资源三号01星及02星星载GPS天线PCO、PCV在轨估计及对精密定轨的影响

资源三号01星与02星作为我国重要的遥感立体测绘卫星,承担了地理产品生产以及国土资源调查等任务。其中,高精度的卫星轨道确定是完成卫星任务的必备条件。资源三号01星与02星都搭载国产双频GPS接收机和SLR反射器来进行精密定轨和独立定轨精度检核。在定轨过程中,星载GPS接收机天线的PCO误差和PCV误差是制约进一步提高定轨精度的重要因素。尽管卫星入轨前获取GPS接收机天线的PCO先验值,本文通过在轨估计PCO,分析了PCO各个方向上的分量估计的可行性,发现通过使用在轨PCO,SLR检核显示ZY-3 01星和ZY-3 02星轨道RMS值分别提高了0.331 mm、0.399 mm。本文利用直接法和残差法估计了两颗卫星星载GPS接收机天线的PCV模型,整体量级在[-15 mm 15 mm]。通过使用在轨估计的PCV模型（10°×10°）,ZY-3 01星SLR检核结果RMS值提高了2.143 mm（直接法模型）、1.628 mm（残差法模型）,重叠弧段对比在三维位置上提高了11.377 mm（直接法模型）、13.903 mm（残差法模型）,ZY-3 02星SLR检核结果RMS值提高了0.727 mm（直接法模型）、0.692 mm（残差法模型）,重叠弧段对比在三维位置上提高了1.736 mm（直接法模型）、1.548 mm（残差法模型）。本文进一步探讨了PCV模型分辨率（10°×10°,5°×5°,2°×2°）对精密定轨的影响,在综合考虑计算效率、存储空间、提高幅度等因素后,发现使用残差法在轨估计5°×5° PCV模型是较好的选择。     

GPS天线相位偏心差与卫星高度角对长基线的影响

利用GPS数据处理软件Bernese,通过对8个IGS站在不同卫星高度角下的观测值进行接收机天线相位中心改正前后的长基线解算,分析在不同卫星高度角下,天线相位偏心差对长基线的影响情况。结果表明,对于长基线,采用天线指向北方向的方法仍不能完全消除天线相位偏心差造成的误差影响,因此该因素必须在数据处理中加以考虑。     

GPS天线相位中心改正方法研究

由于天线本身的特性及机械加工等原因,GPS卫星和接收机天线相位中心与其几何中心不重合,从而产生相位中心偏差。某些类型的天线该偏差甚至可达数cm,直接影响高精度GPS测量的精确可靠性[1]。讨论了GAMIT软件在高精度GPS数据处理中进行天线相位中心改正的原理、方法和策略,结合美国IGS观测站及南加州区域站观测数据,对改正方法及策略进行了实验对比与分析。结果表明:对接收机天线相位中心和卫星天线相位中心采用模型改正,而卫星天线相位中心偏移不改正,所得到的基线解算结果较好[2];地面接收机天线方位角的变化对U方向的基线解算结果有较大影响,在高精度GPS测量中,必须进行天线方位角的变化改正。     

GPS超长基线解算的误差特性与精度分析

基于单基站的超长基线定位技术在地壳形变监测、高精度授时等领域具有广泛应用,但仍有诸多因素制约着超长基线解算精度。从观测方程出发,利用单差观测值对长（超长）基线(146～1 724 km)解算中的卫星轨道误差、对流层延迟误差、地球潮汐误差和相位缠绕误差等误差特性进行了详细分析。分析结果表明,当基线小于500 km时广播星历误差可忽略不计;超过500 km时需要采用精密星历,同时需要考虑地球潮汐误差的影响;利用参数估计法同时估计基线两端的天顶对流层延迟误差可获得1～2 cm精度;相位缠绕误差对基线小于2 000 km的解算影响可忽略。基于估计天顶对流层延迟的方法解算了5条长(超长)基线（146 km、491 km、837 km、 1 043 km和1 724 km）。实验结果表明,当基线小于500 km时,采用广播星历可获得水平方向优于0.05 m、高程方向优于0.08 m的定位精度;当基线小于2 000 km时,采用超快速精密星历可获得水平方向优于0.025 m、高程方向优于0.055 m的定位精度。解算的初始收敛时间随着基线长度增加而缩短。     

多余长基线对高精度GPS数据解算的影响分析

针对现有GPS数据处理过程中多余长基线对高精度GPS数据解算影响方面研究较少,文中选择具有不同已知点分布的两种CORS网观测数据,并按照解算时间分为4 h、6 h、8 h、12 h、18 h和24 h共6个时段,以定量分析在不同已知点分布和解算时间时多余长基线对高精度GPS数据解算的影响。最终得出,多余长基线的存在会对GPS数据解算的精度产生影响,且随着解算时间的增加,其影响呈减小趋势;多余长基线的存在也会对解算结果产生较大影响,在已知点分布较差时,影响最大值达到了12.7 mm,在已知点分布较好时最大值也达到了6 mm,且在各时段内,影响均较为明显。因此在进行高精度GPS数据解算时,需考虑多余长基线的影响。      

BDS接收机天线相位中心标定

在高精度GNSS定位中,接收机天线相位中心偏差(PCO)和天线相位中心变化(PCV)的影响不可忽略。目前,IGS发布的绝对天线相位模型文件中包含了GPS/GLONASS系统的标定值,但是没有发布北斗系统(BDS)的标定值。本文借助机械臂可以控制天线自由旋转,在数小时内实现全方位GNSS观测的特性,采用历元间差分的方法对接收机天线包括GPS L1/L2和BDSB1I/B2I/B3I等多个频点的PCO和PCV分别进行标定和拟合。标定结果表明,比较最小二乘估计的GPS PCO与IGS发布值,其STD和RMS在L1/L2上均小于1 mm;BDS PCO估计值的STD在B1I/B2I/B3I上分别为0.5、0.3、0.3 mm。利用球谐函数拟合的GPS PCV格网值与IGS发布值相比,其偏差在天顶距小于75°时均小于1.5 mm。BDS PCV拟合值范围均在-5~8 mm,且随天顶距变化曲线呈现波谷状。BDS PCV在低高度角处拟合值波动较大,随方位角变化曲线峰值-峰值最大达到了5.6 mm。     

BDS精密相对定位精度的GAMIT分析北大核心CSCD

为了验证GAMIT用于BDS精密相对定位的可靠性与精度,该文以BDS短基线和长基线实测数据,基于GAMIT软件的不同解算策略进行BDS精密相对定位实验。由实验结果可知,GAMIT用于BDS短基线解算,相对于GPS在水平方向基线分量差值优于3mm,在高程方向基线分量差值优于3mm;GAMIT用于BDS长基线解算,相对于GPS在水平方向的基线分量差值优于6mm,在高程方向基线分量差值优于1.3cm。研究结果表明,GAMIT可用于BDS的精密定位解算且精度较高。     

天线相位中心改正对GPS精密单点定位的影响

GPS卫星与接收机由于自身特性以及机械加工等原因,导致其质量中心与相位中心不重合而产生相位中心误差,进而对GPS精密单点定位产生一定影响。介绍GPS天线相位中心偏移(PCO)、变化(PCV)的原理,并分析PCO、PCV,以及不同模型改正对GPS精密单点定位的影响。结果表明,在GPS精密单点定位中,天线相位中心改正不容忽略:在平面方向上,天线相位中心改正对定位影响较小,仅为毫米级;在高程方向上,天线相位中心改正对定位影响较大,可达厘米级;与相对中心改正模型相比,绝对相位中心改正模型精度更高。     

顾及天线相位中心改正基线解算技术的应用研究

通过对顾及天线相位中心改正的基线解算技术的研究,开发了GNSS系统接收机天线相位中心改正软件,并应用于高精度GPS施工控制测量中,提高了基线解算精度。     

新的区域电离层模型及单频长基线精度分析

电离层延迟是影响GPS精密定位的主要因素,对单频接收机的影响尤为明显。介绍了一种新的基于区域双频观测网构建电离层模型的方法,并选取德国境内平均基线超过300 km(最长基线为461 km)的一个长距离观测网连续10 d的数据对模型进行了检测分析。实验证明,基于该电离层模型,网内单频接收机用户可获得接近双频观测数据的解算精度,即使对于200 km的长距离基线,单频数据的基线解算结果都能够达到平面方向6 mm,高程方向2.5 cm。区域电离层延迟模型构造方法可被有效应用于GPS、GLONASS和GALILEO等各类卫星导航定位系统,满足事后、实时或准实时单频接收机精密数据处理的需要。     

Generation of a consistent absolute phase-center correction model for GPS receiver and satellite antennas

The development and numerical values of the new absolute phase-center correction model for GPS receiver and satellite antennas, as adopted by the International GNSS (global navigation satellite systems) Service, are presented. Fixing absolute receiver antenna phase-center corrections to robot-based calibrations, the GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) and the Technische Universität München reprocessed more than 10 years of GPS data in order to generate a consistent set of nadir-dependent phase-center variations (PCVs) and offsets in the z-direction pointing toward the Earth for all GPS satellites in orbit during that period. The agreement between the two solutions estimated by independent software packages is better than 1 mm for the PCVs and about 4 cm for the z-offsets. In addition, the long time-series facilitates the study of correlations of the satellite antenna corrections with several other parameters such as the global terrestrial scale or the orientation of the orbital planes with respect to the Sun. Finally, completely reprocessed GPS solutions using different phase-center correction models demonstrate the benefits from switching from relative to absolute antenna phase-center corrections. For example, tropospheric zenith delay biases between GPS and very long baseline interferometry (VLBI), as well as the drift of the terrestrial scale, are reduced and the GPS orbit consistency is improved.     

Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响

与先期采用消电离层组合仅估计相位中心偏差(phase center offset, PCO)参数不同,欧洲的伽利略（Galileo）系统发布的地面校正的卫星天线参数基于原始频点,且包含天线相位中心变化(phase center variation, PCV)参数。为此,分析了校正的卫星天线参数特性,发现其水平向PCO与卫星类型相关,FOC(full operational capability)卫星的PCV参数较IOV(in-orbit validation)卫星稳定,仅依赖天底角。利用20个MGEX (multi-GNSS experiment)测站连续15 d的数据分析校正天线参数对双频组合/ 非组合精密单点定位（precise point positioning, PPP）的影响, 并与消电离层天线参数的定位结果比较,结果表明,其水平方向精度基本一致,双频组合PPP高程方向的精度提高约6.3%,双频非组合高程方向的精度提高约11.9%,基于原始频点的校正天线参数在双频非组合PPP定位中表现出更优的自洽性。     

Estimation of elevation-dependent satellite antenna phase center variations of GPS satellites

A method for the estimation of the phase center variations of GPS satellite antennas using global GPS data is presented. First estimations have shown an encouraging repeatability from day to day and between satellites of the same block. Thus, two different satellite antenna patterns for Block II/IIA and for Block IIR with a range of about 4 cm and an accuracy of less than 1 mm could be found. The present approach allows the creation of a consistent set of receiver and satellite antenna patterns and phase center offsets. Thereby, it is possible to switch from relative to absolute phase center variations without a scale problem in global networks. This changeover has an influence on troposphere parameters, reduces systematic effects due to uncorrect antenna modeling and should diminish the elevation dependence of GPS results. AcknowledgmentsThe authors thank Prof. G. Seeber (University of Hannover) and Dr. G. Wübbena (Geo++ GmbH) and their groups for their kindness in making available the absolute field calibration results derived from robot measurements.     

天线相位中心偏差对于GPS高程影响问题分析

GPS接收机天线相位中心与其几何中心不重合性构成了GPS接收机天线相位中心误差,如何减少相位中心偏移是天线设计和GPS数据处理中的重要问题。本文在分析GPS接收机天线相位中心在垂直方向上偏差的检测原理的基础上,讨论GPS天线相位中心垂直分量偏差对GPS高程精度的影响,应用实例得出一些有益的结论。     

利用PPP分析GPS天线积雪引起的信号传播延迟

分析了GPS天线积雪对载波信号场强、功率的影响,推导了载波信号传播延迟的简化计算公式,利用精密单点定位(PPP)计算了测站在GPS天线积雪产生和消除前后的单日解。结果显示,天线积雪使得天线相位中心产生偏移,对平面和高程方向的影响为数个cm,甚至更大。     

GPS接收机天线装置定向标志线及平均相位中心参数的检测

本文讨论了GPS测量的重要误差来源之一——接收机天线相位中心漂移误差,研究了表征平均相位中心的基本参数及其检测和处理方法。如果用户设备进行了这种检测,并对观测成果作了相应的修正,目前大部分商品接收机在几十公里以内的短过测量中,精度可以提高到3 mm+2 ppm·d(d为边长,单位:km),同时解决了混合机组参加GPS网观测和处理的难题。