CN112285747B - Gnss接收机天线相位中心在线测量装置和测量方法 - Google Patents

Gnss接收机天线相位中心在线测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GNSS接收机天线相位中心在线测量装置和测量方法，其中的在线测量装置采用分体式设计，可以在不影响被测GNSS接收机正常工作的情况下，安置到被测天线基座上，在线测量装置的定心旋转机构内部嵌装的滚轮组可以确保该测量装置能够绕被测天线基座旋转；采集测量数据时，旋转该测量装置，在360°内均匀选择不少于3个测点分别测量一个时段；以被测天线的相位中心为原点O建立直角坐标系，解算每个时段的数据，得到参考天线相位中心的一组点，使用圆拟合算法处理后得到拟合圆心O'，向量
Figure DDA0002728672430000011
的模即为被测天线的相位中心。该方法在不影响被测GNSS接收机正常工作的前提下，实现了对被测GNSS接收机天线相位中心在线测量。

Description

GNSS接收机天线相位中心在线测量装置和测量方法
技术领域
本发明属全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)测量技术领域，具体涉及GNSS接收机天线相位中心在线测量方法。
背景技术
GNSS连续站是建立和维持国家高精度空间坐标体系的现代基础设施，广泛应用于城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控、矿山测量等领域。但是GNSS接收机的在线计量测试是一个难题，尤其是接收机天线的相位中心，尚缺少科学有效的测量手段。目前，GNSS接收机相关国家计量技术规范、行业计量技术规范、国家标准、行业标准中的天线相位中心测量方法，需要改变天线指向或在微波暗室环境内，都会改变GNSS接收机的正常工作状态，不适用于GNSS接收机天线相位中心在线测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，实现GNSS接收机天线相位中心在线测量。
本发明提供了一种GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，包括定心旋转机构、测量臂组件和参考GNSS接收机；所述定心旋转机构包括机械基础、锁紧螺栓、顶紧螺栓、滚轮组和支撑点；所述机械基础用于装夹被测GNSS接收机的被测天线基座，所述机械基础包括用于围合在所述被测天线基座外周的两个分体结构，所述的两个分体结构通过锁紧螺栓连接，并通过顶紧螺栓控制锁紧程度；每个分体结构在与被测天线基座相邻的一侧设有凹槽，所述凹槽内嵌装有滚轮组，所述机械基础的下方设置有多个支撑点；所述测量臂组件包括测量臂一和测量臂二，所述测量臂一和测量臂二的一端分别与所述机械基础的两个分体结构相连，所述测量臂一的另一端设有所述参考天线基座，所述测量臂二的另一端设有配重；所述参考GNSS接收机包括参考主机和设置在所述参考天线基座上的参考天线，所述参考天线与所述参考主机之间通过信号线一连接。
进一步讲，本发明所述的在线测量装置，其中，所述滚轮组包括四个滚轮，四个滚轮的外回转表面均突出于所在分体结构的侧面。嵌装有滚轮组的机械基础可以绕被测天线基座旋转。所述测量臂一与所述机械基础的一个分体结构为一整体，所述测量臂二与所述机械基础的另一个分体结构为一整体。
本发明中还提出了上述在线测量装置的测量方法，其中，所述定心旋转机构用于将该在线测量装置安装到被测天线基座上，并保证该在线测量装置能够绕被测天线基座旋转；所述测量臂一和测量臂二分别用于安装参考天线和配重，并保证该在线测量装置受力平衡；所述参考GNSS接收机与被测GNSS接收机同步观测，用于获取两天线相位中心间的精确位置关系；该在线测量方法包括以下步骤：
步骤一、架设在线测量装置：将测量臂一和测量臂二分别与机械基础的两个分体结构相连，并安装上参考天线和配重，从而形成了该在线测量装置的左右部分，将该在线测量装置的左右部分分别放置到所述被测天线基座的两侧，使用锁紧螺栓连接机械基础的两个分体结构；调节锁紧螺栓和顶紧螺栓的松紧程度，使滚轮组与被测天线基座紧密配合，同时确保该在线测量装置能够自由旋转；调整机械基础下方的各支撑点的高度，使各支撑点均能接触到观测墩上的归心盘的上表面；用信号线一将参考天线连接至参考主机，用信号线二将被测天线连接至被测主机；
步骤二、采集测量数据：启动参考主机，观测并记录数据；测量时顺时针旋转该在线测量装置的机械基础，从而带动参考天线围绕被测天线公转，在360°内均匀选择不少于3个测点进行测量，在每个测点分别测量一个时段；测量结束后，存储参考主机和被测主机同步观测数据的原始文件；
步骤三、解算测量数据：使用GNSS数据后处理软件解算每个时段的测量数据，得到从被测天线的相位中心到参考天线的相位中心的一组向量
Figure BDA0002728672410000021
i是测点的个数，i不少于3，以被测天线的相位中心为坐标原点O，以西东向为x轴、南北向为y轴建立直角坐标系，得到参考天线的一组相位中心坐标点Ri(xi,yi)；使用圆拟合算法处理上述一组相位中心坐标点Ri(xi,yi)，得到拟合圆心O'(x,y)，该拟合圆心O'(x,y)为被测天线的水平物理中心，向量
Figure BDA0002728672410000022
的模即为所述被测天线的相位中心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于，本发明在线测量装置中的定心旋转机构采用分体结构，且内部安装有滚轮组，测量时滚轮组与被测天线基座配合，实现定心旋转机构的定心，同时满足其自由旋转的要求；在线测量装置的测量臂采用分别安装在所述定心旋转机构的分体两部分上的双臂结构，且在双臂上分别安装参考天线基座和配重，从而保证了测量装置的受力平衡。
本发明提供的GNSS接收机天线相位中心在线测量方法，通过调整定心旋转机构下方的各个支撑点的高度，使每个支撑点均能接触到观测墩的归心盘面，从而降低了测量过程中旋转在线测量装置时的摩擦力。
本发明可以在不影响被测GNSS接收机正常工作的前提下，实现了对被测GNSS接收机天线相位中心在线测量。
附图说明
图1是本发明GNSS接收机天线相位中心在线测量装置的结构示意图；
图2是图1中所示定心旋转机构的主视图；
图3是图2所示定心旋转机构的俯视图；
图4是被测GNSS接收机的工作状态示意图；
图5是将本发明GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，安装到被测GNSS接收机天线基座后的工作状态示意图；
图6是实施例中参考天线围绕被测天线顺时针公转的示意图；
图7是实施例中参考天线在4个测点处的相位中心坐标、拟合圆心O'坐标和向量
Figure BDA0002728672410000031
的示意图。
图中：
1-定心旋转机构，11-机械基础，12-锁紧螺栓，13-顶紧螺栓，14-滚轮组，15-支撑点，2-测量臂组件，21-测量臂一，22-测量臂二，23-参考天线基座，24-配重，3-参考GNSS接收机，31-参考天线，32-信号线一，33-参考主机，4-被测GNSS接收机，41-观测墩，42-归心盘，43-被测天线基座，44-被测天线，45-信号线二，46-被测主机。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本发明提供的GNSS接收机天线相位中心在线测量方法的设计思路是：采用分体式的定心旋转机构，可在不改变被测GNSS接收机工作状态的情况下，将测量装置加装到被测GNSS接收机的被测天线基座上；使用锁紧螺栓和顶紧螺栓控制定心旋转机构的锁紧程度，保证定心旋转机构实现定心的同时可以自由旋转；采用双测量臂，一只测量臂安置参考天线基座和参考天线，另一只测量臂安置配置，保证整个测量机构受力平衡；定心旋转机构下部设置有支撑点，减小旋转摩擦阻力；旋转测量装置，使用参考GNSS接收机在不同角度测量若干时段的数据；解算被测GNSS接收机和参考GNSS接收机的测量数据，得到参考天线相位中心相对被测天线相位中心的坐标点，进而经过拟合得到被测天线的物理中心，最终得到被测天线相位中心。该测量方法不改变被测GNSS接收机的工作状态，通过参考天线围绕被测天线的公转，和对公转轨迹的拟合，实现对被测天线相位中心在线测量。
实施例：
图1所示为本发明提出的GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，该装置包括定心旋转机构1、测量臂组件2、参考GNSS接收机3。
所述定心旋转机构1如图2和图3所示，包括机械基础11、锁紧螺栓12、顶紧螺栓13、滚轮组14和支撑点15；机械基础11采用分体设计，机械基础11的两分体结构通过锁紧螺栓12连接，通过顶紧螺栓13控制锁紧程度；机械基础11内设置滚轮组14，机械基础11下方设置有多个支撑点15。本实施例中，所述滚轮组15包括四个滚轮，四个滚轮的外回转表面均突出于所在分体结构的侧面，嵌装有滚轮组15的机械基础11可以绕被测天线基座43旋转。本发明中的所述定心旋转机构1用于将该在线测量装置安装到被测天线基座43上，并保证该在线测量装置能够绕被测天线基座43旋转。
所述测量臂组件2包括测量臂一21、测量臂二22、参考天线基座23和配重24；测量臂一21和测量臂二22分别安装在机械基础11的两分体结构上，测量臂一21末端安装参考天线基座23，测量臂二22末端安装配重24。本实施例中，所述测量臂一21与所述机械基础11的一个分体结构为一整体，所述测量臂二22与所述机械基础11的另一个分体结构为一整体。本发明中的所述测量臂一21和测量臂二22分别用于安装参考天线31和配重24，并保证该在线测量装置受力平衡。
所述参考GNSS接收机3包括参考天线31、信号线一32和参考主机33；参考天线31安置在参考天线基座23上，并通过线号线一32与参考主机33连接。
图4所示为测量装置所测量的GNSS接收机的一实施例，该被测GNSS接收机4包括观测墩41、归心盘42、被测天线基座43、被测天线44、信号线二45和被测主机46；观测墩41是一种混凝土浇筑体，建设在基岩或深基础上；归心盘42浇筑在观测墩41的上表面；被测天线基座43通过螺纹配合安装在归心盘42上；被测天线44安置在被测天线基座上，并通过信号线二45与被测主机46连接。本发明中的所述参考GNSS接收机3与被测GNSS接收机4同步观测，用于获取两天线相位中心间的精确位置关系。
利用图1所示GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，测量图4所示GNSS接收机的天线相位中心，包括以下步骤：
步骤一、架设测量装置：将测量臂一21和测量臂二22分别与机械基础1的两个分体结构相连，并安装上参考天线31和配重24，从而形成了该在线测量装置的左右部分，将测量装置的左右部分分别放置到所述被测天线基座43两侧，使用锁紧螺栓12连接机械基础11的两部分；调节锁紧螺栓12和顶紧螺栓13的松紧程度，使滚轮组14中的每个滚轮均与被测天线基座43紧密配合，同时确保测量装置能够自由旋转；调整机械基础11下方的各支撑点15的高度，使各支撑点15均能接触到观测墩41上的归心盘42的上表面，降低测量装置旋转时的摩擦力。用信号线一32将参考天线31连接至参考主机33，用信号线二(45)将被测天线44连接至被测主机46。
步骤二、采集测量数据：启动参考主机33，观测并记录数据；如图6所示，测量时顺时针旋转测量装置使参考天线31围绕被测天线44公转，在360°内均匀选择4个测点(即i＝3)进行测量，在每个测点分别测量不少于23个小时；测量结束后，存储参考主机33和被测主机46同步观测数据的原始文件。
步骤三、解算测量数据：使用GNSS数据后处理软件解算每个时段的测量数据，得到从被测天线44的相位中心到参考天线31的相位中心的一组向量
Figure BDA0002728672410000041
和
Figure BDA0002728672410000042
如图7所示，以被测天线44的相位中心为坐标原点O，以西东向为x轴，南北向为y轴建立直角坐标系，可得到参考天线31的一组相位中心坐标点R1(x1,y1)、R2(x2,y2)、R3(x3,y3)和R4(x4,y4)；使用圆拟合算法处理上述坐标点，得到拟合圆心O'(x,y)；由于测量过程中，参考天线31相位中心到参考天线基座43轴线的距离是不变的，则O'(x,y)可视为被测天线44的水平物理中心，向量
Figure BDA0002728672410000051
的模即为所述被测天线44的相位中心。
对被测GNSS接收机4天线相位中心进行10组重复测量，被测天线44在L1频点的相位中心结果如表1所示，测量结果的重复性达到0.13mm。
表1
Figure BDA0002728672410000052
本发明的优势在于，解决了GNSS接收机天线相位中心在线测量难题；本实施例中，测量结果的重复性达到了0.13mm；在不改变测量方法和测量装置的前提下，本发明对其他应用场景的GNSS接收机也具有相同的测量能力。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，包括定心旋转机构(1)、测量臂组件(2)和参考GNSS接收机(3)；其特征在于，
所述定心旋转机构(1)包括机械基础(11)、锁紧螺栓(12)、顶紧螺栓(13)、滚轮组(14)和支撑点(15)；所述机械基础(11)用于装夹被测GNSS接收机的被测天线基座(43)，所述机械基础(11)包括用于围合在所述被测天线基座(43)外周的两个分体结构，所述的两个分体结构通过锁紧螺栓(12)连接，并通过顶紧螺栓(13)控制锁紧程度；每个分体结构在与被测天线基座(43)相邻的一侧设有凹槽，所述凹槽内嵌装有滚轮组(14)，所述机械基础(11)的下方设置有多个支撑点(15)；
所述测量臂组件(2)包括测量臂一(21)和测量臂二(22)，所述测量臂一(21)和测量臂二(22)的一端分别与所述机械基础(11)的两个分体结构相连，所述测量臂一(21)的另一端设有所述参考天线基座(23)，所述测量臂二(22)的另一端设有配重(24)；
所述参考GNSS接收机(3)包括参考主机(33)和设置在所述参考天线基座(23)上的参考天线(31)，所述参考天线(31)与所述参考主机(33)之间通过信号线一(32)连接。
2.根据权利要求1所述的GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，其特征在于，所述滚轮组(14)包括四个滚轮，四个滚轮的外回转表面均突出于所在分体结构的侧面。
3.根据权利要求2所述的GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，其特征在于，嵌装有滚轮组(14)的机械基础(11)可以绕被测天线基座(43)旋转。
4.根据权利要求1所述的GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，其特征在于，所述测量臂一(21)与所述机械基础(11)的一个分体结构为一整体，所述测量臂二(22)与所述机械基础(11)的另一个分体结构为一整体。
5.一种GNSS接收机天线相位中心在线测量方法，其特征在于，采用如权利要求1所述GNSS接收机天线相位中心在线测量装置，其中，所述定心旋转机构(1)用于将该在线测量装置安装到被测天线基座(43)上，并保证该在线测量装置能够绕被测天线基座(43)旋转；所述测量臂一(21)和测量臂二(22)分别用于安装参考天线(31)和配重(24)，并保证该在线测量装置受力平衡；所述参考GNSS接收机(3)与被测GNSS接收机(4)同步观测，用于获取两天线相位中心间的精确位置关系；该在线测量方法包括以下步骤：
步骤一、架设在线测量装置：将测量臂一(21)和测量臂二(22)分别与机械基础(1)的两个分体结构相连，并安装上参考天线(31)和配重(24)，从而形成了该在线测量装置的左右部分，将该在线测量装置的左右部分分别放置到所述被测天线基座(43)的两侧，使用锁紧螺栓(12)连接机械基础(11)的两个分体结构；调节锁紧螺栓(12)和顶紧螺栓(13)的松紧程度，使滚轮组(14)与被测天线基座(43)紧密配合，同时确保该在线测量装置能够自由旋转；调整机械基础(11)下方的各支撑点(15)的高度，使各支撑点(15)均能接触到观测墩(41)上的归心盘(42)的上表面；用信号线一(32)将参考天线(31)连接至参考主机(33)，用信号线二(45)将被测天线(44)连接至被测主机(46)；
步骤二、采集测量数据：启动参考主机(33)，观测并记录数据；测量时顺时针旋转该在线测量装置的机械基础(11)，从而带动参考天线(31)围绕被测天线(44)公转，在360°内均匀选择不少于3个测点进行测量，在每个测点分别测量一个时段；测量结束后，存储参考主机(33)和被测主机(46)同步观测数据的原始文件；
步骤三、解算测量数据：使用GNSS数据后处理软件解算每个时段的测量数据，得到从被测天线(44)的相位中心到参考天线(31)的相位中心的一组向量
Figure FDA0002728672400000021
i是测点的个数，i不少于3；以被测天线(44)的相位中心为坐标原点O，以西东向为x轴、南北向为y轴建立直角坐标系，得到参考天线(31)的一组相位中心坐标点Ri(xi,yi)；使用圆拟合算法处理上述一组相位中心坐标点Ri(xi,yi)，得到拟合圆心O'(x,y)，该拟合圆心O'(x,y)为被测天线(44)的水平物理中心，向量
Figure FDA0002728672400000022
的模即为所述被测天线(44)的相位中心。
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