摘 要:本文利用一種在野外檢測GPS天線相位中心垂直向偏差的方法，通過兩期(每期72小時不間斷)的觀測得到必要的觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)解算分析了GPS相位中心垂直向偏差的變化規(guī)律，給出了進行GPS高程測量時應(yīng)采取的一些措施和建議。

關(guān)鍵詞:GPS 天線相位中心 垂直偏差

中圖分類號:P2\t\t\t文獻標(biāo)識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0050-02

重慶地處我國西南，自然地理環(huán)境較為復(fù)雜，市域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作日益重要而緊迫。而GPS作為一種高效的測量技術(shù)手段，以測站點間無需通視、全天候觀測、測量范圍大等特點，被廣泛應(yīng)用于三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作。GPS測量在水平方向上的精度較高，對短基線，GPS測量水平向精度可達亞毫米級。而在垂直方向上，其精度較差。其中，GPS天線相位中心垂直向偏差及其穩(wěn)定性作為影響GPS高程測量精度水平的因素之一，其偏差影響最大可達到數(shù)厘米[1]。對于精度要求較高的變形監(jiān)測而言，不容忽視。

目前，GPS接收機天線相位中心穩(wěn)定性的檢測方法有兩種。一種是室內(nèi)檢測法，即在室內(nèi)用微波天線測量設(shè)備測定，因設(shè)備復(fù)雜昂貴，一般GPS檢測部門無此設(shè)備。另一種方法是我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CH8016-95規(guī)定所采用的旋轉(zhuǎn)天線法，即在野外GPS接收機基線檢測場上，利用接收到的GPS衛(wèi)星的信號，通過基線比對來測定，亦稱基線測量相對測定法。但這種方法只能有效地檢測出天線相位中心偏差的水平分量，而垂直偏差分量卻不能精確測定出。

本文利用一種在野外檢測(基線測量相對測定)[2]的方法，對兩種型號的GPS天線進行兩期(每期72小時不間斷)觀測得到觀測數(shù)據(jù)，通過基線數(shù)據(jù)解算，分析出天線相位中心垂直向偏差變化規(guī)律，以給出解決垂直偏差的方法和建議。

1 檢測原理

選擇天空視野開闊、無強電磁干擾的觀測環(huán)境，在相距幾米距離的兩點上(其中一點坐標(biāo)已知且精度較高)，安置兩臺GPS接收機(注意天線嚴(yán)格置平)，選擇三維定位圖形強度因子所對應(yīng)的時間段進行長時間觀測GPS衛(wèi)星，以相對定位。由于兩個測站相距很近，電離層延遲和對流層延遲所產(chǎn)生的誤差以及其它GPS誤差源的影響，可通過模型改正和差分方法而削弱[3]，從而近似地認(rèn)為在高程方向上僅存在天線相位中心誤差。

設(shè)測站A和B的大地高分別為和，天線高分別為和，設(shè)和為測站A和B觀測GPS衛(wèi)星求出的大地高觀測值，天線A和B的相位中心在垂直分量上偏差和(相位中心位于天線抑徑板上方取正值;否則取負(fù)值)。則有:

(1)

其中可由精密水準(zhǔn)測量測得，并作為已知。由公式(1)

可得出兩臺GPS天線相位中心垂直偏差之差:

進而對所得到的相位中心觀測值分別進行分析求解，得出GPS天線相位中心在垂直方向上的相對偏差之差。

2 試驗

2.1 試驗場地簡介

試驗場地布設(shè)有8個觀測墩，每個觀測墩都建有強制對中裝置。選擇其中的兩個(如圖A、B)，南北走向。設(shè)定南面墩位為點A，北面墩位為點B，經(jīng)測量兩墩位相距間隔為14.624m。數(shù)據(jù)處理時以B站為起算點，其WGS-84坐標(biāo)經(jīng)與武漢IGS站聯(lián)測獲得。其示意圖如圖2所示。

2.2 所用的儀器及相關(guān)參數(shù)

對甲、乙兩種天線進行觀測。兩種GPS天線的相位中心標(biāo)注改正值，可根據(jù)GPS處理軟件Gamit或儀器提供商獲得。

觀測墩A、B兩點高程差由精密水準(zhǔn)測量得到，并視為已知。本試驗選用水準(zhǔn)儀分五個測回測定()。并采用強制對中裝置，把基座(內(nèi)嵌有連接頭)放在觀測墩上，通過整平后測定基座的高度。

表1提供了測量的數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集計劃列表

試驗對甲、乙兩種GPS接收機的不同組合進行兩期每期72小時的連續(xù)觀測(部分時段出現(xiàn)失鎖和接收機電池問題)。兩期觀測儀器搭配及時間分布如表2、表3所示。

數(shù)據(jù)采集采用靜態(tài)相對定位方法，天線指北，采樣率為15秒。在每次觀測前和結(jié)束后，從墩面三個方向(相隔120度)用直尺量取GPS天線基座高(±1mm量測精度)。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理軟件采用Trimble Geomatics Office 1.6，采用廣播星歷，利用載波相位雙差固定解進行基線解算。數(shù)據(jù)處理采用了L1載波，(L1+L2)窄巷13度、(L1+L2)窄巷18度三種方式。解算結(jié)果比較分析如下。

3.1 第一期觀測試驗結(jié)果

第一期對同型號GPS接收機(甲1、甲2)進行觀測，采用L1載波處理，并將24小時連續(xù)觀測數(shù)據(jù)分成24個時段進行解算，分時段處理結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，天線相位中心垂直向偏差大部分低于4mm，少數(shù)時段偏差較大，如在觀測當(dāng)天第四個時段偏差達6mm。采用24小時分時段處理結(jié)果后平均值是－0.80mm(4月19日)，－0.31mm(4月20日)。

試驗表明，采用“分時段處理再取均值”的方式可有效提高垂直向解算精度，精度水平可達亞毫米。在實際解算過程中，利用6個時段的觀測數(shù)據(jù)即可獲得能夠反應(yīng)試驗精度水平的結(jié)果，更長的觀測時間不能進一步提高精度水平。

3.2 第二期觀測試驗結(jié)果

第二期對不同儀器型號的GPS接收機進行觀測。將24小時連續(xù)觀測數(shù)據(jù)分成24個時段進行解算，并分別采用(L1+L2)窄巷13度、(L1+L2)窄巷18度兩種方式解算。

3.2.1 (L1+L2)窄巷18度解算

解算結(jié)果如圖4所示。

解算結(jié)果顯示，最大偏差值為5月16日第3個觀測時段，偏差值為46.5mm。24小時分時段處理結(jié)果的平均值分別是36.8mm(5月14號)，35.0mm(5月16號)，35.2mm(5月17號)，表明試驗結(jié)果表明，不同儀器型號的天線相位中心在垂直方向的偏差較大，存在系統(tǒng)誤差。

3.2.2 (L1+L2)窄巷13度解算

對第二期5月14日觀測數(shù)據(jù)分24個時段，采用(L1+L2)窄巷13度限制高度角的方式進行處理，處理結(jié)果如圖5所示。

分析比較5月14日使用窄巷(L1+L2)方式18度限制高度角和13度限制高度角的解算結(jié)果發(fā)現(xiàn):18度限制高度角解算結(jié)果要比13度稍大，兩者偏差的差值在4mm以內(nèi)。但在衛(wèi)星狀況不是很好的情況下，使用了太大的高度角限制，會無解或者無固定解。

本次試驗結(jié)果來看，對第二期數(shù)據(jù)采用不同的限制高度角，組合方式，得到的解之間的差值達8mm，在使用TGO處理數(shù)據(jù)的時候，可以視衛(wèi)星的情形和所得精度的要求適當(dāng)?shù)氖褂酶叨冉窍拗?，以達到較好的解。

4 結(jié)語和建議

(1)對同一種儀器型號的GPS接收機及天線，天線相位中心垂直向偏差在mm級，通過24小時分時段處理再取均值的方式，可達到亞毫米精度。對不同種儀器型號的GPS接收機及天線，天線相位中心垂直向偏差在CM級。使用同一種儀器型號的GPS天線能夠有效降低天線相位中心的垂直向偏差。(2)對于精度要求較高的變形監(jiān)測工作，建議采用同一種儀器型號的GPS天線。并盡量采集多時段的數(shù)據(jù)，從試驗情況看，觀測時段宜多于6小時。(3)對采用了不同儀器型號的情況，應(yīng)事先測定出不同型號儀器間的相位中心偏差改正值，并在解算時加入此改正值，以提高高程向解算精度。(4)在實際工程應(yīng)用中，視衛(wèi)星星座情形和觀測條件，采用不同的限制高度角、波段組合方式進行解算，以提高解算精度。

參考文獻

[1] \tGerald L.Mader.GPS Antenna Calibration at the National Geodetic Survey[J].GPS Solutions，1999，3(1):50～58.

[2] \t高玉平.GPS接收機天線相位中心偏差的檢測[J].陜西天文臺臺刊，2001，24:121.

[3] \t曾云，胡友健.GPS短基線測量的誤差來源[J].城市勘測，2004.

[4] \t徐紹銓，張華海，等.GPS測量原理及應(yīng)用(修訂版)[M].武漢大學(xué)出版社，2003，1.