高压电缆卷筒
大地测量与地球动力学
J O U R N A L O F GE O D ES Y A N D GEO D YN A M ICS
第25卷第2期
2 0 0 5 年5 月
Vo l . 25 , No . 2
May ,2005
文章编号:167125942 (2005) 022*******
杨博雄1 ,2)
路
陈志高1 ,2)欧同庚1 ,2)刘海波1 ,2)
杰1 ,2)郑勇1 ,2)杜瑞林1 ,2)
1) 中国地震局地震研究所，武汉430071
2) 地壳运动与地球观测实验室，武汉430071
摘要天线相位中心一致性的检测是GP S 接收机检定工作中必不可少的内容。介绍了GP S 卫星天线特性与微带天线相位中心变化模型，对天线相位中心的一致性检定原理及校准方法等进行了研究和探讨。 关键词GP S 卫星天线相位中心变化模型天线特性一致性检定
中图分类号: P228 . 4文献标识码: A
GPS SATELL ITE A NTENNA C HA R ACTERISTICS A N D VERIFICATIO N
OF P HASE CENTER CO NSISTENCY
Y a n g Bo xio n g1 ,2) , Che n Zhi g ao1 ,2) , O u To n gge n g1) 2) , L i u Hai b o1 ,2) ,
L u J ie1 ,2) , Zhe n g Y o n g1 ,2) a n d Du Ruili n1 ,2)
1) I ns t i t u t e o f S eis m ol o g y , C E A , W u h a n430071
2) C r u s t al M ov e m e n t L abo r a t o r y , W u h a n430071
Abstract It i s e s se n tial fo r GPS receive r verif icatio n to det e ct t h e p h a s e ce n t e r deviatio n of a n t e n na . The c h a r act e r i s tic s of GPS a n t e n n a a n d t h e m o d el of t h e micro b elt a n t e n n a p h a s e va r iatio n ce n t e r ha v e bee n i n t ro d uced i n det a il i n t h e p a p e r .In a d ditio n , t h e ve r if icatio n p ri n cip l e a n d cali b ratio n met h o d of a n t e n n a p h a s e ce n t e r deviatio n , et c. a re st u die d a n d di s c u s se d.
K ey w ords : GP S sat e llit e , a n t e n n a p h a s e ce n t e r , va riatio n mo d elli n g , a n t e n n a cha r act e r , co n s i s t e n cy ve r ifi2 catio n
检定场。根据JJ F 111822004 的规定，天线相位中心
偏差的检定和校准是GP S接收机校准规范中一项必1前言
全球定位系统( GPS) 接收机(基本分为测地型和
[ 1 ]
不可少的工作。随着GP S 接收机检定工作的不断
发展和完善，对GPS 的各项检定指标也需要不断地
更新和改进。本文从GPS 天线特性出发，对天线相
位中心一致性的检定原理以及校准方法等进行了详
细介绍与探讨。
导航型) 校准规范JJ F 111822004 由中华人民共和国
国家质量监督检验检疫总局于2004 年6 月8 日批
准，并于2004 年9 月1 日起正式实施。中国地震局
地震研究所是该项校准规范的主要参与和起草单位,
并建立了以武汉比长基线场为主体的全国GPS 标准
3 收稿日期: 200
4 - 12 - 13
基金项目: 科技部GPS 工程研究中心项目: GPS 标准基线场的建设( 2001201～2004201) “;863”课题：中国地震科学卫星计划的预研与制定( 2003 A A134060)
作者简介: 杨博雄，男,1975 年生，高级工程师，博士研究生，主要从事大地测量仪器检定与GPS 标准检定场的建设等工作
co s a 0
si n a 0 0 2
GPS 卫星天线特性
GPS 卫星天 线是 GP S 用 户设 备 的 重 要 组 成 部
( 3)
δX = - A
分 , GP S 接收机通过天线获取卫星信号及相关数据 信息 , GP S 用于大地测量所获取的基线及三维坐标
矢量是通过基线两端 GP S 天线中心之间的坐标矢量 加上相应的天线高改正获得的 。由于 GP S 天线本身 的特性 ，其几何中心与其电学相位中心不一致 ，两者 不仅在东 、北 、高程 3 个方向存在一个固定的偏差 ，而 且随着接收到的 GPS 卫星的高度和方位的变化而变 化 。这种变化有时在高程方向上会带来十几厘米的 误差[ 2 ] 。若不考虑加以修正 ，必将对测量结果带来影 响 ，尤其是在高精度的 GPS 测量中 。
利用 GP S 进行静态测量 ，对于用同一种类型的
天线进行短基线或超短基线静态测量时 ，由于基线两
端 GPS 天线接收到的卫星数目和信号强度基本一致
(假设没有测站环境干扰) ，基线两端 GPS 天线的电
学相位中心随接收到 GP S 卫星的变化基本相同 ，这
种情况可以认为是由于天线相位中心的变化致使基
线有一个小的平移量 ，但基线长度及相应的三维坐标
分量基本不受影响 ，因此在解算基线时可以不考虑对
天线相位中心的变化进行改正 。
但用同一种类型的天线进行长距离 、高精度测量
时 ，由于基线两端 GP S 天线接收到的卫星不一致 ，不
仅接收到卫星的高度角 、方位角可能不同 ，而且接收
到卫星的数目也可能不同 ，在这种情况下 ，解算基线
时必须考虑对天线相位中心的变化进行改正 。不同 类型的天线混合使用进行高精度测量时 ，也必须对天
线相位中心的变化进行改正[ 3 ]
。 0
从式 ( 3) 可见由天线相位中心引起的距离误差与
星座无关 , 只与天线方向定向有关 。天线相位中心可 事先校准 , 如果相位中心的偏差只出现在 x , y 方向 上 , 则对高程和时间无影响 。因此要求天线必须对准
同一方向 a 0 [ 4 ]
。 4 天线相位中心一致性检定的基本方
法和要求
天线相位中心 ( 一般指平均天线相位中心) 是指 微波天线的电气中心 ，其理论设计应与天线几何中心
一致 。但由于多种原因 ，如天线制造水平 、GP S 信号
入射方向 、高度角等 ，天线相位中心与几何中心之间
不一致 ，即存在偏差 ，该偏差就称为天线相位中心偏
差 。
常用的检定 GPS 接收机相位中心一致性的方法
女儿墙泛水主要有 3 种 ，即旋转天线法 、相对定位法和交换天线
法 。旋转定位法必须在室内进行 ，用微波天线测量设
备测定相位中心位置 。检定中必须有微波暗室 ，因此
旋转天线法所需的设备复杂 、昂贵 ，检定费用高 、耗时
多 ，并且一般测绘部门没有这种设备 ，且不适合野外
检测 。 相对定位法可以在野外随时进行 ，但是它只能测
定天线相位中心的二维水平偏差分量 ，不能测定高程 偏差分量 。交换天线法可以进行天线相位中心垂直
方向的偏差测定 ，但不能进行水平偏差分量的检定 ,
并且不适 合于 接收 机 主机 和天 线 一 体 的 GPS 接 收
机 。因此 ，在野外可以综合利用相对定位法和交换天
线法检定接收机主机与天线分体的 GPS 接收机的天 线相位中心的三维偏差 ，但要分步进行 。
对 GPS 接收机天线相位中心一致性的检定 ，应 选择在视野开阔 、地势平坦 、无强电磁场干扰和无反
射环境下进行 , 超短基线长 1 ～ 10 m 为最佳 。在基 线两端点上安置 GPS 接收机 ，将天线严格置平 ，选择 PDO P ≤5 所对应的时间段进行观测 。相位中心一般 是指平均相位中心 ，而瞬时相位中心是随时间而变化
的 。为了求得稳定的平均相位中心 ，要求有足够长的
观测时间 ，一般要求一个时段不小于 1 . 5 小时[ 5 ] 。
3 微带天线相位中心变化模型
根据 A . G eigr 推导 的天 线 相位 中心 变化 模 型 , 由天线相位的变化而引起的位置误差为 :
δX ( Q ,λ) = N - 1
A T
δr ( Q ,λ)
式中 :
( 1)
si n 2 Q co s λ
si n 2
Q si n λ
A T δr = - κ
δr ( Q ,
λ)β( Q )
Q 为天顶角 ,λ为方位角 。
d Q d λ
si n Q co s Q si n Q
目前大部分 GP S 接收机为微带天线 , 根据微带 天线的结构 , 其天线误差为 :
δr ( Q ,λ) = A si n Q co s (λ- a 0 ) ( 2)
δx2 ,δy2 ) , B 3( - δx2 , - δy2 ) , B 4(δx2 , - δy2 ) 的位置。
5GPS 卫星天线相位中心一致性的检定方法和算法研究同理, 当天线A 1顺时针旋转90°,180°,270°后, A 1分
别转到A2( - δx2 ,δy2 ) , A3( - δx2 , - δy2 ) , A4(δx2 ,
- δy2 ) 位置。由图1 中几何关系可得出表1 所列关系式，其中Δx ,Δy 分别是基线几何中心的坐标差, d x i , d y i
分别是第i 次基线测量的x 坐标差与y 坐标差。
采用相对定位法和交换天线法相结合的检定方法也可一次进行数台GP S 天线相位中心一致性的检测。
5. 1检定方法
在使用GP S仪器进行测量时，应按仪器操作要求和GPS 测量规范要求进行。一般情况下将仪器的采样率设置为15″、高度角设置为15°。在实际中采用相对定位法和交换天线法相结合的方法, 具体如下:
待检GPS 接收机开机工作后，记录开机时间，观
察仪器的显示，检视仪器的工作状态，正常锁住卫星的时间不大于15 分钟, R T K 和R TD 初始化时间不大于3 分钟; 再用相对定位法检定天线相位中心偏差，在超短基线或短基线上先将两台GPS 接收机及其天线按G B/ T1831422002 要求分别安置在超短基线的两个基线点上，精确对中和整平，按统一约定的方向指向北，观测一个时段( 1 . 5 小时) ，此为第一个观测时段；之后，固定一个天线(见图1 ，简称A 天线) 不动，另外一个天线( 见图1 ，简称B 天线) 依次转动90°,180°,270°，观测3 个时段; 然后B 不动, 原固定的A 天线依次旋转90°,180°,270°，再观测3 个时段, 求出各个时段的基线值。
表1 坐标差的相互关系式
R ela tional expressio n a m ong the coordima te diff e rences T a b. 1
A B A B
关系式关系式
指北旋转旋转指北
d x1 =Δx - δx2 - δx1
保健内衣d y1 =Δy - δy2 - δy1
d x2 =Δx - δy2 - δx1
d y2 =Δy - δx2 - δy1
d x3 =Δx - δx2 - δx1
N N
d x5 =Δx - δx2 - δy1
d y5 =Δy +δy2 - δx1
d x6 =Δx - δx2 - δx1
d y6 =Δy - δy2 +δy1
d x7 =Δx - δx2 - δy1
d y7 =Δy - δy2 - δx2
地区搜索N E E N
N S S N
d y =Δy -δδ
y2 - y1
3
d x4 =Δx +δy2 - δx1
d y4 =Δy - δx2 - δy1
N W W N
数学模型与偏差解算
上面对检定步骤与方法进行了介绍，并给出计算公式, 下面利用几何关系和采用最小二乘法来解算表1 中的未知数，从而得到天线相位中心偏差。
5.2
设观测量为: d x i, d y i( i = 1 ,2 ,,7) ;
翻边未知数为:δx1 ,δy1 ,δx2 ,δy2 ,Δx ,Δy ;
误差方程为:V = B X + l ;
X = (δx1 ,δy1 ,δx2 ,δy2 ,Δx ,Δy) T ;
系数矩阵B 为:
T - 1
1
1
- 1
1
1
- 1
- 1
1
- 1
1
1
- 1
- 1
1
7
1
- 3
- 1
- 1
1
7
1
- 1
1
1
- 1
-
1
1
1
7
3
1
1
1
- 1
1
1
-
3
正弦波发生器3
7
1
1
1
1
1
1
- 1
1
1
1
1
1
图1 天线相位中心一致性检测示意图
Fig. 1 Sket ch of verif icatio n of a n ten na p h a s e cent er de2 viat io n
在图1 中, A 与B 分别架设于两个基线点的
GPS 天线。O A O B 分别是天线A 、B 的几何中心, 而A1与B1是天线A 、B 的相位中心。设以天线几何中心O A 为原点, 以O A 与天线的
指北标志的连线为X 轴(即X 轴指北) ，以经几何中心O A 的垂线为Z 轴, Y 轴与X , Z 轴构成右手坐标系，由此，图1 实际是俯视图。假设当两台天线都指北时, 天线A 的相位中心A 1 的坐标为(δx1 ,δy1 ) 。天线B 的相位中心B 1 的坐标为(δx2 ,δy2 ) 。当天线
B 顺时针旋转90°,180°,270°后, B 1分别转到B 2( -
1
7
3
- 3
3
B T PB =
- 3 7
T T
组成法方程解出B PB X = B P l 解出X ，即可求出天线相位中心的精度[ 6 ] 。
笔者根据上述原理用Excel 编写了一个解算软件，计算时只需要按照提示输入各条基线的数值即可立即得到计算结果，非常简单方便，且能适合各种操作系统。检定工作起到参考和借鉴作用。
Ref e rences
1 傅辉清，凌模，等.全球定位系统( GPS) 接收机( 测地型和
导航型) 校准规范JJ F1118 - 2004 [ M ] . 国家质量监督检验检疫总局,2004 .
Fu Huiqing , L ing Mo , et al . Calibratio n sp ecif icatio n fo r glo bal po sitio ni ng sy st em ( GP S Receiver) JJ F1118 - 2004 [ M ] . Stat e A dmini st ratio n fo r Q ualit y In sp ectio n and Q u ara n tine ,2004 .
L a ngley R B . A p r imer o n GPS a n t en na s[J ] .GPS Wo r ld.
1998 , (9) :50 - 54
Br u ce R S ch up ler .Charact erizing t h e behavio r of geo d et ic GP S ant enna [J ] .GP S WO R L D ,2001 ,12 :48 - 54 .
过静−，季如进. GPS 接收机天线相位中心偏差影响及接收机零基线的测定[J ] .测绘通报,1993 ,1 :19～20 .
Gu o J ingj un and J i Rujin. Inf l uence of GP S receiver a n ten2 na p ha se cent er deviat io n a nd det er minatio n of receiver zero ba s eline [J ] . B u llet in of Sur veyi n g and Map ping ,1993 ,1 :
19 - 20 .(in Chine s e)
徐亚明，刘经南.GPS 跟踪站天线几何中心偏移量的测定
[J ] .大地测量与地球动力学,2002 ,22 (4) :124～126 .
Xu Ya ming and L iu J ingna n. Det er minatio n of GPS a nten2 na off set relat ive to fiducial point [ J ] . J o ur nal of G eo d e s y
a n d G eo dyna m ic s ,2002 ,22 (4) :124 - 126 .(in Chine s e)
高玉平. GP S 接收机天线相位中心偏差的检测[J ] .陕西天文台台刊,2001 ,12 :121～125 .
G ao Yupi ng. The det er minatio n of ant enna p ha se center fo r
GP S receiver [ J ] . CSAO Publicat io n s ,2001 ,12 : 121 - 125 .
(in Chinese)
G erald L , Mader . GP S a nten na calibratio n at t he natio n al
geo d etic sur vey. ht t p :/ / www . n g s. no aa . g o v/ AN TCAL / File s/ summar y. ht m l
6GPS 卫星天线相位中心变化的校准方法
根据JJ F 111822004 要求, GP S 卫星天线相位中
1
心的稳定要求天线在不同方位下测定同一基线的变化值△d (各时段基线向量最大值与最小值之差) 应小于GPS 接收机的固定误差，如不满足指标要求，则要采用各种方法进行校准和改正。到目前为止，采用的基本方法有两种，即硬件方法和软件方法。
在硬件方面, GP S 生产商已经研制出了多个馈源GPS 天线，通过在一个安装多个信号馈源，使GPS 天线随着卫星信号变化的减小，而减少天线相位中心变化误差。
在软件方面, 通过大量的实际观测测定出GPS 天线电学相位中心与其几何中心的固定偏差及不同高度角和方位角的卫星信号所引起的天线相位中心的变化参数，并把这些参数加入到软件中，在进行基线解算时利用这些参数对天线相位中心变化进行改正[ 7 ] 。2 3 4 4
5 5 6
7结束语
随着GP S 接收机检定工作的不断发展和完善,
6 对GP S 的各项检定指标也需要不断地更新和改进。天线相位中心一致性检测是GPS 接收机检定中必不
可少的一项内容。本文从GPS 天线特性出发，对天
线相位中心的一致性检定原理以及校准方法等进行
了详细介绍，以期对目前逐步规范的GPS 接收机的
7
( 上接第125 页) J o u r n al of G eo d esy a n d G eo dynamics. 2002 ,
22 (4) : 120 - 123 .(in Chinese)
Tan Yech un a n d Du Ruilin. Ap p licatio n of mo d e2lo cked la s er in S L R[J ] . L a s er Tech nolo g y , 1996 ,20 ( 6) : 329 - 332 .(in Chine s e)
Gu o Ta n gyo n g. CMONOC Tra n spo r t a b le S L R sy st em 6
4 J o h n Degnan. S L R2000 : Pro g re s s and f ut u re app licatio n s
N A S A g o ddar d sp ace f l ight cent er [ R ] . 13t h Inter n atio n al Wo r k shop o n L a s er Ra n ging , 2002 .
Mer ring T A a nd Pearl man M R. Fut ure develop ment s and syner gi sm of sp ace geo detic mea surement s techniques [J ] .G eo dyna m ics S erie s ,1993 ,25 .
谭业春，杜瑞林.锁模激光器在人卫激光测距中的应用[J ] .激光技术,1996 ,20 (6) :329～332 .7
12t h
[ R ] .
2000 .
Int er n atio n al W o r k shop o n L a s er Ranging ,
5
13t h
8 Etienne S a m ain. A n Ult r a St a ble Event Timer [ J ] .
Int er n atio n al Wo r s hop o n L a s er Ranging , Wa s hingto n
( U SA) , 2002 .
6
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