GPS天線相位中心消除偏差方法

GPS天線相位中心消除偏差方法【摘要】本文介紹了GPS接收機(jī)相位中心的確定方法和如何減小相位中心偏差的方法，對提高GPS測量精度有一定的作用。該方法在實(shí)際應(yīng)用中已取得了理想的效果?！娟P(guān)鍵詞】GPS；相位中心；偏差1．引言在GPS測量過程中，我們所得到的觀測值都是以GPS接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的．而天線的相位中心與其幾何中心．在理論上保持一致。可實(shí)際上接收機(jī)天線的相位中心是隨著信號輸入的強(qiáng)度和方向不同而時刻變化的，即觀測時相位中心的瞬時位置與理論上的相位中心位置將有所不同，這種差別叫天線相位中心的位置偏差，它的影響可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。因此．研究天線相位中心及其變化，找到減小這種偏差的方法，對GPS高精度測量有著重要的意義。2.GPS天線的相位中心的確定GPS接收機(jī)的相位中心?也就是通常所說的GPS接收機(jī)的電氣中心，它是一臺測量儀的基準(zhǔn)點(diǎn)，研究GPS接收機(jī)的相位中心的變化規(guī)律，是提高測量精度的重要環(huán)節(jié)。2.1機(jī)內(nèi)時延GPS接收機(jī)為了使用方便，一般都是天線與主機(jī)分開，它們之間通過一根具有一定長度的同軸電纜連接.當(dāng)信號進(jìn)入天線經(jīng)放大、電纜傳輸、再放大、直到相關(guān)解調(diào)，于是便有了一個時延，這就是機(jī)內(nèi)時延。2.2GPS天線的相位中心的確定在GPS測量過程中.我們一般都是把GPS接收機(jī)的天線放在標(biāo)志點(diǎn)上，通常以天線上表面中心作為GPS接收機(jī)的相位中心，而實(shí)際上并不是這樣。我們知道.GPS接收機(jī)在工作時需要同時接收四顆以上GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行放大、傳輸、相關(guān)解調(diào)、運(yùn)算.求出時間、位置、速度、方向等參數(shù)。相關(guān)解調(diào)點(diǎn)是指衛(wèi)星信號到GPS接收機(jī)時延的參考點(diǎn)，對于每一顆衛(wèi)星信號而言，相關(guān)解調(diào)點(diǎn)是測量的參考點(diǎn)（或起算點(diǎn)）。如此看來GPS接收機(jī)的相位中心不在天線上，具體在哪?分析如下：鶴圖I屮!￡——農(nóng)示空何譚行時衛(wèi)星，0一表示EPS捷收檢天統(tǒng)的平面中心直.尸一號示GPS接收機(jī)相關(guān)解調(diào)點(diǎn)“血―一表示0點(diǎn)到空阿衛(wèi)星朗注海.也—表殺機(jī)內(nèi)時延崔離.對于空中某頼EPS衛(wèi)星窩射的借號T經(jīng)空闔到迖GPfi整收飆袤線上平面中心點(diǎn)有一空間傳播時延電磯詭在空間的伎福遠(yuǎn)度為C能么其何強(qiáng)為謖攏內(nèi)時廷為加4佶號裡撫肉的傳播速度対匕則機(jī)內(nèi)時延覽鳥為八皿中國電磁兼容網(wǎng)磚gghg協(xié)EEMCCIn-is.cjry總路程d。為di二da+dD對于天線固定在某位置的GPS接收機(jī).其空間不同位置的衛(wèi)星信號到達(dá)GPS接收機(jī)時，空間時延各不相同，而機(jī)內(nèi)時延卻是相同的.因此在求解GPS接受位置等參數(shù)時，應(yīng)該用總時延二+△lo來進(jìn)行解算。由于需要接收機(jī)四顆GPS衛(wèi)星信號來求解GPS接收機(jī)所在的時間、位置、速度等參數(shù)，從圖1可看出接收機(jī)的相位中心也不在相關(guān)解調(diào)點(diǎn)上。此時的相位中心應(yīng)理解為等效相位中心，它由相關(guān)解調(diào)點(diǎn)到四顆衛(wèi)星的偽距共同決定△。從圖1中可知GPS接收機(jī)的等效相位中心大致可確定在天線平面位置的下方。具體在那里，顯然決定于機(jī)內(nèi)時延的大小和衛(wèi)星在空間的分布情況。衛(wèi)星在空間的分布與GPS接收機(jī)中反映出來的精度衰減因子PDOP值有一定關(guān)系，PDOP值大小反映接收機(jī)的等效相位中心接近天線平面中心軸線的程度。可見.GPS接收機(jī)的等效相位中心是變化的.等效相位中心的這種變化,相對于天線平面中心有水平偏差和高程偏差，偏差的大小與機(jī)內(nèi)時延和PDOP值有關(guān)。3．相位中心偏差的消除如前所述．天線相位中心的位置偏差影響可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米．這對高精度測量來說是不能容忍的，為此我們可通過下面的方法來減弱它的影響，提高測量精度。3．1扣除機(jī)內(nèi)時延從上面的分析我們了解到.引起GPS接收機(jī)等效相位中心發(fā)生偏差的最主要原因是機(jī)內(nèi)時延。如果把機(jī)內(nèi)時延扣除，測量的參考點(diǎn)真正定在天線的表面中心上.GPS接收機(jī)的等效相位中心就不會隨PDOP值發(fā)生變化，這將有利于提高GPS接收機(jī)的測量精度?？鄢龣C(jī)內(nèi)時延的方法是：對于某種型號的GPS接收機(jī)，使用固定型號和固定長度的同軸電纜．在實(shí)驗(yàn)中測出機(jī)內(nèi)時延，把機(jī)內(nèi)時延作為一個改正量，在接收機(jī)測量解算中首先從相關(guān)解調(diào)出來的總時延減去機(jī)內(nèi)時延．再進(jìn)行時間、位置等參數(shù)的解算；另一種方法是把使用不同長度的同軸電纜折算成時延．輸入到接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行時延改正。3_2GPS差分測量GPS差分測量的方法是：將一臺GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測。根據(jù)基準(zhǔn)站已知的高精度坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)．并由基準(zhǔn)站適時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去，用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時，也接收到基準(zhǔn)站送來的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正.這樣可大大消除GPS接收機(jī)等效相位中心發(fā)生偏差的影響。此種方法．我們必須注意以下兩點(diǎn)：GPS差分測量時.每臺GPS接收機(jī)要接收相同的一組衛(wèi)星。前面已討論過．不同的兩組衛(wèi)星等效相位中心偏差大小和方向都不一樣．及時差分也減不掉。為了便于安裝和測量．總是把天線上表面中心作為儀器的等效相位中心.實(shí)際上即是扣除了機(jī)內(nèi)時延，GPS接收機(jī)的等效相位中心和天線上表面中心有個偏差．偏差大小與所用的天線類型有關(guān)。有資料表明．扣除機(jī)內(nèi)時延的起算點(diǎn)應(yīng)是天線頂部饋電點(diǎn)，因此相位中心應(yīng)在饋電點(diǎn)上，對于振子天線和螺旋天線，饋電點(diǎn)就在天線頂部中心；對于大量使用的微帶天線，由于圓極化和阻抗匹配的需要，饋電點(diǎn)與天線上表面中心有一偏差，此外，為了提高接收機(jī)的信噪比，前置放大器緊貼天線下部安裝，由于前置放大器電路安排的需要，便把天線饋電點(diǎn)偏離天線前置放大器基座中心安裝，而基座中心是測量的對中標(biāo)志，所以天線相位中心與基座標(biāo)志中心的偏）差由上述兩因素形成。因此，GPS接收機(jī)應(yīng)在天線上作統(tǒng)一的指向標(biāo)志。在架設(shè)天線時，天線指向標(biāo)志應(yīng)指向同一方向，這樣在差分測量時可消除天