CN106443722B - 一种天线相位中心偏差检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线相位中心偏差检测方法，所述天线相位中心偏差检测方法包括天线校准步骤、观测数据取样步骤、基线向量解算步骤和偏差计算步骤，其中，所述偏差计算步骤使用最小二乘准则对所述基线向量解算步骤得出的基线向量进行计算，得到天线相位中心偏差。本发明所提供的天线相位中心偏差检测方法相对于旋转天线法的成本更低，克服了旋转天线所产生的误差；相对于交换天线法，能够同时校准多个设备，提高了校准设备的效率；相对于相对定位法，对输入观测数据的旋转角度无约束要求，消除了旋转角度误差对检测结果的影响；并且观测数据点的个数最小3个，最多不限，增加观测数据有利于提高检测精度，天线相位中心水平偏移标定精度优于0.05mm。同时，检测过程更加易于操作。

Description

一种天线相位中心偏差检测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别是卫星导航天线的测试方法，更具体地涉及一种卫星导航高精度测量型天线相位中心的测试方法。
背景技术
天线相位中心是指天线的电气中心，通过卫星导航高精度测量得到的观测量即是以天线相位中心为基准。在定位测量中，测量天线高时则以天线参考点为基准，由于多种原因，天线相位中心与天线参考点之间存在偏差，该偏差称为天线相位中心偏差(PhaseCenter Offsets，PCO)。PCO的性能指标直接关系到高精度测量精度的大小，因此该指标是测量型接收机检定的重要环节，相关学者与研究机构也对其进行了深入的研究，如何提高其测量准确度，是迫切需要解决的问题。
常用的天线相位中心偏差检定方法有旋转天线法、交换天线法和相对定位法：旋转天线法建立在静态相对定位的基础上，对超短基线场进行解算，确定相位中心偏差的大小。旋转天线法需要进行角度旋转，会对计算结果产生误差及影响。并且旋转天线法是在微波暗室中采用专用微波测量设备，测定所需设备复杂、昂贵，建设成本高。
交换天线法可以进行天线相位中心垂直偏差的测定，被检天线必须配对使用，每次只能校准2台设备，校准效率较低且应用范围较小，同时，由于超短基线网均采用强制对中装置，交换天线法的测量不确定度最大，校准置信度最低。
相对定位法通过测定天线不同方向两天线间的基线向量来测定天线相位中心偏差，能够测定天线相位中心的水平偏差，该方法操作简单、方便，成本低，该方法是监督检验检疫总局发布的JJF1118-2004和行业标准CH8016-95规定采用的方法，目前被广泛采用。但相对定位法通常对天线的旋转角度有约束要求，并且旋转角度误差对检测结果容易造成影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种天线相位中心偏差检测方法，所述天线相位中心偏差检测方法包括天线校准步骤、观测数据取样步骤、基线向量解算步骤和偏差计算步骤，其中，所述偏差计算步骤使用最小二乘准则对所述基线向量解算步骤得出的基线向量进行计算，得到天线相位中心偏差。
具体的，所述天线校准步骤包括：对参考天线与待测天线分别进行对中、调平和指北。
在本发明的一个实施例中，所述观测数据取样步骤包括：通过固定所述参考天线并旋转所述待测天线，得到天线相位中心的多组观测数据。
在本发明的一个实施例中，所述天线相位中心的观测数据的组数n大于等于3。
在本发明的一个实施例中，所述基线向量解算步骤包括：建立以参考天线相位中心为坐标原点的站心坐标系；解算待测天线相位中心与参考天线相位中心的多个时段的多组基线向量；计算每组基线向量的期望值。
在本发明的一个实施例中，使用RTKLIB软件解算所述基线向量。
在本发明的一个实施例中，所述多组基线向量端点分布在以待测天线的几何旋转中心为圆心(x0,y0)、相位中心偏差水平分量为半径r的圆上。
在本发明的一个实施例中，所述偏差计算步骤包括：
将所述多组基线向量的期望值(xi,yi)代入式(1)得到a、b、c；
其中n为基线向量的组数
将所述a、b、c代入式(2)；
得到几何旋转中心(x0,y0)和相位中心偏差水平分量r。
在本发明的一个实施例中，所述检测方法在超短基线场中进行。
本发明所提供的天线相位中心偏差检测方法相对于旋转天线法的成本更低，克服了旋转天线所产生的误差；相对于交换天线法，能够同时校准多个设备，提高了校准设备的效率；相对于相对定位法，对输入观测数据的旋转角度无约束要求，消除了旋转角度误差对检测结果的影响。并且观测数据点的个数最小3个，最多不限，增加观测数据有利于提高检测精度，天线相位中心水平偏移标定精度优于0.05mm。同时，检测过程更加易于操作。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1是本发明相位中心水平偏差测量模型；
图2是本发明技术方案提供的超短基线场与试验点位布设图；
具体实施方式
在下文的描述中，给出了具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
在现有的相对定位法中，通常对天线的旋转角度有约束要求，并且旋转角度误差对检测结果容易造成影响。本发明通过对相对定位检测过程的分析建立了一种新的观测模型，基于最小二乘准则推导了几何旋转中心和相位中心偏差估计算法。
图1示出了本发明的相位中心偏差水平偏差测量模型；如图所示，在超短基线场上进行测试，选择以参考天线相位中心为坐标原点的站心坐标系，由于观测受到接收机内部噪声的影响，基线向量端点观测值为平稳随机变量，随机分布在圆附近。采用RTKLIB软件解算待测天线相位中心与参考天线相位中心的基线向量，对基线解算的结果进行处理，得到的基线向量端点分布在以几何旋转中心为圆心、PCO水平分量为半径的圆上。基于最小二乘准则，利用基线向量端点观测值，估计出旋转中心和天线相位中心(PCO)水平分量。
假设几何旋转中心坐标(x0,y0)、天线相位中心旋转半径r为待求参数，则有关系方程(x-x0)2+(y-y0)2＝r2，可以展开为
可求得
令f＝x2+y2+a·x+b·y+c，对于观测数据(xi,yi)，fi等于误差，基于最小二乘准则，求函数极值
该极值问题的解等价于以下方程的解
展开整理可得
写成矩阵形式为：
根据上述算法，基于最小二乘准则进行PCO偏差估计的检测步骤如下：
步骤一：将参考天线与待测天线分别安装在超短基线场的两个观测墩上对中、调平、指北；
步骤二：固定参考天线，旋转待测天线取得多组观测数据(xi,yi)，组数大于等于3组；
步骤三：利用基线解算软件解算基线向量，计算每个时段的基线向量期望值；
步骤四：利用解算出的每个时段的基线向量期望值(xi,yi)，代入式(1)得到a、b、c；
其中n为基线向量期望值的组数
将所述a、b、c代入式(2)；
得到待测相位中心的几何旋转中心(x0,y0)和相位中心偏差水平分量r。
图2是本发明技术方案提供的超短基线场与试验点位布设图；本发明在超短基线场中共布设7个试验点位，分别布设在正六边形的六个端点处和几何中心位置。点位之间两两间隔6米。
本发明所提供的天线相位中心偏差检测方法相对于旋转天线法的成本更低，克服了旋转天线所产生的误差；相对于交换天线法，能够同时校准多个设备，提高了校准设备的效率；相对于相对定位法，对输入观测数据的旋转角度无约束要求，消除了旋转角度误差对检测结果的影响。并且观测数据点的个数最小3个，最多不限，增加观测数据有利于提高检测精度，天线相位中心水平偏移标定精度优于0.05mm。同时，检测过程更加易于操作。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (8)

1.一种天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述天线相位中心偏差检测方法包括天线校准步骤、观测数据取样步骤、基线向量解算步骤和偏差计算步骤，其中，
所述基线向量解算步骤包括：
建立以参考天线相位中心为坐标原点的站心坐标系；
解算待测天线相位中心与参考天线相位中心间的多个时段的多组基线向量；
利用基线解算软件解算基线向量，计算每个时段的基线向量期望值；
所述偏差计算步骤使用最小二乘准则对所述基线向量解算步骤得出的基线向量进行计算，求解几何旋转中心坐标和天线相位中心旋转半径，得到天线相位中心偏差。
2.如权利要求1所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述天线校准步骤包括：对参考天线与待测天线分别进行对中、调平和指北。
3.如权利要求2所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述观测数据取样步骤包括：通过固定所述参考天线并旋转所述待测天线，得到天线相位中心的多组观测数据。
4.如权利要求3所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述天线相位中心的观测数据的组数n大于等于3。
5.如权利要求1所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，使用RTKLIB软件解算所述基线向量。
6.如权利要求1所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述多组基线向量端点分布在以待测天线的几何旋转中心为圆心(x0,y0)、相位中心偏差水平分量为半径r的圆上。
7.如权利要求6所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述偏差计算步骤包括：
将所述多组基线向量的期望值(xi,yi)代入式(1)得到a、b、c；
其中m为基线向量的组数；i＝1,2，…，m；
将所述a、b、c代入式(2)；
得到几何旋转中心(x0,y0)和相位中心偏差水平分量r。
8.如权利要求1-7中任一权利要求所述的天线相位中心偏差检测方法，其特征在于，所述检测方法在超短基线场中进行。
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