不同接收机北斗天线相位中心改正模型定轨性能分析.pdf

第4 3卷 第9期2 0 2 3年9月大 地 测 量 与 地 球 动 力 学J o u r n a l o fG e o d e s ya n dG e o d y n a m i c sV o l.4 3N o.9S e p t.,2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 4项目来源:国家重大科研仪器研制项目(4 2 1 2 7 8 0 2);陕西省重点研发计划(2 0 2 2 KW-0 9,2 0 2 2 Z D L S F 0 7-1 2,2 0 2 1 L L RH-0 6)。第一作者简介:田静,硕士生,主要研究方向为导航卫星精密定轨,E-m a i l:t i a n j i n g c h d.e d u.c n。通讯作者:王乐,博士,高级工程师,主要研究方向为卫星精密数据处理及完好性技术,E-m a i l:w a n g l e 1 8c h d.e d u.c n。D O I:1 0.1 4 0 7 5/j.j g g.2 0 2 3.0 9.0 0 2文章编号:1 6 7 1-5 9 4 2(2 0 2 3)0 9-0 8 8 7-0 6不同接收机北斗天线相位中心改正模型定轨性能分析田 静1 王 乐1 解世超1 黄观文11 长安大学地质工程与测绘学院,西安市雁塔路1 2 6号,7 1 0 0 5 4摘 要:为建立北斗精密定轨接收机天线相位中心改正(p h a s e c e n t e r c o r r e c t i o n,P C C)模型最优化策略,首先对G P S的I G bR 3和I G b1 4标定值进行比较,两组模型值差异较小,表明在未提供北斗接收机天线I G b1 4标定值的情况下采用I G bR 3标定值代替具有可行性。进一步,设计P C C赋0、G P SL 1/L 2频点改正值代替、I G bR 3标定值代替3组接收机P C C模型分析其对北斗精密定轨的影响。结果表明,接收机天线相位中心偏差(p h a sc e n t e ro f f s e t,P C O)对精密定轨影响较大,对于北斗三号精密轨道,采用I G bR 3模型的结果最优,其平均轨道拟合精度为3.4c m;使用G P S的L 1/L 2代替值次之。最新框架下北斗接收机精确P C C模型公布前,推荐采用I G bR 3值用于北斗三号精密轨道解算。关键词:北斗;接收机天线;相位中心改正;精密轨道;框架中图分类号:P 2 2 8 文献标识码:A 目前,中国北斗卫星导航系统B D S在轨提供服务的卫星达到4 5颗,包括1 5颗北斗二号卫星和3 0颗北斗三号卫星1。北斗二号卫星由中国空间技术研究院(C A S T)制造,北斗三号卫星由C A S T和中 国 科 学 院 上 海 微 小 卫 星 工 程 中 心(S E CM)制造。混合星座结构、更大的全球跟踪网络观测数据、全球内更多更均匀分布监测站、多样化 天线等新特 点推动了天 线相位中心 改正P C C模型的不断更新和改进,P C C模型由天线相位中心偏差P C O和 天线相位中 心变化(p h a s ec e n t e rv a r i a t i o n,P C V)组成。国际GN S S服务(i n t e r n a t i o n a lGN S Ss e r v-i c e,I G S)组织于1 9 9 6年开始对接收机相位中心进行观测值改正,改正模型经历了由最初的相对模型到目前采用的改正精度较高的绝对模型2。目前,I G S发布的最新i g s 1 4.a t x文件中给出了大部分大地测量型接收机天线的G P S/G L ONA S S系统P C C模型,但仅有极少部分天线提供北斗系统的P C C模型3。考 虑 到 缺 乏 接 收 机 端B D SB 1 I和B 3 I频点的P C C模型,因此一般采用接收机G P SL 1/L 2频点的P C C模型分别代替或者忽略4。I G S在第3次重处理(I G Sr e p r o3,I G SR 3)中公布的i g s R 3_2 0 7 7.a t x中包含部分接收机在I G bR 3框架下的北斗P C C模型,涵盖大多数北斗卫星精密定轨使用的测站,为北斗系统精密数据处理中接收机天线的P C C模型提供了新选择。P C C模型对卫星精密定轨中保持参考框架的一致性和多系统解的一致性至关重要,对于高精度的定位和测量,天线相位中心改正必须全面考虑,其对于站点坐标,特别是高程方向不容忽视5。对此,国内外学者已作过大量研究。D i l s s-n e r等6对北斗I G S O和ME O上L波段发射天线阵列进行早期相位中心修正;D a c h等7研究认为,采用更新后的G L ONA S S天线相位中心模型有助于提高轨道质量;Q u等8对I G b1 4和I G SR 3框架下的北斗I G S O和ME O卫星相位中心校正进行研究,结果表明,轨道一致性受益于在轨标定的P C O/P C V模型;Y a n等9利用G N S S地面跟踪数据在轨估计北斗三号M E O卫星的高精度P C O和P C V;A r a s z k i e w i c z等1 0研究天线相位中心模型对测站坐标的影响;X i a等1 1比较不同S R P模型在北斗P C O估计中的性能;王嘉琛等3采用历元间差分方法对接收机天线多个频点的P C O和P C V分别进行标定和拟合;胡新乔等1 2从大 地 测 量 与 地 球 动 力 学2 0 2 3年9月定位角度验证利用G P S代替B D S天线相位中心改正参数策略的有效性;H u a n g等1 3利用P C O参数模型估计北斗二号I G S O和M E O卫星的相位中心偏移。尽管国内外已有大量P C O和P C V模型相关研究,但大多数针对G P S系统以及卫星端,较少涉及B D S接收机端天线相位中心模型的性能分析。通常,接收机主要采用室外标定和德国汉诺威大学及G e o+公司提出的绝对天线相位中心标定方法 机器人标定法,后续研究则主要集中在接收机天线相位中心误差处理方面1 4。本文首先明确接收机天线相位中心模型及其特性,通过将G P S系统I G bR 3与I G b1 4标定值进行比较,验证在未提供北斗接收机天线I G b1 4标定值的情况下采用I G bR 3标定值代替的可行性;然后对北斗卫星精密定轨中接收机P C C模型分别采用I G bR 3标定值代替、G P SL 1/L 2频点值代替以及P C C赋0三组模型进行对比,分析3种模型在精密定轨中的性能差异,建立当前北斗精密定轨接收机P C C模型最优化策略;再采用P C C赋0模型进行单北斗系统定轨,分析接收机P C C误差对卫星定轨性能的影响;最后针对B D S接收机天线相位中心改正模型的应用提出建议和展望。1 接收机天线相位中心及改正模型接收机天线相位中心与天线参考点(a n t e n n ar e f e r e n c ep o i n t,A R P)不一致会导致天线相位中心改正(P C C)误差1 5。其中,P C O是指天线平均相位中心(m e a np h a s ec e n t e r,MP C)和A R P之间的改正;GN S S信号实际测量的天线瞬时相位中心与平均相位中心MP C的差值称为P C V1 6。由于I G S天线文件中给出的P C O值是在测站地平坐标系下的3个分量(N、E、U),因此首先将其转换到地心地固系,再对测站坐标进行偏差改正;P C V改正首先根据信号入射高度角和方位角进行内插,然后再将其改正到几何距离观测值中1 7。具体过程如下:1)利用旋转矩阵将局部坐标系中的偏心矢量转换至地固坐标系:rk=rk-rE(1)re k=RH(2 7 0-)RE(-9 0)rk=-s i n-c o ss i nc o ss i nc o s-s i ns i ns i nc o s0c o ss i n (2)式中,rk为P C O值,接收机P C O一般使用局部坐标表示,由天线相位中心相对于基点的垂直方向偏差U、北方向偏差N和东方向偏差E表示;rk、rE为地固 坐标系中接 收机相位中 心和A R P的位置矢量;、分别为测站地心经度、纬度;RH、RE为旋转矩阵;re k为地心地固系下的P C O值。2)接收机相位中心偏差对观测距离的影响k可表示为:k=re k(3)式中,为测站至卫星方向在地心地固坐标系下的单位矢量。3)接收机天线改正项可表示为:r(a,e)=rP C V(a,e)+k(4)式中,r(a,e)、rP C V(a,e)分别为与方位角a和高度角e相关的接收机P C C、P C V改正值。2 接收机天线P C C差异及特性在I G b1 4框架下北斗B 1 I/B 3 I频点精密数据处理中接收机P C C模型采用G P SL 1/L 2值替代或I G bR 3值替代均与理论值存在一定差异,其中理论值与G P SL 1/L 2值之间的差异可抽象为同一框架间不同系统P C O值的差异(以下简称系统间);理论值与I G bR 3值之间的差异可抽象为同一系统间不同框架P C O值的差异(以下简称框架间),与理论值差异越小则越可能获得更优的定轨效果。利用i g s 1 4_w w w w.a t x、i g s R 3_2 0 7 7.a t x分别统计不同接收机天线不同系统P C O各分量的标定值和差异,对接收机天线P C C进行定量分析。其中,i g s 1 4_wwww.a t x为I G S提供的基于I G b1 4地球参考框架的包含卫星和接收机天线相位校正值的文件;i g s R 3_2 0 7 7.a t x为基于I G bR 3地球参考框架的包含卫星和接收机天线相位校正值的文件。2.1 同一系统不同框架间P C O差异比较i g s 1 4_wwww.a t x以及i g s R 3_2 0 7 7.a t x中各接收机天线均提供G P S系统的P C O改正值,统计1 1种接收机天线分别在I G b1 4框架与I G bR 3框架下的P C O值及其差异。图1为G P S接收机I G b 1 4框架P C O与I G bR 3框架下N、E、U三个方向的P C O值,红色虚线表示2组框架下P C O差异值的算术平均值。需要说明的是,U方向(图1(c)相较于刻度变化量不明显,其算术平均值约为0.4mm。由图可知,对于同一G P S系统I G bR 3和I G b1 4框 架 下 接 收 机 各 个 方 向P C O模型值之差一般小于0.5mm,差异较小。2.2 同一框架不同系统间P C O差异比较i g s R 3_2 0 7 7.a t x中部分接收机天线同时提供G P SL 1/L 2与B D SB 1 I/B 3 I频点的P C O改正888 第4 3卷第9期田 静等:不同接收机北斗天线相位中心改正模型定轨性能分析值。选取1 0种接收机天线,图2为接收机端天线在G P SL 1/L 2以及B D SB 1 I/B 3 I频点上P C O的标定值及L 1/B 1 I、L 2/B 3 I频点之间的差异。结果表明,不同天线在同一频点的相位中心校正值在平面方向的差异通常在mm级,而在高程方向差异达c m级;同一天线不同频点的相位中心校正值 在 高 程 方 向 差 异 较 大1 8。以 天 线L E-I AT 5 0 4 G G/NON E为例,其在高程方向上L 1和B 1 I频点相位中心改正值差异达4.3mm,L 2和B 3 I频点差异达6.1mm。图1 I G b1 4框架与I G bR 3框架下接收机G P S系统P C O值及差异F i g.1 P C Ov a l u ea n dd i f f e r e n c eo f r e c e i v e r i nt h eG P Ss y s t e mu n d e r I G b1 4f r a m ea