GPS天线相位中心消除偏差方法     DATE: 2020-05-19 18:40

【摘要】本文介绍了GPS接收机相位中心的确定方法和如何减小相位中心偏差的方法,对提高GPS测量精度有一定的作用。该方法在实际应用中已取得了理想的效果。
【关键词】GPS;相位中心;偏差
GPS天线相位中心,GPS高精度天线,gps高精度定位

1.引言
    在GPS测量过程中,我们所得到的观测值都是以GPS接收机天线的相位中心位置为准的.而天线的相位中心与其几何中心.在理论上保持一致。可实际上接收机天线的相位中心是随着信号输入的强度和方向不同而时刻变化的,即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心位置将有所不同,这种差别叫天线相位中心的位置偏差,它的影响可达数毫米至数厘米。因此.研究天线相位中心及其变化,找到减小这种偏差的方法,对GPS高精度测量有着重要的意义。
2.GPS天线的相位中心的确定
     GPS接收机的相位中心.也就是通常所说的GPS接收机的电气中心,它是一台测量仪的基准点,研究GPS接收机的相位中心的变化规律,是提高测量精度的重要环节。
2.1机内时延
    GPS接收机为了使用方便,一般都是天线与主机分开,它们之间通过一根具有一定长度的同轴电缆连接.当信号进入天线经放大、电缆传输、再放大、直到相关解调,于是便有了一个时延,这就是机内时延。
2.2GPS天线的相位中心的确定
    在GPS测量过程中.我们一般都是把GPS接收机的天线放在标志点上,通常以天线上表面中心作为GPS接收机的相位中心,而实际上并不是这样。我们知道.GPS接收机在工作时需要同时接收四颗以上GPS卫星信号进行放大、传输、相关解调、运算.求出时间、位置、速度、方向等参数。相关解调点是指卫星信号到GPS接收机时延的参考点,对于每一颗卫星信号而言,相关解调点是测量的参考点(或起算点)。如此看来GPS接收机的相位中心不在天线上,具体在哪?分析如下:
GPS天线相位中心,GPS高精度天线,gps高精度定位
总路程d。为di=da+dD
  
对于天线固定在某位置的GPS接收机.其空间不同位置的卫星信号到达GPS接收机时,空间时延各不相同, 而机内时延却是相同的.因此在求解GPS接受位置等参数时,应该用总时延 =△l +△l。来进行解算。由于需要接收机四颗GPS卫星信号来求解GPS接收机所在的时间、位置、速度等参数,从图1可看出接收机的相位中心也不在相关解调点上。此时的相位中心应理解为等效相位中心,它由相关解调点到四颗卫星的伪距共同决定△ 。从图1中可知GPS接收机的等效相位中心大致可确定在天线平面位置的下方。具体在那里,显然决定于机内时延的大小和卫星在空间的分布情况。卫星在空间的分布与GPS接收机中反映出来的精度衰减因子PDOP值有一定关系,PDOP值大小反映接收机的等效相位中心接近天线平面中心轴线的程度。可见.GPS接收机的等效相位中心是变化的.等效相位中心的这种变化,相对于天线平面中心有水平偏差和高程偏差,偏差的大小与机内时延和PDOP值有关。

3.相位中心偏差的消除
    如前所述.天线相位中心的位置偏差影响可达数毫米至数厘米.这对高精度测量来说是不能容忍的,为此我们可通过下面的方法来减弱它的影响,提高测量精度。

3.1扣除机内时延
    从上面的分析我们了解到.引起GPS接收机等效相位中心发生偏差的最主要原因是机内时延。如果把机内时延扣除,测量的参考点真正定在天线的表面中心上.GPS接收机的等效相位中心就不会随PDOP值发生变化,这将有利于提高GPS接收机的测量精度。扣除机内时延的方法是:对于某种型号的GPS接收机,使用固定型号和固定长度的同轴电缆.在实验中测出机内时延,把机内时延作为一个改正量,在接收机测量解算中首先从相关解调出来的总时延减去机内时延.再进行时间、位置等参数的解算;另一种方法是把使用不同长度的同轴电缆折算成时延.输入到接收机内进行时延改正。

3.2GPS差分测量
    GPS差分测量的方法是:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知的高精度坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数.并由基准站适时地将这一改正数发送出去,用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站送来的改正数,并对其定位结果进行改正.这样可大大消除GPS接收机等效相位中心发生偏差的影响。

此种方法.我们必须注意以下两点:

1)GPS差分测量时.每台GPS接收机要接收相同的一组卫星。前面已讨论过.不同的两组卫星等效相位中心偏差大小和方向都不一样.及时差分也减不掉。

2)为了便于安装和测量.总是把天线上表面中心作为仪器的等效相位中心.实际上即是扣除了机内时延,GPS接收机的等效相位中心和天线上表面中心有个偏差.偏差大小与所用的天线类型有关。
    有资料表明.扣除机内时延的起算点应是天线顶部馈电点,因此相位中心应在馈电点上,对于振子天线和螺旋天线,馈电点就在天线顶部中心;对于大量使用的微带天线,由于圆极化和阻抗匹配的需要,馈电点与天线上表面中心有一偏差,此外,为了提高接收机的信噪比,前置放大器紧贴天线下部安装, 由于前置放大器电路安排的需要,便把天线馈电点偏离天线前置放大器基座中心安装,而基座中心是测量的对中标志,所以天线相位中心与基座标志中心的偏)差由上述两因素形成。因此,GPS接收机应在天线上作统一的指向标志。在架设天线时,天线指向标志应指向同一方向,这样在差分测量时可消除天线相位中心偏差带来的测量误差。

4.结论
     本文对GPS接收机天线相位中心的位置进行了比较详细的讨论,得出结论:其等效相位中心在天线平面位置的下方,具体位置决定于机内时延的大小和卫星在空间的分布情况。此外.该方法在工作中已得到应用,并取得了理想的效果。
 

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