多种GPS天线类型联合观测数据处理方法研究

曹体涛，王 铜，罗 涛，梁 静，马 娜，李 琴

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031； 2.中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3.辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122)

多种GPS天线类型联合观测数据处理方法研究

曹体涛1，王 铜2，罗 涛2，梁 静2，马 娜2，李 琴3

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031； 2.中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3.辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122)

GPS接收机及天线的生产厂商众多，且没有明确观测时天线高的量测方法。在研究Leica和Trimble主流接收机及天线的基础上，统一了天线高的正确获取方法，分析在LGO、TBC等后处理软件中如何自定义相应的天线类型及正确输入天线高，并在某GPS基线检定场进行实测验证，为多种GPS天线类型联合观测及数据处理提供理论依据，具有较高的实用价值。

GPS接收机；天线高；相位中心；静态后处理；LGO；TBC

在GPS观测时，能否正确量测天线高直接影响基线的解算质量，而且在GPS测高应用中对高程的影响重大[1-2]。在使用不同型号的GPS天线联合静态观测时，需要对天线高进行统一[3]，并在后处理软件中针对每种天线进行相应的相位中心改正。目前，GPS生产厂商众多，每种天线造型不一，又没有明确说明量测天线高的方法，对广大用户造成困惑。同时，在使用不同的GPS软件进行数据处理时，其内置天线集里面不一定有所需的天线模型，这需要用户自行建立相应的天线相位中心改正参数，弥补外业量取天线高的差别。

1 GPS天线高的获取方法

GPS天线一般有两个参考点，即天线电学相位中心(EPC)和天线参考点(ARP)。天线的电学相位中心为GPS信号接收的实际位置，根据接收的载波不同分为：L1和L2。电学相位中心也不是固定不变的，其与卫星的高度角、方位角、信号的强度和站星间的几何距离有关，随着它们的变化而变化[4]，于是又分为平均相位中心和瞬时相位中心。天线参考点为GPS 天线上能被实际测量的物理点，通常位于天线座的底部，即机械参考面。GPS主流厂商定义的天线高都是指量测到机械参考面的高度，因此，外业观测时的天线高大都量测到GPS天线的机械参考面，图1为Leica GS15接收机的机械参考面。

图1 Leica GS15接收机机械参考面(m)

以Leica GPS接收机天线高的量测方法为例。Leica为其GPS接收机专门设计了垂直量高用的卷尺，架设三角架进行量高时的具体方法如图2所示，尺子的实际读数为e，垂直偏差为d；此时，量至机械参考面时天线高为e+d，其中d为固定的值，由厂商给出。对于GS15接收机标配的GRT247螺纹支架，d值为0.2545 m。当控制点为强制对中墩，无法使用专用量高尺进行量高时，可以直接量取控制点至接收机机械参考面的高度。

图2 Leica GS15天线量高

外业观测量取天线高后，内业利用LGO、TBC等后处理软件处理数据时，天线相位中心高度应在所量测天线高的基础上加上L1、L2相位垂直偏差及瞬时相位中心改正[5]，图2中b，c分别为L1、L2相位垂直偏差。一般，对于天线相位中心偏差及瞬时相位中心改正，可以从GPS生产厂商处获得，也可从IGS/NGS等组织获取主流GPS的天线相位垂直偏差数据。

2 GPS后处理软件中自定义天线高

商用GPS后处理软件常用的一般为Leica和Trimble公司的产品，因此本文重点针对LGO和TBC软件中天线高的自定义方法进行介绍。Leica公司的GPS数据处理软件LGO为开放软件，该软件具有界面友好、功能齐备等优点，在测绘领域应用较广。Trimble公司的GPS数据处理软件包括：TGO 1.63、TTC 2.73、TBC 3.3。TGO至1.63版后便不再提供版本的升级，已不能处理2011年9月14日以后的数据，TTC也是从2.73版本后就不再更新。目前，天宝的GPS数据处理都是使用其最新的软件TBC，需要软件狗支持，只为用户免费提供一个月试用版软件(http://www.trimble.com/survey/trimble-business-center_support.aspx)。

由于不同组织对天线相位中心的标定方法不同，给出的天线参数也不同，本文以IGS/NGS等组织发布的天线相位中心改正参数为参考进行研究[6]。从2006年11月，IGS/NGS等组织开始从天线相对相位中心转到绝对相位中心标定[7-8]。目前，最新的天线绝对相位中心标定文件可以从NGS网站上下载(http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/)或者从IGS网站下载所有的天线模型文件igs08.atx(http://acc.igs.org/)。

2.1 LGO中自定义天线高

在LGO软件中，对GPS天线的定义主要包括4项改正：垂直偏差、L1相位中心偏差、L2相位中心偏差和附加的瞬时相位中心改正。因此，在利用LGO进行数据解算时，只需输入测量点至接收机机械参考面的高度，再选择合适的天线类型，处理时就会自动加入天线的3个垂直改正量以及附加改正，最终换算到天线的相位中心。

LGO中默认内置了Leica所有的天线类型，但对于其他品牌的GPS天线没有定义，需要用户自己确定正确的天线类型。在上文中提出NGS网站上可以查阅各厂商的天线参数，点击“Data & Imagery”->“Antenna Calibration Data”，选择厂商，找到所需的天线型号，再点击新版天线文件“ANTEX”，将其中的内容复制并粘贴到后缀名为“.DOME” 的记事本内，即完成该天线的自定义。最后，在LGO里右键点击天线，选择“输入天线”，导入前面保存好的DOME天线参数文件即可进行后续的数据处理。

2.2 TBC中自定义天线高

在TBC软件中，对GPS天线的定义主要包括3项改正：天线参考点ARP到天线物理相位中心偏差改正、天线电学相位中心至物理相位中心的绝对相位中心改正和瞬时相位中心随卫星信号高度角、方位角变化的改正，这3项改正由软件自己完成。因此，在利用TBC进行数据解算时，同样只需输入控制点至接收机机械参考面的高度，再选择正确的天线类型及量测方法，即可换算到天线的相位中心。

TBC中天线类型的定义不像LGO那样直观，其天线文件都在软件的安装盘，如C:Program FilesCommon FilesTrimbleConfig文件夹中[9]，主要包括Antenna.ini、*.ife、receiver.ini、*.ngs等文件，其中对天线高的改正文件主要为Antenna.ini、*.ife两个文件。其中Antenna.ini文件中主要定义天线参考点ARP到天线物理相位中心的偏差，*.ife文件中主要定义天线电学相位中心至物理相位中心的绝对相位中心改正以及瞬时相位中心改正。receiver.ini文件主要定义了天线相对应的GPS接收机类型，*.ngs文件为NGS组织先前发布的相对相位中心改正。

为了验证TBC中*.ife文件的天线相位中心改正是否与IGS/NGS发布的一致，以Leica GS15接收机为例进行分析。由于IGS/NGS中的天线相位偏差是从天线参考点起算，而Trimble 软件是从天线物理相位中心起算[10]，为此在计算对比时*.ife文件中的天线相位改正数还应归算至天线参考点。Antenna.ini文件中定义的Leica GS15机械参

考面至物理相位中心的距离为0.223 5 m，*.ife文件中定义L1的相位偏差为-0.0214 m，L2的相位偏差为-0.022 8 m，由此计算出机械参考面至L1、L2平均电学相位中心的距离分别为0.202 1 m和0.200 7 m，与NGS/IGS发布的绝对相位中心改正相同。对于天线瞬时相位中心随高度角及方位角的改正，IGS/NGS与Trimble一样，差别仅仅在于改正量的次序不同。在TBC中已内置了大部分GPS厂商的天线类型，而且最新的天线更新文件也可以在其官网下载，因此可以直接选用。

3 多种天线类型联合观测及数据处理

为了验证GPS天线高的量测方法以及参数自定义的正确性，在某强制对中基线检定场投入8台GPS进行测试研究，其中，4台为Leica GS15一体机，4台为Topcon NET-G3A接收机及CR-G5天线，标称精度为3 mm+0.5 ppm。在P01至P08点上进行连续10 h的观测，其中P01、P03、P06、P07点上架设Topcon仪器，P02、P04、P06、P08点上架设Leica仪器，天线高皆量至天线机械参考面。

在TBC中进行数据解算，并与基线场的21条标准基线长进行对比，详细见表1。表1中1至9号基线两端为同类型的天线，10至21号基线两端为不同种类型的天线。可以看出：相位改正对基线长度有影响，如果基线两端为同种天线类型，相位中心的改正对基线长度基本无影响，如果基线两端为不同种天线类型，相位中心改正对基线长度影响可以达到1.2 mm；TBC中有无天线相位中心改正解算基线长度与标准长度差值较小，符合仪器的标称精度，其标准偏差分别为1.9 mm和2.0 mm，但是进行相位中心改正后解算的结果更接近标准值。

表1 多种天线类型联合观测基线长度对比表

4 结 论

1)本文分析了GPS外业观测时天线高的量测方法，解决了在多种型号GPS天线联合观测时如何通过数据后处理软件正确建立相应的天线模型及统一解算的方法。

2)通过在某基线检定场的实地验证，得出是否进行天线相位中心改正对GPS基线解算的结果确实有影响，在进行天线相位中心改正后基线解算的结果更趋于真值。

3)在精密工程测量中，特别是在多种GPS天线类型联合观测时，有必要进行天线相位中心的改正。

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[2]谭家兵，姚刚，刘星，等.天线高对GPS定位的影响初探[J]. 测绘通报，2003(9)：37-38.

[3]徐绍铨，高伟，耿涛，等.GPS天线相位中心垂直方向偏差的研究[J].铁道勘察，2004(3)：6-8.

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[5]郭际明，史俊波，汪伟.天线相位中心偏移和变化对高精度GPS数据处理的影响[J]. 武汉大学学报:信息科学版，2007，32(12)：1143-1146.

[6]王小瑞，程传录.不同类型GPS接收机天线观测结果分析 [J].全球定位系统，2011(6)：73-75.

[7]曹玉明，王坚，张济勇. 顾及天线相位中心改正基线解算技术的应用研究[J]. 测绘通报，2012(Z)：36-37.

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[11]鲁雪松，陈义.GPS 接收机噪声对天线相位中心检测的影响分析[J].测绘工程，2003，12(3)：29-30.

[责任编辑：张德福]

The joint observation and data processing methods of multi-type GPS antenna

CAO Ti-tao1，WANG Tong2，LUO Tao2，LIANG Jing2，MA Na2，LI Qin3

(1.China Railway No.2 Engineering Group Co.Ltd,Chengdu 610031,China;2.Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3. Liaoning College of Communications, Shenyang 110122, China)

In view of the numerous GPS receiver and antenna manufacturers， and no clear definition about how to measure antenna height, the right method of measuring antenna height is unified. And how to customize the corresponding antenna types and correctly input antenna height in the post-processing software of LGO and TBC are analyzed based on a study of the mainstream receiver and antenna of Leica and Trimble. Experimental verification is carried out in a GPS baseline field and provides theoretical basis for combined observation and data processing of multiple GPS antennas, which has high practical values.

GPS receiver; antenna high; phase center; static after treatment;LGO；TBC

2014-01-07

曹体涛(1977-)，男，工程师，硕士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)07-0055-04