徐小左

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043)

Antenna Definition in Processing Trimble GPS Data by Leica LGO

XU Xiaozuo

徠卡LGO解算天寶GPS數(shù)據(jù)的天線定義

徐小左

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

Antenna Definition in Processing Trimble GPS Data by Leica LGO

XU Xiaozuo

摘要從理論上分析天線高對(duì)基線質(zhì)量檢核的影響并提出天線定義的解決方案。以LGO軟件解算天寶GPS數(shù)據(jù)的天線定義為例，詳述天線定義的具體過(guò)程，通過(guò)工程GPS項(xiàng)目計(jì)算實(shí)例，對(duì)提出解決方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞徠卡LGO天寶GPS數(shù)據(jù)解算垂直相位偏心天線定義

1概述

應(yīng)用GPS定位技術(shù)建立控制網(wǎng)(主要是平面控制網(wǎng))較常規(guī)測(cè)量方法有明顯優(yōu)勢(shì)，如觀測(cè)速度快、定位精度高、布點(diǎn)靈活、可以全天候作業(yè)等，而且它是一種被動(dòng)系統(tǒng)，可被無(wú)限多個(gè)用戶使用，信用度和抗干擾強(qiáng)，目前已經(jīng)在很大程度上取代了常規(guī)測(cè)量方法[1]。

GPS外業(yè)測(cè)量中徠卡和天寶接收機(jī)使用最多，相應(yīng)的基線解算軟件也多采用這二者隨接收機(jī)配備的商用軟件：LGO和TGO，這兩款軟件解算各自的接收機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)均能得到滿意的基線結(jié)果。在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，受內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員軟件使用習(xí)慣以及對(duì)軟件熟悉程度的影響，經(jīng)常存在采用LGO軟件解算天寶GPS數(shù)據(jù)或TGO軟件解算徠卡GPS數(shù)據(jù)的情況，這樣的變通方法會(huì)出現(xiàn)軟件不能識(shí)別天線類(lèi)型的問(wèn)題，導(dǎo)致天線高出錯(cuò)，最終影響基線解算質(zhì)量。從理論上分析天線高對(duì)基線質(zhì)量檢核的影響，對(duì)GPS天線高作一闡述并提出天線定義的解決方案，以LGO軟件解算天寶GPS數(shù)據(jù)的天線定義為例，詳述天線定義的具體過(guò)程。通過(guò)工程GPS項(xiàng)目計(jì)算實(shí)例，對(duì)提出解決方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并給出有益的結(jié)論，可為其他類(lèi)似的GPS計(jì)算項(xiàng)目借鑒。

2存在問(wèn)題

GPS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理一般按照基線解算、無(wú)約束平差、約束平差或聯(lián)合平差的步驟進(jìn)行?；€解算成果的質(zhì)量檢核、無(wú)約束平差均是三維檢核，與天線高有密切的關(guān)系；對(duì)于約束平差或聯(lián)合平差，由于已知點(diǎn)的原因，多采用二維平差，且文獻(xiàn)[2]通過(guò)實(shí)例分析也得出了“天線高對(duì)平面坐標(biāo)的影響不大，但對(duì)點(diǎn)位誤差的影響較大”的結(jié)論。天線高對(duì)于約束平差或聯(lián)合平差的影響本文不再贅述，僅探討天線高對(duì)基線解算結(jié)果的質(zhì)量檢核以及無(wú)約束平差的影響。

評(píng)定基線解算結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)有兩類(lèi)，一類(lèi)是基于測(cè)量規(guī)范的控制指標(biāo)，另一類(lèi)是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的參考指標(biāo)[3]。在工程應(yīng)用中，控制指標(biāo)必須滿足，而參考指標(biāo)則不作為判別質(zhì)量是否合格的依據(jù)?？刂浦笜?biāo)目前主要有重復(fù)基線較差、異步環(huán)閉合差、無(wú)約束平差基線向量殘差。以下分析天線高對(duì)控制指標(biāo)的影響。

2.1　天線高對(duì)重復(fù)基線較差的影響分析

不同觀測(cè)時(shí)段對(duì)同一條基線的觀測(cè)結(jié)果就是所謂重復(fù)基線，這些觀測(cè)結(jié)果之間的差異就是重復(fù)基線較差。重復(fù)基線較差是評(píng)價(jià)基線結(jié)果質(zhì)量非常有效的指標(biāo)。當(dāng)其超限時(shí)，就表明重復(fù)基線中一定存在質(zhì)量不滿足要求的基線，通過(guò)一條基線三次以上的重復(fù)觀測(cè)結(jié)果，通常能夠確定出存在質(zhì)量問(wèn)題的基線解算結(jié)果。

如圖1所示，天線高量測(cè)正確時(shí)，基線J1-J2對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為S，若天線高變化Δh之后，對(duì)應(yīng)的基線長(zhǎng)度為S1，由于Δh較基線長(zhǎng)度非常小，因此，Δh對(duì)應(yīng)的角度也非常小，亦即可認(rèn)為∠J2=90°。于是可列出S1、S、Δh之間的關(guān)系式

(1)

為了探討Δh對(duì)S的影響，對(duì)式(1)求全微分，得

(2)

從式(2)可以看出，Δh以及dΔh與S相比很小，dS值也會(huì)很小，亦即天線高出錯(cuò)對(duì)基線長(zhǎng)度的影響很小，對(duì)重復(fù)基線較差的影響也很小。

圖1　天線高變化對(duì)重復(fù)基線較差影響

2.2　天線高對(duì)異步環(huán)閉合差及無(wú)約束平差的影響分析

GPS閉合環(huán)閉合差檢查可分為同步環(huán)和異步環(huán)閉合差檢查[4]。當(dāng)異步環(huán)閉合差滿足限差要求時(shí)，則表明組成異步環(huán)的基線向量質(zhì)量合格；當(dāng)異步環(huán)閉合差不滿足限差要求時(shí)，則表明組成異步環(huán)的基線向量中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格，要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格，可以通過(guò)綜合分析多個(gè)相鄰的異步環(huán)或重復(fù)基線來(lái)進(jìn)行。而同步環(huán)閉合差是由同步觀測(cè)基線所組成的閉合環(huán)閉合差。由于同步觀測(cè)基線間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，從而使得同步環(huán)閉合差在理論上應(yīng)為0，由于在一般的工程應(yīng)用中所采用的商用軟件的基線解算模式為單基線模式，同步環(huán)閉合差并不能保證一定為0，但通常應(yīng)是一個(gè)微小量。如果同步環(huán)閉合差超限，則說(shuō)明組成同步環(huán)的基線中至少存在一條基線向量是錯(cuò)誤的，但反過(guò)來(lái)，如果同步環(huán)閉合差沒(méi)有超限，還不能說(shuō)明組成同步環(huán)的所有基線在質(zhì)量上均合格。因此，目前的GPS閉合環(huán)閉合差重點(diǎn)檢查異步環(huán)閉合差。

圖2　天線高變化對(duì)環(huán)閉合差影響

如圖2所示，H2點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)同大地坐標(biāo)之間存在如下關(guān)系[5]

(3)

對(duì)式(3)求關(guān)于大地高H2的微分關(guān)系式，即

(4)

從式(4)可以看出，當(dāng)H2點(diǎn)的大地高發(fā)生變化，亦即天線高出錯(cuò)時(shí)，將對(duì)H2點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)以及與H2點(diǎn)同時(shí)段觀測(cè)的基線分量產(chǎn)生影響，并最終影響異步環(huán)閉合差。

而天線高對(duì)無(wú)約束平差的影響，與上述分析的天線高對(duì)異步環(huán)閉合差的影響類(lèi)似，天線高出錯(cuò)的影響將直接反映到三維基線向量殘差上。

3解決方案

從前述天線高對(duì)基線質(zhì)量檢核影響的理論分析可知，天線高出錯(cuò)對(duì)重復(fù)基線的影響較小，但對(duì)異步環(huán)閉合差和無(wú)約束平差的基線向量殘差有較大影響。在地面標(biāo)志點(diǎn)以上的GPS天線高有三部分組成：垂直高或傾斜高讀數(shù)、垂直偏移量、垂直相位偏心。其中的前二者在外業(yè)觀測(cè)中就可確定，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)主要是準(zhǔn)確確定天線的垂直相位偏心，亦即天線的定義問(wèn)題。當(dāng)采用LGO軟件解算天寶GPS數(shù)據(jù)或TGO軟件解算徠卡GPS數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)識(shí)別不了天線類(lèi)型的問(wèn)題，從而導(dǎo)致天線高出錯(cuò)，使得GPS觀測(cè)值無(wú)法準(zhǔn)確地歸化到天線的相位中心，最終影響異步環(huán)閉合差和無(wú)約束平差的基線向量殘差的大小。

現(xiàn)首先對(duì)垂直相位偏心[6]作一說(shuō)明，然后以LGO軟件解算天寶GPS數(shù)據(jù)的天線定義為例，詳述天線定義的具體過(guò)程。

3.1　垂直相位偏心

GPS測(cè)量測(cè)定的是從衛(wèi)星發(fā)射天線至接收機(jī)天線相位中心間的距離。而接收機(jī)的天線相位中心與天線的參考點(diǎn)(Antenna Reference Point，ARP)間往往不一致，接收機(jī)天線在對(duì)中、量天線高時(shí)是以天線參考點(diǎn)為準(zhǔn)的，因而需要進(jìn)行天線相位中心改正。

天線垂直相位偏心通?？煞譃閮蓚€(gè)部分：一是天線的平均相位中心(天線瞬時(shí)相位中心的平均值)與天線參考點(diǎn)ARP之間的偏差，稱為天線相位中心偏差(Phase Center Offset，PCO)；二是天線的瞬時(shí)相位中心與平均相位中心的差值，稱為天線的相位中心變化(Phase Center Variation，PCV)。對(duì)于某一天線而言，天線相位中心偏差PCO可以看成是一個(gè)固定的偏差向量，而天線的相位中心變化PCV則與信號(hào)方向有關(guān)，會(huì)隨著信號(hào)的方位角及天頂距(天底角)的變化而變化。

3.2　垂直相位偏心的確定及改正

在2006年11月以前，IGS一直采用相對(duì)天線相位中心改正模型，該模型是以AOAD/MT型天線作為參考標(biāo)準(zhǔn)的，并假定該天線的相位中心改正為零。通過(guò)將其他各類(lèi)天線與參考天線在短基線上進(jìn)行相對(duì)定位后測(cè)定其他各天線的相位中心改正，并予以公布供用戶使用，用戶可從IGS或NGS網(wǎng)上下載所需資料。普通測(cè)量人員在野外短基線上與參考天線進(jìn)行相對(duì)定位后，即可確定所用的接收機(jī)天線的相位中心改正，方法簡(jiǎn)便可行。

利用上述方法所求得的垂直相位偏心實(shí)際上并不是各類(lèi)接收機(jī)天線真正的垂直相位偏差，而是相對(duì)于參考天線AOAD/MT的垂直相位偏心。因?yàn)閰⒖继炀€的垂直相位偏心實(shí)際上并不是嚴(yán)格為零。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，IGS決定從2006年11月起用絕對(duì)相位中心改正模型取代原來(lái)的相對(duì)天線相位中心模型。

絕對(duì)相位中心模型中的天線相位中心偏差和相位中心變化通常采用下列兩種方法來(lái)進(jìn)行測(cè)定：第一種方法是在微波暗室中用微波信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的模擬GPS信號(hào)來(lái)對(duì)接收機(jī)天線進(jìn)行檢測(cè)；第二種方法是在室外利用真正的GPS信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)機(jī)器人將接收機(jī)天線傾斜、旋轉(zhuǎn)，從而來(lái)測(cè)定接收機(jī)天線的相位中心偏差和相位中心變化。

NGS網(wǎng)站上給出的接收機(jī)天線的絕對(duì)垂直相位偏心改正文件the ant_info.003 file的具體格式如圖3所示。

圖3　NGS接收機(jī)天線垂直相位偏心改正文件格式

如圖3所示，給出了PCO在測(cè)站地平坐標(biāo)系中的三個(gè)分量(north，east，up)，用戶可以方便地將它們轉(zhuǎn)換為(ΔB，ΔL，ΔH)。如果采用空間直角坐標(biāo)系時(shí)，則需要采用下式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[7]

(5)

(6)

求得天線參考點(diǎn)的位置后，就可根據(jù)天線對(duì)中的數(shù)據(jù)(是否有偏心)及儀器高等數(shù)據(jù)求得標(biāo)石中心的位置。

天線相位中心變化PCV通常用來(lái)改正距離觀測(cè)值。具體公式為

(7)

3.3　接收機(jī)天線自定義過(guò)程

通過(guò)前面垂直相位偏心的介紹可知，隨接收機(jī)配備的商用軟件處理不同品牌的接收機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，只要準(zhǔn)確的定義該接收機(jī)天線的垂直相位中心偏差，就可以實(shí)現(xiàn)GPS觀測(cè)值從天線相位中心改化到標(biāo)石中心?，F(xiàn)以LGO軟件解算天寶GPS數(shù)據(jù)為例，闡述天線自定義的具體過(guò)程。

(1)從RINEX數(shù)據(jù)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件(后綴.yyo)中提取天寶GPS天線型號(hào)。

(2)根據(jù)該天線型號(hào)，在http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/上下載對(duì)應(yīng)的接收機(jī)天線垂直相位中心偏差改正文件[8]，如圖4所示。

圖4　TRMR8天線垂直相位偏心改正文件

(3)圖4中的TRMR8天線垂直相位偏心改正文件尚不能直接通過(guò)LGO的天線管理—輸入天線導(dǎo)入LGO使用，究其原因主要是因?yàn)椋?/p>

天寶RINEX數(shù)據(jù)中的天線高位置為天線的相位中心，而圖4中PCO的參考位置為天線座底部，兩者之間的差值為0.065 m；

LGO中PCV是按天頂距每5°遞增排序的，而圖4中PCV是按天頂距每5°遞減排序的。

編輯之后，可導(dǎo)入LGO軟件的TRMR8天線垂直相位中心偏差改正文件，如圖5所示。

圖5　編輯后的TRMR8天線垂直相位中心偏差改正文件

4實(shí)例分析

某一隧道洞外控制網(wǎng)采用GPS觀測(cè)，測(cè)量等級(jí)為高鐵二等，使用LGO軟件進(jìn)行解算?；€解算完成后，采用“科傻”GPS平差軟件對(duì)基線數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)基線較差、異步環(huán)閉合差以及三維無(wú)約束平差的基線向量殘差進(jìn)行檢核，發(fā)現(xiàn)該隧道洞外控制網(wǎng)的基線數(shù)據(jù)共形成31組重復(fù)基線，較差全部合格；共形成異步環(huán)22個(gè)，其中有4個(gè)超限；無(wú)約束平差中基線向量殘差超限的基線有9條，現(xiàn)將超限的異步環(huán)及無(wú)約束平差基線向量殘差超限的基線的具體情況分別列于表1和表2。

表1　異步環(huán)閉合差超限統(tǒng)計(jì)

表2　無(wú)約束平差基線向量殘差超限統(tǒng)計(jì)　cm

從表1、表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，超限的異步環(huán)和無(wú)約束平差基線向量殘差超限的基線均與CPⅠ112有關(guān)，且均是Y方向的值較大，可初步判定該點(diǎn)的天線高有問(wèn)題，檢查該點(diǎn)的外業(yè)觀測(cè)手簿并詢問(wèn)該點(diǎn)的觀測(cè)人員之后，確認(rèn)該點(diǎn)的外業(yè)天線高量測(cè)正確。但該觀測(cè)人員反映CPⅠ112點(diǎn)有一個(gè)時(shí)段由于前一臺(tái)GPS接收機(jī)異常，臨時(shí)替換成天寶R8接收機(jī)進(jìn)行了觀測(cè)。進(jìn)而對(duì)LGO計(jì)算項(xiàng)目?jī)?nèi)的天線檢查發(fā)現(xiàn)TRMR8天線的垂直相位偏心改正值均為0，亦即由于LGO軟件未能識(shí)別天寶TRMR8天線，最終導(dǎo)致天線高出錯(cuò)。

排查出原因之后，按照前面介紹的天線自定義過(guò)程，在LGO計(jì)算項(xiàng)目中補(bǔ)充了TRMR8天線相應(yīng)的垂直相位偏心，重新進(jìn)行基線解算后，重復(fù)基線較差、異步環(huán)閉合差以及三維無(wú)約束平差的基線向量殘差檢核全部合格，能夠進(jìn)行后續(xù)的約束平差。

5結(jié)論

(1)天線高對(duì)重復(fù)基線較差影響較小，對(duì)異步環(huán)閉合差以及三維無(wú)約束平差基線向量殘差的影響較大。因此，即使最終采用二維平差的方式，仍需要準(zhǔn)確地確定天線高。

(2)接收機(jī)天線定義時(shí)，必須要清楚所下載的垂直相位偏心改正文件中PCO的參考位置以及PCV與天頂距的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并要清楚所用商用軟件對(duì)天線垂直相位偏心的要求，如與下載的垂直相位偏心改正文件不一致，需作必要的編輯，方可導(dǎo)入使用。

(3)采用隨機(jī)配套的商用軟件計(jì)算不同品牌的GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，在導(dǎo)入GPS數(shù)據(jù)之后，必須要檢查所用天線的垂直相位偏心是否正確，如不正確或未被識(shí)別，采用本文的天線定義方法即可得到滿意的結(jié)果。

(4)以徠卡LGO解算天寶GPS數(shù)據(jù)時(shí)的天線定義為例，對(duì)垂直相位偏心以及天線定義過(guò)程作了詳細(xì)的闡述，并通過(guò)工程GPS項(xiàng)目計(jì)算實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，最終給出有益的結(jié)論，可為其他類(lèi)似的GPS計(jì)算項(xiàng)目借鑒。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0020-04

作者簡(jiǎn)介：徐小左(1985—)，男，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，E-mail:shuzidiqiu_5200@126.com。

收稿日期：2014-12-29