì)最終結(jié)果的影響，本文在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，A02，A04 和A06 三個(gè)控制點(diǎn)的天線類(lèi)型分別為不同的天線類(lèi)型，主要信息如表1所示。

表1 各種天線的改正量

圖3 控制點(diǎn)分布圖

3.1 不同天線對(duì)坐標(biāo)的影響

以TRM39105.00 天線解算的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，其他天線解算的笛卡兒坐標(biāo)與其差值繪制于圖4，圖4中橫坐標(biāo)為A02，A04 和A06 三個(gè)控制點(diǎn)不同的天線類(lèi)型解，縱坐標(biāo)為差值，單位為m。從圖4中可以看出，X方向和Z 方向上的差值成對(duì)稱(chēng)圖形，Y 方向上的差值比較大，即在高程方向上差異較大。為了更好地說(shuō)明平差結(jié)果在平面和高程方向的差值，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到平面方向與高程方向，結(jié)果繪制于圖5。從圖5可以看出，不同類(lèi)型的GPS 天線解算的坐標(biāo)結(jié)果，平面坐標(biāo)的差異很小，基本在0.5 cm內(nèi)，高程方向的差異較大，最大達(dá)到4 cm。

圖4 笛卡兒坐標(biāo)差值圖

圖5 NEU 方向差值圖

3.2 不同天線對(duì)平差后坐標(biāo)精度的影響

圖6繪制了8 種天線類(lèi)型平差后坐標(biāo)的精度，分別為X 方向、Y 方向、Z 方向和總體精度，單位為cm。從圖中可以看出，XYZ 三個(gè)方向中，Y 方向的平差精度最低。雖然天線不同，但是四條曲線變化比較緩和，也就是說(shuō)天線類(lèi)型對(duì)坐標(biāo)精度的影響比較小。

圖6 坐標(biāo)精度圖

4 結(jié) 論

在GPS 外業(yè)測(cè)量中，往往使用不同的GPS 天線進(jìn)行觀測(cè)，本文利用實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)GAMIT 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析，分析了不同的GPS 天線類(lèi)型對(duì)最終坐標(biāo)解算結(jié)果的影響。從本文可以得出結(jié)論，使用不同的GPS 天線進(jìn)行觀測(cè)，由于天線相位中心的不同，平面坐標(biāo)的差異很小，但是高程方向的差異比較大。不同的GPS 天線類(lèi)型觀測(cè)，對(duì)最終解算的坐標(biāo)精度影響不明顯。

［1］郭際明，史俊波，汪偉．天線相位中心偏移和變化對(duì)高精度GPS 數(shù)據(jù)處理的影響［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2007(12):1143 ～1146．

［2］何德平，郭彩立，王艷茹．GAMIT 基線解算中天線高處理方法的探討［J］．重慶建筑，2012(7)．

［3］周命端，郭際明，鄭勇波等．衛(wèi)星天線相位中心偏差對(duì)GPS 精密單點(diǎn)定位精度的影響研究［J］．測(cè)繪通報(bào)，2008(10):8 ～10．

［4］涂銳，黃觀文，鄒順．天線相位中心偏差變化及改正模型對(duì)精密單點(diǎn)定位精度的影響［J］．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010(3):114 ～117．

［5］郭際明，史俊波，汪偉．天線相位中心偏移和變化對(duì)高精度GPS 數(shù)據(jù)處理的影響［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2007，32(12):1143 ～1146．