戴偉

(中科芯集成電路有限公司,南京 210000)

0 引言

當(dāng)前，以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為支撐的智慧城市建設(shè)處于高速發(fā)展階段.與城市的連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)(CORS)同步觀測可為智慧城市建設(shè)提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù).江蘇省內(nèi)的CORS 建設(shè)所用的接收機(jī)基本為徠卡公司接收機(jī)，如江蘇CORS[1-2](JSCORS)、徐州CORS[3](XZCORS)，雖然蘇州北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)采用了天寶接收機(jī)[4]，但JSCORS 在蘇州也有所覆蓋.為了使靜態(tài)解算易于開展，在觀測儀器選型方面，通常采用與基站相同品牌的接收機(jī)進(jìn)行觀測，如使用徠卡GS15 等.在解算軟件選擇方面，控制網(wǎng)解算一般采用相應(yīng)配套軟件進(jìn)行，徠卡LGO 數(shù)據(jù)處理軟件在解算相應(yīng)接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)非常好，取得了不錯(cuò)的效果.

隨著國產(chǎn)儀器的迅速發(fā)展，國內(nèi)南方測繪公司的GNSS 接收機(jī)不斷成熟完善，由于其成本較徠卡等國外儀器更低，受到了廣大用戶青睞，在B 級(jí)及以下等級(jí)控制網(wǎng)觀測時(shí)經(jīng)常會(huì)被采用，使用南方GNSS 接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測也變得越來越多[5].基準(zhǔn)站接收機(jī)目前還是徠卡接收機(jī)較多，所以經(jīng)常會(huì)遇到使用LGO 解算南方觀測數(shù)據(jù)的情況.很多情況下，LGO預(yù)定義天線中并不包含南方測繪儀器所采用的天線，此時(shí)LGO 將無法識(shí)別南方儀器采用的天線類型，導(dǎo)致解算結(jié)果存在不確定誤差.基于此，本文對(duì)該問題進(jìn)行了研究，為類似問題的解決提供參考.

1 天線高的測量與確定

在進(jìn)行靜態(tài)觀測時(shí)，需要獲取地面標(biāo)識(shí)到瞬時(shí)天線相位中心的高度h，即

式中：h1為地面標(biāo)識(shí)到天線參考點(diǎn)APR 的高度；h2為天線參考點(diǎn)到平均相位中心的距離，即天線相位中心偏差(PCO)；h3為平均相位中心到瞬時(shí)相位中心的偏差，即天線相位中心變化(PCV).

進(jìn)行外業(yè)觀測時(shí)，通常只能獲取地面標(biāo)識(shí)到天線參考點(diǎn)或者接收機(jī)某個(gè)刻度線的高度，當(dāng)內(nèi)業(yè)采用數(shù)據(jù)處理軟件解算時(shí)，選擇所使用的儀器、天線類型及測高模式后，軟件會(huì)自動(dòng)匹配天線垂直方向的改正數(shù)以及PCO 和PCV.如使用徠卡GS15 接收機(jī)，對(duì)應(yīng)的天線類型為GS15 Tripod Short，外業(yè)測高模式為腳架縮短，通常我們只能量測從地面標(biāo)識(shí)到量測點(diǎn)的距離H，如圖1 所示.但在LGO 中，會(huì)自動(dòng)匹配該天線的垂直方向的改正數(shù) ΔH，如GS15 Tripod Short 天線的ΔH被設(shè)定為0.254 5 m，L1 和L2 方向的垂直偏差分別為0.199 9 m 和0.198 3 m.

圖1 徠卡GS15 測高示意圖

此外，LGO 軟件可查看天線PCV 值，如GS15 Tripod Short 的PCV 如表1 所示.

表1 GS15 Tripod Short 的PCV 表

由表1 可知，L1 和L2 頻點(diǎn)的PCV 是不同的，同時(shí)，PCV 與方位角和天頂距存在函數(shù)關(guān)系.由于PCV 隨方位角變化很小，而PCV 隨天頂距變化比較明顯，所以一般天頂距每5°提供一個(gè)數(shù)值，取值范圍是0°～90°.

同樣，采用南方測繪公司的儀器(以南方銀河6 為例)進(jìn)行靜態(tài)觀測時(shí)，也需要量取儀器高，量取儀器高的目的是為了得到最終的天線高.但南方的儀器測高模式與徠卡不同，圖2 為測高示意圖.

圖2 南方銀河6 測高示意圖

天線高為天線參考點(diǎn)到地面測量點(diǎn)的垂直距離，南方GNSS 儀器中主要采用桿高、斜高、直高和測片高四種天線高量測方法，靜態(tài)觀測一般采用測片高.當(dāng)使用南方的自帶軟件進(jìn)行解算時(shí)，輸入測片高h(yuǎn)(至測高片的距離)之后，程序會(huì)自動(dòng)將測片高改正到垂直高H，然后再改正到地面標(biāo)識(shí)到參考點(diǎn)的高度h0，并在識(shí)別天線之后，進(jìn)行相應(yīng)的天線相位中心的改正[6].

2 天線高對(duì)靜態(tài)解算的影響

GNSS 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括基線解算、無約束平差和約束平差.數(shù)據(jù)處理精度控制指標(biāo)有重復(fù)基線較差、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、無約束平差基線向量殘差和約束平差基線向量殘差[7].

2.1 天線高對(duì)基線解算的影響分析

通常情況下，最低等級(jí)的E 級(jí)大地控制網(wǎng)的控制點(diǎn)間距離約為0.2～5 km，天線相位中心偏差 δ 一般約為10 cm.如圖3 所示，對(duì)于重復(fù)基線，當(dāng)天線高出錯(cuò)時(shí)的位置為B1，正常情況為B，A到B1 的距離為S′，A到B的距離為S，由于 δ 相對(duì)于S的距離非常小，此時(shí)可認(rèn)為是直角，則有

圖3 重復(fù)基線示意圖

對(duì)式(2)求全微分，有：

則根據(jù)誤差傳播定律，得

認(rèn)為S是不存在誤差的情況下，則

可見，天線高對(duì)復(fù)測基線的影響非常小.

2.2 天線高對(duì)環(huán)閉合差及網(wǎng)平差的影響

GNSS 的環(huán)閉合差包括同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差，當(dāng)同步環(huán)閉合差滿足限差的要求時(shí)，還不能完全表明組成該同步閉合環(huán)的基線均符合要求，當(dāng)異步環(huán)閉合差滿足限差的要求時(shí)，則表明組成該異步環(huán)閉合差的基線滿足要求，因此重點(diǎn)檢查異步環(huán)閉合差.

已知，空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)有如下關(guān)系：

天線高將直接影響天線相位中心到地面標(biāo)識(shí)的距離，必然影響到大地高，為考慮大地高變化對(duì)空間直角坐標(biāo)的影響，對(duì)大地高求微分

當(dāng)天線高出錯(cuò)時(shí)，會(huì)對(duì)空間直角坐標(biāo)產(chǎn)生影響，從而影響與之同時(shí)段的基線，并可能影響異步環(huán)閉合差.

2.3 天線高對(duì)控制網(wǎng)精度的綜合影響

通過上述分析總結(jié)可知，當(dāng)天線高出錯(cuò)時(shí)，首先必然引起與之直接相關(guān)的大地高的準(zhǔn)確性，進(jìn)而將影響正常高的計(jì)算，其次文獻(xiàn)[8]通過理論和案例證明，天線高對(duì)無約束平差和約束平差結(jié)果的坐標(biāo)影響較小，但對(duì)其坐標(biāo)精度影響較大.同時(shí)上文也證明，天線高在基線解算和網(wǎng)平差的過程中，對(duì)重復(fù)基線較差不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，但是可能會(huì)影響到閉合差以及無約束平差和約束平差的精度.

3 LGO 天線高改正方法

南方測繪公司設(shè)備采集的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的一般存儲(chǔ)格式為.sth，想要南方測繪公司設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)能夠在LGO 中解算，首先要將其轉(zhuǎn)換成RINEX標(biāo)準(zhǔn)格式.南方測繪公司的某些接收機(jī)可以直接將觀測數(shù)據(jù)輸出成RINEX.值得注意的是，在LGO 中導(dǎo)入RINEX 時(shí)，要保證文件基本符合RINEX 對(duì)于O文件的命名規(guī)則，否則無法識(shí)別文件.以LGO V8.04為例，該版本的LGO 只能識(shí)別RINEX 3.02 及以下版本的數(shù)據(jù).

外業(yè)觀測時(shí)，一般采用測高片測高法，如圖2 所示，在采用LGO 進(jìn)行處理時(shí)，需先采用式(10)進(jìn)行測高片結(jié)果預(yù)處理，在LGO 處理的時(shí)候直接作為量測值使用.

式中，R0為測高片寬度，一般為12 cm，具體參數(shù)參照購買儀器時(shí)的附件參數(shù)說明或咨詢廠商.

為獲得天線參考點(diǎn)APR 距地面標(biāo)識(shí)的高度.還需要加入天線參考點(diǎn)到測高片的高度差h0.

3.1 PCO 改正

天線相位中心瞬時(shí)位置是時(shí)刻變化的.對(duì)于南方測繪公司的接收機(jī)所采用的天線，我們可以通過在其觀測文件中查看，然后根據(jù)相應(yīng)的天線去查找PCO.如使用某臺(tái)南方銀河6 接收機(jī)，根據(jù)其O 文件可以確定其天線類型為SG6X-T970A.正常轉(zhuǎn)換得到的O 文件中，接收機(jī)及天線信息如表2 所示.

表2 南方銀河6 可正常識(shí)別的接收機(jī)和天線信息

美國國家大地測量局(NGS)提供天線相位中心改正數(shù)[9]，可訪問網(wǎng)站www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/進(jìn)行下載，但是并不是所有的天線都會(huì)上報(bào)NGS 并公布其數(shù)據(jù)，如SG6X-T970A，目前并沒有查到相關(guān)的信息.此外，由于轉(zhuǎn)換軟件的原因或者接收機(jī)本身的原因，部分觀測數(shù)據(jù)的天線信息如表3 所示.

表3 南方銀河6 沒有正確識(shí)別的天線信息

由表3 可知，此接收機(jī)的天線沒有正確定義或存儲(chǔ)，同樣無法通過查找天線相位中心改正數(shù)來進(jìn)行改正.

對(duì)于大部分接收機(jī)，其附件都會(huì)帶有該接收機(jī)天線的垂直偏差改正數(shù)[10]，盡管PCO 由N/E/U 三個(gè)方向改正數(shù)組成，但是水平方向的影響通常較小，在工程控制網(wǎng)中，僅改正PCO 的垂直方向?qū)鹊挠绊懖淮?如南方銀河6 的接收機(jī)下方附帶了本機(jī)相位中心L1 和L2 垂直方向的偏差分別為127.1 mm 和115.6 mm.當(dāng)然有的天線NGS 公布的改正數(shù)和商家公布的不完全一致，會(huì)略有差異，在高等級(jí)控制網(wǎng)中應(yīng)考慮具體采用哪個(gè)數(shù)值，工程控制網(wǎng)可以選用其一.

3.2 PCV 改正

南方銀河6 接收機(jī)沒有提供PCV 的值，對(duì)于能夠在NGS 上查到的天線，可以使用其公布的PCV，文獻(xiàn)[11]已證明PCV 不影響水平位置的變化而僅會(huì)影響到高程方向的結(jié)果，且在高等級(jí)的GPS 聯(lián)測數(shù)據(jù)處理中才予以考慮，工程控制網(wǎng)精度要求相對(duì)較低，可不予考慮.所以如果使用的天線相位中心改正數(shù)沒有發(fā)布，可以不進(jìn)行此項(xiàng)改正.

3.3 LGO 進(jìn)行天線改正的具體操作流程

圖4 為LGO 軟件進(jìn)行天線改正的具體操作流程.

圖4 天線改正操作流程

外業(yè)按照控制網(wǎng)等級(jí)的要求，觀測相應(yīng)的時(shí)長和時(shí)段后，輸出RINEX3.0.2 及以下版本的文件.導(dǎo)入該原始觀測數(shù)據(jù)，查看該觀測數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的天線，選擇屬性選項(xiàng)卡，可以修改L1 和L2 方向的PCO，可以只填垂直方向的偏差，改正方式選擇高度角和方位角，在附加改正里填寫對(duì)應(yīng)方位角的PCV 改正數(shù)，如果沒有PCV，則改正方式選擇無.至此，天線的高度改正就全部完成了.

4 結(jié)束語

多品牌接收機(jī)共同作業(yè)是未來GNSS 控制網(wǎng)觀測的必然趨勢，使用商業(yè)隨機(jī)軟件必然會(huì)遇到天線沒有定義的情況，而天線高對(duì)于高程準(zhǔn)確性以及解算過程中精度控制都有重要意義，此類問題的做法是：

1)根據(jù)外業(yè)測高，計(jì)算地面標(biāo)識(shí)到天線參考點(diǎn)的距離；

2)根據(jù)觀測文件獲得天線類型，并查找對(duì)應(yīng)的PCO 和PCV；

3)若是未公布的天線，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)獲取PCO 的垂直改正數(shù)；

4)在LGO 中將相應(yīng)的數(shù)值更新到對(duì)應(yīng)的天線里.