顾及天线相位中心改正基线解算技术的应用研究

曹玉明，王 坚，张济勇

（1.华北电力设计院工程有限公司，北京100120;2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116）

一、引 言

GPS精密定位技术，在利用性能良好的接收设备和模型完善的处理软件的条件下，可以明显提高测量精度。核电厂次级平面控制网的边长较短，而测量精度要求较高，通常采用边角网测量实施。卫星定位技术应用于次级平面控制网测量可以显著提高作业效率，为了确保施工测量精度要求，必须将各种因素对基线解算的影响减弱到最小，而GPS接收天线相位中心与其几何中心的偏差将影响基线解算精度，尽管这种影响是微小的，但对于高精度平面控制网测量而言，必须采取措施予以消除或减弱。

二、天线相位中心改正模型

卫星定位测量距离观测值，是从卫星发射天线瞬时相位中心至接收天线瞬时相位中心的距离，而精密卫星轨道产品给出的卫星位置是GPS卫星的质心，与卫星天线相位中心存在偏差;接收天线相位中心与其几何中心也存在偏差，这种偏差称为天线相位中心偏差。卫星天线相位中心随着卫星位置、朝向的改变而变化，接收天线相位中心随着接收信号的强度和高度角不同而发生变化，这种变化称为天线相位中心变化。对于GPS精密定位来说，天线相位中心的偏差和变化难以利用差分方法消除或减弱，通常采用模型进行修正。一般只能合成出理论上的平均相位中心，天线平均相位中心与几何中心之差称为天线相位中心偏移(PCO)。天线瞬时相位中心与天线平均相位中心之差称为天线相位中心的变化(PCV)。

美国国家大地测量局采用相对定位法对GPS天线相位中心的变化进行了多年研究，并测定了多种测量型GPS天线的相位中心相对偏移量和绝对变化量。相对相位中心改正模型假定参考天线的PCV为0，通过短基线测量得到其他天线的PCV。而实际上，参考天线的PCV并不为0，而且难以估计高度角10°以下的天线相位中心变化，当天线旋转或者倾斜时，模型的精度难以保证。

为此，美国国家大地测量局于2006年开始使用绝对相位中心模型替代相对相位中心模型，该模型考虑卫星天线相位中心变化，以及接收机天线的方位角、整流罩的影响，受高度角的影响较小。绝对相位中心模型除了考虑接收天线的相位中心改正外，还给出了卫星发射天线的相位中心改正。绝对相位中心模型的先进性在于:①消除参考天线的相位中心影响;②考虑低于10°高度角的相位中心变化;③考虑随方位角变化的相位中心变化;④ 考虑校准时的多路径影响;⑤使用真实的GPS信号。

GPS卫星相位中心是通过计算十多年的IGS观测数据，并对GFZ和TUM的计算结果取平均值得到的。改正方法是:卫星天线相位中心Z方向偏移改正按照单个卫星分类，X、Y方向偏移改正按照同类卫星分类;天线相位中心变化改正按照同类卫星分类。

绝对天线相位中心改正模型的改正公式为

式中，α为卫星信号的方位角;z为GPS接收机的天顶角/卫星的天底角;Δφ(α，z)为 α、z方向总的天线相位中心改正量;Δr为平均天线相位中心至天线参考点的距离;e为接收机至卫星方向上的一个旋转矩阵;Δφ'(α，z)为天线相位中心变化的改正值。

目前，IGS以5°的间隔给出天线相位中心改正值，因此，对于非格网点上的改正可以采用分段内插或者其他算法得到。

三、GNSS系统接收天线相位中心改正软件开发

为了提高核电厂次级平面控制网基线解算精度，基于绝对相位中心模型开发了GNSS系统接收天线相位中心改正软件(简称GOAPCS软件)，对GPS载波相位观测值进行接收天线相位中心改正，输入文件为RINEX格式的观测值文件，输出文件是完成接收天线相位中心改正后的RINEX格式的观测值文件。顾及天线相位中心改正的基线解算流程见图1。

图1 顾及天线相位中心改正的基线解算流程图

GOAPCS软件采用的是 GAMIT/GLOBK Release10.4版本的接收机和卫星天线相位中心改正模型，可改正250种接收机、263种天线类型的接收天线相位中心偏差。若用户测定了天线的绝对相位中心改正模型，并按要求的命名方式和格式存储后，即可对该天线的观测值按测试的模型进行改正。GOAPCS软件适用于广播星历和精密星历。

四、应用实例

在某核电厂次级平面控制网选取9个安装强制对中装置的控制点，点位分布均匀，使用6台Trimble R8双频接收机观测两个时段，基线长度在100～800 m。采用GOAPCS软件对观测数据进行天线相位中心偏差改正处理，得到改正后的观测数据文件，采用美国天宝公司的TGO软件进行基线处理和平差计算。基线解算完成后，为了统计天线相位中心改正对基线解算的影响，比对了高精度全站仪测量成果与卫星定位测量成果(见表1)。

由于试验选用设备的天线相位中心偏差较小，所以天线相位中心改正前后的基线长度差异不大。从表1的统计结果可以看出，经过天线相位中心改正后的基线成果与高精度全站仪测量成果相比较的边长相对精度均满足规范要求的1/200 000的精度要求。但是，利用卫星定位技术测量的高精度平面控制网的边长不宜太短，否则，边长的相对精度很难满足测量精度要求。

表1 天线相位中心改正对基线解算的影响统计表

五、结束语

在高精度施工控制网测量中，天线相位中心偏差对基线解算精度影响较大，必须予以改正。本文研究了顾及天线相位中心改正的基线解算技术，并开发了GNSS系统接收机天线相位中心改正软件，通过对某核电厂次级平面GPS控制网实测数据的处理，表明经过天线相位中心改正后的基线结果要优于未加天线相位中心改正的基线结果，可以满足相关测量规范规定的测量精度要求。

略)