CN109031359A - 一种基于微波暗室的gnss接收天线绝对相位中心校正方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，包括将待测天线安装在微波暗室的转台上，待测天线的零度方位面置于水平位置，建立测量坐标系与天线本体坐标系之间转换关系；设置并发射某一GNSS频率信号，测量得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据；求解该发射频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标；得到随高度角变化的PCV和随高度角及方位角变化的规则格网形式的PCV；通过坐标转换得到在天线本体坐标系下的平均相位中心PCO的绝对坐标，将最终得到的PCO与PCV参数输出。本发明可消除或削弱由于接收天线PCO和PCV引起的系统性测量误差，进一步提高用户的定位精度。

Description

一种基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法

技术领域

本发明属于天线测量与卫星导航定位领域，具体涉及一种基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法。

背景技术

以GPS为代表的全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation SatelliteSystem)广泛应用于定位导航等高精度测量领域，GNSS定位导航的原理是基于距离测量的空间后方交会，GNSS距离测量包括伪距测量和载波相位测量，载波相位测量是目前最精确的GNSS测量方法。实际应用中以接收机天线参考点(Antenna Phase Center，ARP)和卫星质心的坐标为基准，而GNSS信号的发射和接收都是以天线的瞬时相位中心为基准，瞬时相位中心随着信号的入射角度的变化而变化且与频率有关，所以瞬时相位中心与ARP或质心之间存在偏差，称为天线相位中心误差。天线相位中心误差由天线相位中心偏差(Phasecenter offset，PCO)和天线相位中心变化(Phase Center Variation，PCV)两部分组成，PCO为瞬时相位中心的平均值或平均相位中心，PCV为瞬时相位中心与平均相位中心之间的差异。GNSS接收机天线相位中心示意图如图1所示。实践证明，天线相位中心误差是影响GNSS高精度应用的主要系统误差源之一。GNSS观测网中往往使用了不同型号的接收机天线，这些天线由于不同的制造商或制造工艺的限制，天线相位中心存在较大差异，所以在定位解算过程中通常会产生系统性偏差，因此在GNSS高精度应用中必须考虑天线相位中心误差改正。

GNSS接收机天线相位中心误差改正通常是在使用前进行校正和标定，IGS(International GNSS Service，IGS)已经连续多年发布了GPS和GLONASS接收机天线绝对相位中心改正模型，但是对于我国正在进行全球组网的北斗卫星导航系统尚无机构发布其对应的绝对天线相位中心改正模型。目前国际上主要有基于短基线的室外相对校正法、基于机械臂的室外绝对校正法、微波暗室校正法。室外相对校正和室外绝对校正法主要受到多路径误差和星座不完整(如当前的BDS和Galileo星座)等方面的影响，但微波暗室校正法不受这些因素的影响，可以随时对待测天线的任意系统任意频率进行校正。IGS各分析中心的研究表明，在各项误差都精确改正的情况下，室外绝对校正和微波暗室校正的一致性在1mm内。随着技术的发展，天线等射频设备制造商大多数都建有自己的微波暗室，所以微波暗室校正法是比较容易实施的，其硬件设备可以现成利用，实验成本较低，可以大范围普及和推广。目前，微波暗室校正法测量的相位方向图只包括天线的E面和H面，由于相位观测值没有覆盖整个天线半球面以及处理模型的不完善等因素，无法获得与IGS定义一致的高精度GNSS接收天线绝对相位中心校正参数；本发明综合考虑以上因素，借助转台测量获得整个天线半球面的相位方向图数据，通过最小二乘算法与球谐函数模型，可得到高精度的绝对相位中心校正参数。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术所存在的上述不足，本发明需要解决的问题是：针对室外相对校正和室外绝对校正受到多路径等误差的影响及BDS、Galileo卫星星座结构不够完整等因素的制约，在微波暗室中模拟GNSS发射信号，通过改变信号的入射方向(高度角和方位角)，来实现接收机天线绝对相位中心偏差PCO和相位中心变化PCV的分离，建立方向图与平均相位中心之间的数学模型，最后通过最小二乘估计方法解算PCO，并对观测值残差分别进行多项式拟合与球谐函数拟合，拟合成规则的PCV，得到了与IGS定义一致的高精度绝对相位中心校正参数。

本发明技术方案提供一种基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测天线安装在微波暗室的转台上，并将待测天线的零度方位面置于水平位置，建立测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，实现坐标系的统一；

步骤2，设置并发射某一GNSS频率信号，测量零度方位面的相位方向图；改变入射信号的方位角，测量该方位面的相位方向图；重复以上操作，然后得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据；

步骤3，忽略相位中心变化的影响，建立任意方位面的相位方向图实测数据与三维相位中心之间的数学模型，得到观测方程及其误差方程，按最小二乘估计方法求解任意频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标；

步骤4，将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，表示信号入射方向的天线相位中心变化PCV，由多项式拟合法得到随高度角变化的PCV，由球谐函数法得到随高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV；

步骤5，将步骤4中得到的三维坐标通过坐标转换得到在天线本体坐标系下的相位中心PCO的绝对坐标，将最终得到的PCO与PCV参数输出。

而且，步骤1实现如下，

将待测天线安装在微波暗室的旋转转台上，待测天线参考点ARP与转台的旋转中心重合，发射天线与待测天线的轴线在同一水平高度；测量坐标系(X,Y,Z)为右手空间直角坐标系，Z轴穿过待测天线中心轴线指向发射天线方向，Y轴指向竖直方向，X轴与Y轴和Z轴构成右手系；待测天线的本体三维坐标系(N,E,U)为左手坐标系，其中U方向为经过待测天线底面中心的竖直轴，N方向与指北方向重合，E方向与N和U方向构成左手系；将待测天线零度方位面设置为水平方向，此时N轴与X轴重合，U轴与Z轴重合，两个坐标系统的坐标原点也相互重合；

建立测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系。

而且，步骤2实现如下，

第一步，让旋转转台的旋转中心与天线参考点重合，则测量坐标系与天线本体坐标系的坐标原点重合，测量零度方位面的相位方向图；

第二步，改变入射信号的方位角，测量该方位面的相位方向图；

第三步，重复第二步的操作，直至得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据；

而且，步骤3的实现如下，

第一步，忽略PCV的影响，由电磁波传播原理，建立任意高度角和方位角的相位方向图与平均相位中心三维坐标之间的联系，得到观测方程和误差方程；

第二步，按照观测值残差平方和最小的估计准则进行最小二乘解算，得到任意频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标。

而且，步骤4实现如下，

第一步，将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，即为信号入射方向的天线相位中心变化PCV，此PCV为不规则形式的PCV。

第二步，将第一步得到的PCV与其高度角组成多项式拟合方程，求解多项式系数，然后得到随高度角变化的PCV；

第三步，将第一步得到的PCV与其高度角和方位角组成球谐函数方程，求解球谐函数的系数，然后拟合成按一定高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV。

而且，步骤5实现如下，

第一步，根据步骤1和步骤2已求得的测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，将步骤3中得到的三维坐标通过坐标转换转得到天线PCO的值。

第二步，按照IGS发布的天线相位中心改正模型ANTEX文件编码格式输出得到的PCO与PCV结果。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，该方法与现有技术相比的优点在于：本发明专利基于微波暗室中测量天线相位方向图，实现对GNSS接收机天线绝对相位中心的标定，标定精度高、操作简单、微波暗室及其设备可以现成利用，实验成本较低，可以大范围普及和推广，能够实现对GNSS接收机天线现有的和未来计划的频率进行相位中心标定。

本发明可在微波暗室任意时间操作，且能达到1mm的PCO与PCV的校正精度，适用于GPS、BDS、GLONASS、Galileo等全球卫星导航系统与IRNSS、QZSS等区域卫星导航系统的接收机天线的PCO和PCV的精确标定，从而可以改正由PCO与PCV引入的系统性测量误差，进一步提高用户的定位精度。

附图说明

图1为GNSS接收机天线相位中心示意图；

图2为本发明实施例的校正方法实施流程图；

图3为本发明实施例的实验数据处理流程图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明基于在微波暗室所获得的整个天线半球面的相位方向图数据，实现天线相位中心偏差(Phase Center Offset，PCO)和天线相位中心变化(Phase Center Variation，PCV)的分离，最后通过最小二乘估计方法解算PCO并对观测值残差进行多项式拟合与球谐函数拟合来计算PCV。

具体包括针对室外相对校正和绝对校正收到多路径等误差的影响，在微波暗室中模拟GNSS发射信号，通过改变信号的入射方向，测量获得覆盖整个天线半球面的相位方向图，建立方向图与平均相位中心空间坐标之间的联系，最后通过最小二乘估计方法解算PCO，并对观测值残差进行多项式拟合与球谐函数拟合规则的PCV，得到了与IGS定义一致的高精度绝对相位中心校正参数。本发明可在微波暗室任意时间操作，且能达到1mm的PCO与PCV的校正精度，适用于GPS、BDS、GLONASS、Galileo等全球卫星导航系统与IRNSS、QZSS等局域卫星导航系统的接收机天线的PCO和PCV的精确标定，从而可以改正由PCO与PCV引入的系统性测量误差，进一步提高用户的定位精度。该校正方法的实施流程图如图2所示，实验数据处理流程图如图3所示。

本发明实施例的流程如下：

步骤1：将待测天线安装在微波暗室的转台上，并将待测天线的北方向(零度方位面)置于水平位置，即与测量坐标系的X、Z平面重合，建立测量坐标系与待测天线本体坐标系之间的转换关系，实现坐标系的统一。

进一步地，所述步骤1的坐标转换参数计算过程如下：

第一步：将待测天线安装在微波暗室的旋转转台上，待测天线参考点(AntennaReference Point，ARP)与旋转转台的旋转中心重合，发射天线与待测天线的中心轴线在同一水平高度。测量坐标系(X,Y,Z)为右手空间直角坐标系，Z轴穿过待测天线中心轴线指向发射天线方向，Y轴指向竖直方向，X轴与Y轴和Z轴构成右手系。待测天线的本体三维坐标系(N,E,U)为左手坐标系，其中U方向为经过待测天线底面中心的竖直轴，N方向与指北方向重合，E方向与N和U方向构成左手系。将待测天线零度方位面设置为水平方向，此时N轴与X轴重合，U轴与Z轴重合，两个坐标系统的坐标原点也相互重合；

第二步：建立测量坐标系与待测天线本体坐标系之间的转换关系，具体实施时可采用最常用的七参数坐标转换模型，但坐标缩放比例为1，主要是确定旋转矩阵与平移向量，坐标矩阵可以通过第一步确定，若测量坐标系原点与天线本体坐标系原点重合，则平移向量为零。若不重合，则需要进行测量才能得到。

实施例将待测天线安装在微波暗室的转台上，待测天线ARP与转台重合，发射天线可以固定与待测天线在同一水平高度。建立测量坐标系与待测天线本体坐标系之间的转换关系，实现坐标系统的统一，具体转换关系如下：

其中(N,E,U)为待测天线本体坐标系，(X,Y,Z)为测量坐标系，(X₀,Y₀,Z₀)为坐标平移向量；k为尺度因子，R为两个坐标系统之间的转换矩阵。

步骤2，设置并发射某一GNSS频率信号，测量零度方位面的相位方向图；改变入射信号的方位角，测量该方位面的相位方向图；重复以上操作，然后得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据；

进一步地，所述步骤2的实现如下：

第一步，让转台的旋转中心与天线参考点重合，此时测量坐标系与天线本体坐标系的坐标原点重合，设置并发射某一GNSS频率信号，测量零度方位面的相位方向图；

第二步，改变入射信号的方位角，测量该方位面的相位方向图；

第三步，重复第二步的操作，直至得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据；

步骤3：忽略相位中心变化的影响，建立任意方位面的相位方向图实测数据与三维相位中心之间的数学模型，得到观测方程及其误差方程，按最小二乘估计方法求解任意频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标。

进一步地，所述步骤3的计算天线相位中心的三维坐标如下：

第一步：忽略PCV的影响，由电磁波传播原理，建立任意高度角和方位角的相位方向图与平均相位中心三维坐标之间的联系，得到观测方程和误差方程。

第二步：按照观测值残差平方和最小的估计准则进行最小二乘解算，得到该频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标。

实施例中，忽略PCV的影响，由电磁波传播原理，建立任意高度角和方位角的相位方向图与平均相位中心三维坐标之间的联系，得到观测方程和误差方程。按照观测值残差的平方和最小的估计准则进行最小二乘解算，得到任意频率的平均相位中心坐标在测量坐标系中的三维坐标。

设平均相位中心的三维坐标为(x,y,z)，设λ为该频率的波长，常数k＝360/λ，天顶角(高度角)和方位角分别为旋转中心所在的竖直等位面上的相位为c，计算公式如下：

设观测值残差为v，权矩阵为p，天线相位中心变化为PCV，估计准则如下：

步骤4：将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，即为信号入射方向的天线相位中心变化PCV，由多项式拟合法得到随高度角变化的PCV，由球谐函数法得到随高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV。

进一步地，所述步骤4的PCV拟合方法如下：

第一步：将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，即为信号入射方向的天线相位中心变化PCV，此PCV为不规则形式的PCV。

第二步：将第一步得到的PCV与其高度角组成多项式拟合方程，求解多项式系数，然后得到随高度角变化的PCV。

第三步：将第一步得到的PCV与其高度角和方位角组成球谐函数方程，求解球谐函数的系数，然后拟合成按一定高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV。

实施例中，将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，即为信号入射方向的天线相位中心变化PCV，此PCV为不规则形式的PCV。

将第一步得到的PCV与其高度角组成多项式拟合方程，求解多项式系数，然后得到随高度角变化的PCV，记为PCV(θ)，多项式拟合方法如下式所示：

PCV(θ)＝α₀+α₁θ+α₂θ²+α₃θ³+α₄θ⁴ (4)

其中，α₀,α₁,α₂,α₃,α₄为拟合系数。

将第一步得到的PCV与其高度角和方位角组成球谐函数方程，求解球谐函数的系数，然后拟合成按一定高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV，记为PCV球谐函数模型如下：

式(5)中，x、y为定积分的变量，其中n_max为球谐函数的最大阶数，n和m分别为球谐函数的阶和级，系数A_nm、B_nm求取如式(5)，P_nm(cos x)为关于cos x的勒让德多项式，

勒让德多项式形式如下：

式(6)中，x为自变量，n和m分别为球谐函数的阶和级。

步骤5：将步骤3中得到的三维坐标通过坐标转换得到在天线本体坐标系下的相位中心PCO的绝对坐标，将最终得到的PCO与PCV参数按照IGS发布的ANTEX文件数据编码格式输出。

进一步地，所述步骤5的天线相位中心最终输出结果如下：

第一步：步骤1和步骤2已求得测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，将步骤3中得到的三维坐标通过坐标转换转得到天线PCO的值。

第二步：按照IGS发布的天线相位中心改正模型ANTEX文件编码格式输出得到的PCO与PCV结果。

实施例中，按照步骤1和步骤2已求得测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，将步骤3中得到的三维坐标通过坐标转换转得到天线PCO的值。按照IGS发布的天线相位中心改正模型ANTEX文件编码格式输出得到的PCO与PCV结果。具体实施时，以上流程可采用计算机软件技术实现自动运行。

上述实施例流程描述仅为了清楚说明本发明的基本技术方案，但本发明并不仅限于上述实施例；凡是依据本发明的技术实质上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将待测天线安装在微波暗室的转台上，并将待测天线的零度方位面置于水平位置，建立测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，实现坐标系的统一；

步骤2，设置并发射某一GNSS频率信号，测量零度方位面的相位方向图；改变入射信号的方位角，测量该方位面的相位方向图；重复以上操作，得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据；

步骤3，忽略天线相位中心变化PCV的影响，建立任意方位面的相位方向图实测数据与三维相位中心之间的数学模型，得到观测方程及其误差方程，按最小二乘方法求解该频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标；

步骤4，将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，其表示信号入射方向的天线相位中心变化PCV；由多项式拟合法得到随高度角变化的PCV，由球谐函数法得到随高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV；

步骤5，将步骤3中得到的三维坐标通过坐标转换得到在天线本体坐标系下的平均相位中心PCO的绝对坐标，将最终得到的PCO与PCV参数输出。

2.根据权利要求1所述基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，其特征在于：步骤1实现如下，

将待测天线安装在微波暗室的转台上，待测天线参考点ARP与转台的旋转中心重合；测量坐标系(X,Y,Z)为右手空间直角坐标系，Z轴穿过待测天线中心轴线指向发射天线方向，Y轴指向竖直方向，X轴与Y轴和Z轴构成右手系；待测天线的本体三维坐标系(N,E,U)为左手坐标系，其中U方向为经过待测天线底面中心的竖直轴，N方向与指北方向重合，E方向与N和U方向构成左手系；将待测天线零度方位面设置为水平方向，此时N轴与X轴重合，U轴与Z轴重合，两个坐标系统的坐标原点也相互重合；

建立测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，实现坐标系统的统一。

3.根据权利要求1所述基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，其特征在于：步骤2实现如下，

第一步，让转台的旋转中心与天线参考点重合，则测量坐标系与天线本体坐标系的坐标原点重合，测量零度方位面的相位方向图；

第二步，改变入射信号的方位角，测量该方位面的相位方向图；

第三步，重复第二步的操作，直至得到覆盖整个天线半球面的相位方向图数据。

4.根据权利要求1所述基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，其特征在于：步骤3的实现如下，

第一步，忽略PCV的影响，由电磁波传播原理，建立任意高度角和方位角的相位方向图与平均相位中心三维坐标之间的联系，得到观测方程和误差方程；

第二步，按照观测值的残差平方和最小的估计准则进行最小二乘解算，得到信号发射频率的平均相位中心在测量坐标系中的三维坐标。

5.根据权利要求1所述基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，其特征在于：步骤4实现如下，

第一步，将步骤3中得到的三维坐标代入到对应的误差方程中，得到观测值残差，其为信号入射方向的天线相位中心变化PCV，此PCV为不规则形式的PCV。

第二步，将第一步得到的PCV与其高度角组成多项式拟合方程，求解多项式系数，然后得到随高度角变化的PCV；

第三步，将第一步得到的PCV与其高度角和方位角组成球谐函数方程，求解球谐函数的系数，然后拟合成按一定高度角和方位角变化的规则格网形式的PCV。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述基于微波暗室的GNSS接收天线绝对相位中心校正方法，其特征在于：步骤5实现如下，

第一步，根据步骤1和步骤2已求得的测量坐标系与天线本体坐标系之间的转换关系，将步骤3中得到的三维坐标通过坐标转换转得到天线PCO的值。

第二步，按照IGS发布的天线相位中心改正模型ANTEX文件编码格式输出得到的PCO与PCV结果。