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摘要：随着社会的进步，GPS技术得到了快速的发展，逐步影响到人们的生活。GPS具有不仅速度快、精度高，而且具有布点灵活、可以全天候工作等优点。天线相位中心误差在很大程度上影响到地壳形变监测定位，是影响精度的重要误差源。因此，天线相位中心校正已经是提高精度的高效手段，它的前提就是进行GPS天线相位中心测定。本文基于GPS天线相位中心的验证原理，改进了验证过程，提出了一种新的GPS天线相位中心验证方法。
关键词：GPS天线；相位中心；检定方法
引言
根据天线相位中心检测原理，详细分析了天线相位中心的检测过程，通过理论推导，找出了GPS接收机检定天线相位中心方法的不足，提出了一种简单可行的解决方案。在此基础上，改进了现场操作和现场数据处理的验证方法，并通过实验验证了改进的有效性。目前，GPS接收机的检测主要依据JJF1118-2004（全球定位系统（GPS）接收机校准规范）。
1天线相位中心改进的原理
1.1基本原则
GPS天线相位中心偏差调整的验证分为现场数据采集和现场数据处理两部分。野外数据采集过程简单、快速、可靠，但该领域的数据处理并没有提供准确、定量的数据求解方法，因此在野外数据采集中，根据旋转角度的特殊性和天线相位中心偏差的不变性，GPS接收机安装在超短基线或短基线处，通过多次观测收集数据。由于天线相位中心偏差值不变，可以根据观测数据计算出所有基线的长度，然后利用余弦定理计算出每一个角度。最后，根据角度恒等式给出了d的二次方程，精确求解了天线的相位中心偏差。
1.2数据收集和处理
根据JJF1118-2004（全球定位系统（GPS）接收机校准规范）野外数据采集验证方法的规定先选2台GPS接收机正确安装在超短基线或短基线上，使天线定向标志指北，观测一个时段（1.5小时）；然后选择一个天线固定，另一个天线依次转动90°、180°和270°，每次持续观察一个时段，解算各时段的基线值，分析天线相位中心误差。发现仪器并不能满足精度要求，但是改进后的方法可以保证仪器完全满足精度要求，可以使用。
2天线相位中心改进的验证步骤
2.1操作方法
目前常用的操作方法是旋转天线法，即保持一台仪器静止，另一台仪器向北观察一段时间，然后每次转动90度，共观察4个周期，然后计算基线值最大值与最小值之差作为验证结果，只要结果的误差小于固定误差的2倍，就可以认为是合格的。
在图1中，OA是天线的A1几何中心，A1、A2、A3和A4分别是四个周期的相位中心位置，四点直线形成一个正方形。O和A2、A4、OA在一条直线上。此时，从最长边减去最短边的结果等于所示两相偏移的理想情况。但当这些点不在一条直线上时，结果将小于实际值，这在理论上并不严格。
在图2中，S1和S2之间相差的距离小于A1和A2之间的距离（三角形的两个边之间相差的距离小于第三个边之间的距离），而A1A2明显小于A2A4，因此结果是偏小的。综上所述，在使用该方法进行天线相位中心检定时主要存在以下问题：
（1）由于方法本身不够严格，使得验证结果偏小，故结论不具有严密性。
（2）在实践中，不准确的90度向北转弯也会影响核查结果的可靠性。
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图1 理想情况 图2 一般情况
2.2改进后的方法
为了改善底座，使用底座的三个孔（如莱卡的GPS底座）作为强制装置进行使用，每循环取出底座的上半部分，然后将其旋转回120度固定。
在图3中，OA与A1、A2和A3之间的角度为120度。如果天线相位中心的偏差为d，即三个边的长度为d，则A1A2、A1A3和A2A3的长度为d。
如图3所示：
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图3 改进后的方法
计算公式为：
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该方程是一个单变量多非线性方程，传统方法无法求解，需要迭代方法来求解，采用二分法求解方程，迭代精度控制在0.1mm以内。这种方法的优点是：
（1）三点与几何中心的夹角均固定在120度，并严格在同一位置，消除了天线旋转的不准确误差。
（2）从理论上讲，该方法比规则更为严格，计算结果不失真。
（3）对检定过程进行改进，提出新的天线相位中心检测可行性方法，计算相位中心偏差只需要三个观测周期，加快了检定时间。
2.3实验验证
为了验证新的方法是否行得通，需要用两台仪器采用不同的方法进行观测，最后结果发现，虽然两种方法结果都是正确的，但新的方法更加具有可靠性。因此，在原有验证方法的基础上，改进了验证过程和数据处理，得到了更为严格的验证结果，减小了密集计算过程中相位中心的偏差范围，具有实际意义。
3实验研究实例
2011年，我国的地壳运动监测工程研究中心一款自动测量机器人。技术研究中心合作对基于GPS的自动测量机器人进行实验研究，精确检测天线相位中心的变化。
3.1现场安装和测量机器人安装
自动测量机器人由伺服电机驱动轴和机械手腕组成。如图4所示，机械手腕的部分用作机械臂，手腕的关节部分称为轴或关节。从底座底部开始的前三个轴（j1、j2、j3）称为底座轴，分别由若干直线轴和旋转轴组成，主要用于实现广泛的摇摄、倾斜和滚动运动。手臂上端的三个轴（J4、J5、J6）称为机械腕部轴，可以进行小姿态的调整，例如扭动、上下摆动、左右摆动等。
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图4 测量机器人组成构件示意图
3.2控制软件
中国科学院沈阳自动化研究所开发了测量机器人控制程序。图5显示了控制软件的控制界面。软件可以实现机器人的交互操作，主要包括以下六个方面：一是数据通信，二是状态初始化，三是静态姿态设计，四是运动轨迹设计，五是实时状态显示，六是结果输出。
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图5 控制软件操作页面
3.3数据质量
多径误差是影响高精度校准天线相位中心变化的重要因素之一。严重的多径误差会导致相位观测数据误差达到几毫米甚至几厘米，直接影响天线相位中心校准的精度。为了测试多径效应引起的误差，采用Trimble-zephyrⅡ型地面天线和trimbretrm59800阻风门天线进行了测试。图6a是天宝二型天线采集过程中处理的所有卫星观测数据的多径误差统计结果。图6b是扼流圈天线的计算结果。因此，为了减小多径效应的影响，尽可能多地使用扼流圈天线。
实验选用了两个Trimble NetR8型GNSS接收机和匹配的Trimble TRM59800扼流天线。一组放在基站的观测墩上，另一组放在精密机械臂的末端。将数据采样率设为1Hz，一次观测过程的持续时间约为2小时，得到待测天线的数据覆盖率。
3.4预算结果
根据本次实验研究中自动测量机器人采集的整个检测过程（约2小时）的观测数据，根据式（1）建立了功能模型，计算出天线相位中心的校正数。计算结果表明，机器人法得到的天线相位中心与geo++给出的修正参数在平面方向上的偏差约为2mm，在仰角方向上的偏差约为3mm，平面精度略高于仰角。其中，L1geo++和L2geo++分别表示L1和L2的校正参数提供的载波频率，机器人L1Robot和L2Robot分别表示L1和L2的载波频率的校正参数。在本研究中，计算值和ΔL1和ΔL2表示通过调整两种方法获得的两个参数之间的差异。
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图6 多路径误差
4结论
通过理论推导，找出了GPS接收机检定平差中天线相位中心检测方法的不足，提出了一种简单可行的解决方案，改进后的数据处理过程能够准确地确定GPS接收天线的相位中心偏差，便于高精度测量仪器的选择，该方法在用于精确校准我国自主研制的北斗卫星导航系统天线相位中心上也有一定的参考价值。试验表明，改进后的方法更加可靠。对该方法的实际检定结果进行分析，得出该方法对相位中心检定的实际偏差能起到进一步的缩减，提高检定时间效能。
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