GNSS 接收机天线相位中心误差修正方法

苏国营 韩 勇

（中国地震局第一监测中心，天津300180）

GNSS 接收机天线相位中心是天线的等效辐射中心，但是，绝大部分天线在整个波束空间不存在唯一的相位中心，相位中心会随着信号输入的方向和强度不同发生改变。因此，在分析天线相位中心时将瞬时相位中心和平均相位中心分别讨论。平均相位中心相对天线几何中心的偏差为相位中心偏差（PCO），瞬时相位中心到平均相位中心的偏差为相位中心变化（PCV）。

一直以来，研究人员认为天线相位中心误差对精密测量的影响不可忽略，通过修正天线相位中心误差可以获取更精准的空间坐标或基线值。几十年来，国内外专家学者对GNSS 接收机天线相位中心误差进行了大量研究，天线相位中心改正模型和测量方法已相当成熟，分为绝对相位中心测量和相对相位中心测量。绝对相位中心测量主要采用自动机器人测量法，可以同时测量相位中心偏差和相位中心变化；德国Geo++和美国NGS是该领域的权威机构，测得的天线绝对相位中心模型作为标准模型向全球发布。相对相位中心测量最常用的方法是旋转天线法，可以测量相位中心偏差；该方法容易实现，在国内各项标准和技术规范中被广泛采用。

本文测试了大量GNSS 接收机天线，对天线相位中心误差的修正方法进行了研究。

1 相位中心模型修正的问题

1.1 绝对相位中心模型修正的问题

基于自动机器人的天线绝对相位中心测量法，技术难度大，测量装置成本高，无法实现天线绝对相位中心模型的批量化测量。目前NGS 官网发布的绝对相位中心模型只是针对天线型号而非天线个体，所以在使用绝对相位中心模型修正时，实际上是用该型号中的某一台的参数修正其他所有天线。但是在生产过程中天线存在装配误差，同型号天线的相位中心模型也会有个体差异。因此，不同型号的天线组网观测时，利用绝对相位中心模型可抑制型号差异引入的粗大误差，却无法真正精确修正天线个体的相位中心偏差。

1.2 相对相位中心修正的问题

国内偏重于相对相位中心测量的研究，计量技术规范也大多采用旋转天线法测量天线的水平相位中心偏差。

JJF 1118-2004《全球定位系统（GPS）接收机校准规范》中使用了一种90°旋转法。参考接收机天线和被测接收机天线安置在超短基线或短基线上，天线按统一约定方向指北，观测一个时段。然后固定参考天线不动，被测天线依次转动90°、180°、270°，并分别观测一个时段。然后解算各时段基线值，最大值与最小值之差应小于被测天线的标称固定标准差。该方法本身存在问题：一是最大值和最小值之差不能表征相位中心偏差，二是最大值与最小值之差最大时是与2 倍相位中心偏差相当，三是结果是标量无法用于修正。

表1 TPSCR.G5 NONE 型号天线相位中心偏差（L1 载波）

表2 TRM59900.00 NONE 型号天线相位中心偏差（L1 载波）

《地壳运动监测技术规程》中使用了一种180°旋转法。测试时将两台GNSS 接收机天线分别安置在超短基线的观测墩上，精确整平，参考天线与待测天线定向标志均指向正北。观测1 个完整的全天时段，然后保持参考天线固定不动，将待测天线水平旋转180°，再观测1 个完整的全天时段。按频点处理载波相位观测值，分别求出两个时段的短基线矢量，两个基线矢量的水平分量之差的1/2，为待测天线水平相位中心偏差的东西分量和南北分量。技术规程要求天线相位中心偏差径向长度不得超过2mm，经过标准模型修正后不超过1 mm。该方法能够对天线水平相位中心偏差进行精确的矢量化描述，但测试结果最终只是用于判断天线合格与否，并未用于天线相位中心误差的修正。

图1 L1 载波频点天线水平相位中心偏差分布图

2 实验分析

使用《地壳运动监测技术规程》的180°旋转法，对TOPCON 和TRIMBLE 的天线进行了测试。其中9 台TPSCR.G5 NONE 型号天线在L1 载波频点的水平相位中心偏差如表1 所示，9 台TRM59900.00 NONE 型号天线在L1 载波频点的水平相位中心偏差如表2 所示。其中，ΔN 为水平位中心偏差的南北分量，ΔE 为水平位中心偏差的东西分量。数据显示，经过标准模型修正后，被测天线水平相位中心偏差的径向长度反而变大了，径向长度的分布也更加离散了，说明标准模型没有起到修正作用。

为了验证上述观点，使用180°旋转法测试60 台TPSCR.G5 NONE 型号天线和39 台TRM59900.00 NONE 型号天线，将两种天线在L1 载波频点的水平相位中心偏差绘图（如图1 所示），其中红色圆点为标准模型中的相位中心偏差，蓝色圆点为测量值的平均值。图像显示，天线水平相位中心偏差的分布离散程度较高，测量结果的平均值与标准模型差异较大，说明用一个标准模型修正所有天线是不严谨的。

3 结论

GNSS 接收机天线水平相位中心偏差的个体差异较大，标准模型对天线个体的水平相位中心偏差的修正效果不理想。在高精度测量场景下，如超短基线地壳形变监测时，如果使用不同型号仪器组网，应当使用标准模型消除粗大误差，然后使用每台天线的相位中心偏差进行精确修正；如果使用相同型号仪器组网，则可直接用每台天线的相位中心偏差进行修正。