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Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响

尹潇 柴洪洲 齐文龙 肖国锐

尹潇, 柴洪洲, 齐文龙, 肖国锐. Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
引用本文: 尹潇, 柴洪洲, 齐文龙, 肖国锐. Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
YIN Xiao, CHAI Hongzhou, QI Wenlong, XIAO Guorui. Characteristics of Galileo Calibrated Satellite Antenna Parameter and Their Impacts on Precise Point Positioning[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
Citation: YIN Xiao, CHAI Hongzhou, QI Wenlong, XIAO Guorui. Characteristics of Galileo Calibrated Satellite Antenna Parameter and Their Impacts on Precise Point Positioning[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398

Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响

doi: 10.13203/j.whugis20190398
基金项目: 

国家自然科学基金 41574010

国家自然科学基金 41604013

详细信息

Characteristics of Galileo Calibrated Satellite Antenna Parameter and Their Impacts on Precise Point Positioning

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41574010

The National Natural Science Foundation of China 41604013

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    Author Bio:

    YIN Xiao, PhD, specializes in the GNSS precise orbit determination and positioning.E-mail: yinxiaotongji@163.com

    Corresponding author: CHAI Hongzhou, PhD, professor.E-mail: chaihz1969@163.com
  • 摘要: 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。
  • 图  1  校正天线与估计天线的z-PCO对比

    Figure  1.  z-PCO Difference Between Calibrated Antenna and Estimated Antenna

    图  2  校正天线PCV图

    Figure  2.  PCV Map of Calibrated Antenna

    图  3  测站分布

    Figure  3.  Distribution of Stations

    图  4  使用校正PCO与估计PCO的定位差异

    Figure  4.  Positioning Differences Using Calibrated PCO and Estimated PCO

    图  5  使用校正PCO与估计PCO解算接收机钟差、天顶对流层延迟的差异

    Figure  5.  Differences of Receiver Clock Offset and Zenith Tropospheric Delay Using Calibrated PCO and Estimated PCO

    图  6  PCV参数对双频组合PPP的影响

    Figure  6.  PCV Effect on Ionospheric-Free PPP

    图  7  不同天线参数双频非组合PPP高程比较

    Figure  7.  Comparison of Original Dual-Frequency PPP Elevation Based on Different Antenna Parameter

    图  8  接收机端L2与L5的z-PCO比较

    Figure  8.  Comparison of z-PCO of L2 and L5 in Receiver

    图  9  L1/L2与L1/L5高程方向精度比较

    Figure  9.  Elevation Precision Comparison of L1/L2 and L1/L5

    表  1  校正天线与估计天线比较

    Table  1.   Comparison of Calibrated Antenna and Estimated Antenna

    天线参数 校正天线 估计天线
    数据源 地面 在轨
    类型 每颗卫星 IOV、FOC
    频率 每个频率 消电离层
    PCV 天底/方位角 PCV为0
    参考点 ARP COM
    坐标框架 卫星参考系 天线参考系
    姿态 常规+偏航 常规
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    表  2  不同卫星的h-PCO/cm

    Table  2.   Horizontal PCO of Different Satellites/cm

    卫星类型 频率 x方向 y方向
    IOV卫星 E1 -17.2~-16.9 2.8~3.0
    E5a -17.1~-17.0 2.6~2.8
    E1/E5a -17.4~-16.9 3.0~3.4
    FOC卫星 E1 11.6~12.7 -1.1~-0.8
    E5a 11.7~12.7 -1.1~-0.8
    E1/E5a 11.4~12.6 -1.3~-0.6
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    表  3  静态精密单点定位参数设置

    Table  3.   Parameters Setting for Static PPP

    参数 处理方法
    卫星轨道和钟差 GFZ精密轨道和钟差
    截止高度角/(°) 15
    电离层误差 E1/E5a双频;无电离层组合
    对流层误差 SAAS+参数估计
    固体潮、海潮 IERS协议
    相对论、地球自转 模型改正
    测站坐标 估计
    接收机钟差 估计,白噪声
    模糊度 浮点解
    天线参数 校正值(或估计值)
    下载: 导出CSV

    表  4  不同天线参数双频组合PPP比较

    Table  4.   Comparison of Ionospheric-Free PPP Based on Different Antenna Parameters

    天线参数 平均偏差/mm
    E方向 N方向 U方向
    估计天线 2.4 1.9 6.3
    校正天线 2.4 1.9 5.9
    下载: 导出CSV

    表  5  不同天线参数双频非组合PPP比较

    Table  5.   Comparison of Original Dual-Frequency PPP Based on Different Antenna Parameters

    天线参数 平均偏差/mm
    E方向 N方向 U方向
    估计天线 2.5 2.0 5.9
    校正天线 2.5 2.0 5.2
    下载: 导出CSV
  • [1] Schmid R, Rothacher M. Estimation of Elevation-Dependent Satellite Antenna Phase Center Variations of GPS Satellites[J]. Journal of Geodesy, 2003, 77(7): 440-446
    [2] Hofmann-Wellenhof B, Lichtenegger H, Wasle E. GNSS-Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo, and More[M]. New York: Springer, 2008
    [3] Montenbruck O, Schmid R, Mercier F, et al. GNSS Satellite Geometry and Attitude Models[J]. Advances in Space Research, 2015, 56(6): 1015-1029 doi:  10.1016/j.asr.2015.06.019
    [4] Rizos C, Montenbruck O, Weber R, et al. The IGS MGEX Experiment as a Milestone for a Comprehensive Multi-GNSS Service[C]// The ION Pacific PNT Meeting, Hawaii, USA, 2013
    [5] Steigenberger P, Fritsche M, Dach R, et al. Estimation of Satellite Antenna Phase Center Offsets for Galileo[J]. Journal of Geodesy, 2016, 90(8): 773-785 doi:  10.1007/s00190-016-0909-6
    [6] Rafael L. Galileo Performance Update[C]// United Nations Workshop on the Applications of GNSS, Falda Del Carmen, Argentina, 2018
    [7] Villiger A, Prange L, Dach R, et al. Consistency of Antenna Products in the MGEX Environment[C]// IGS workshop, Wuhan, China, 2018
    [8] Li X, Yuan Y, Huang J, et al. Galileo and QZSS Precise Orbit and Clock Determination Using New Satellite Metadata[J]. Journal of Geodesy, 2019, 93(8): 1123-1136 doi:  10.1007/s00190-019-01230-4
    [9] Gonzalez F, Sollner M, Schonemen E, et al. Phase Centre Calibration of the Galileo Satellite Navigation Antenna[C]//IGS Workshop, Paris, France, 2017
    [10] 董大南, 陈俊平, 王解先. GNSS高精度定位原理[M]. 北京: 科学出版社, 2018

    Dong Danan, Chen Junping, Wang Jiexian. GNSS High Precision Positioning Principle[M]. Beijing: Science Press, 2018
    [11] Montesano A, Montesano C, Caballero R, et al. Galileo System Navigation Antenna for Global Positioning[C]//The 2nd European Conference on Antennas and Propagation, Edinburgh, UK, 2007
    [12] 辜声峰. 多频GNSS非差非组合精密数据处理理论及其应用[D]. 武汉: 武汉大学, 2013

    Gu Shengfeng. Research on the Zero-Difference Un-combined Data Processing Model for Multi-Frequency GNSS and Its Applications[D]. Wuhan: Wuhan University, 2013
    [13] 胡一帆, 张帅. 不同卫星天线参数对BDS定轨定位精度的影响[J]. 测绘学报, 2019, 48(7): 908-918 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201907013.htm

    Hu Yifan, Zhang Shuai. The Impacts of Different Satellite Antenna Parameters on BDS Precise Orbit Determination and Precise Point Positioning Accuracy[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2019, 48(7): 908-918 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHXB201907013.htm
    [14] 陈俊平, 胡一帆, 张帅, 等. 基于不同参考框架的GPS卫星天线校验[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2018, 46(10): 1448-1454 doi:  10.11908/j.issn.0253-374x.2018.10.018

    Chen Junping, Hu Yifan, Zhang Shuai, et al. Calibration of GPS Satellite Antenna Based on Different Reference Frames[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2018, 46(10): 1448-1454 doi:  10.11908/j.issn.0253-374x.2018.10.018
    [15] Zhu S Y, Massmann F H, Yu Y, et al. Satellite Antenna Phase Center Offsets and Scale Errors in GPS Solutions[J]. Journal of Geodesy, 2003, 76(11): 668-672
    [16] Collilieux X, Schmid R. Evaluation of the ITRF2008 GPS Vertical Velocities Using Satellite Antenna Z-Offsets[J]. GPS Solutions, 2013, 17(2): 237-246 doi:  10.1007/s10291-012-0274-8
    [17] Schmid R, Dach R, Collilieux X, et al. Absolute IGS Antenna Phase Center Model Igs08. atx: Status and Potential Improvements[J]. Journal of Geodesy, 2016, 90(4): 343-364 doi:  10.1007/s00190-015-0876-3
    [18] Schmid R, Steigenberger P, Gendt G, et al. Generation of a Consistent Absolute Phase-Center Correction Model for GPS Receiver and Satellite Antennas[J]. Journal of Geodesy, 2007, 81(12): 781-798 doi:  10.1007/s00190-007-0148-y
    [19] 马洋, 欧吉坤, 袁运斌, 等. 导航卫星天线相位中心变化估计及对LEO精密定轨影响[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(7): 894-900 doi:  10.13203/j.whugis20130626

    Ma Yang, Jikun Ou, Yuan Yunbin, et al. Estimation of GPS Antenna Phase Center Variation and Its Effect on Precise Orbit Determination of LEOs[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(7): 894-900 doi:  10.13203/j.whugis20130626
  • [1] 吴明魁, 刘万科, 张小红, 田文文.  GPS/Galileo/BDS-3试验星短基线紧组合相对定位性能初步评估 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2020, 45(1): 13-20. doi: 10.13203/j.whugis20180269
    [2] 袁运斌, 张宝成, 李敏.  多频多模接收机差分码偏差的精密估计与特性分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2018, 43(12): 2106-2111. doi: 10.13203/j.whugis20180135
    [3] 罗小敏, 蔡昌盛, 朱建军, 潘林, 李施佳.  利用Galileo IOV卫星观测数据的单点定位精度分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2015, 40(2): 199-203.
    [4] 姚宜斌, 彭文飞, 孔建, 张豹.  精密单点定位模糊度固定效果分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2013, 38(11): 1281-1285.
    [5] 江楠, 徐天河, 许艳.  接收机天线整流罩对GPS定位精度的影响 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2013, 38(5): 566-570.
    [6] 邹璇, 姜卫平, 苏利娜, 刘经南.  一种利用动态参考网实现单频接收机精密单点定位的新方法 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2013, 38(4): 403-407.
    [7] 张小红, 郭斐, 李盼, 左翔.  GNSS精密单点定位中的实时质量控制 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2012, 37(8): 940-944.
    [8] 许长辉, 高井祥, 周锋, 王坚.  精密单点定位的可靠性研究 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2012, 37(6): 709-713.
    [9] 张小红, 蔡诗响, 李星星, 郭斐.  利用GPS精密单点定位进行时间传递精度分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2010, 35(3): 274-278.
    [10] 张小红, 郭斐, 李星星, 林晓静.  GPS/GLONASS组合精密单点定位研究 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2010, 35(1): 9-12.
    [11] 李浩军, 王解先, 王虎, 李博峰.  基于GNSS网络的卫星精密钟差估计及结果分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2010, 35(8): 1001-1003.
    [12] 易重海, 朱建军, 陈永奇, 戴吾蛟.  顾及卫星钟差插值误差的GPS精密单点定位观测值随机模型 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2010, 35(10): 1165-1168.
    [13] 汪志明, 花向红, 刘炎炎.  精密单点定位中卫星钟差影响分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2010, 35(11): 1339-1341.
    [14] 朱庆林, 赵振维, 吴振森.  精密单点定位方法测量对流层天顶延迟的精度改善 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2009, 34(9): 1098-1101.
    [15] 宋伟伟, 施闯, 姚宜斌, 叶世榕.  单频精密单点定位电离层改正方法和定位精度研究 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2009, 34(7): 778-781.
    [16] 秘金钟, 赵春梅, 李玮.  Galileo中国区域完备性监测指标SISMA研究 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2009, 34(10): 1172-1175.
    [17] 耿涛, 赵齐乐, 刘经南, 杜瑞林.  基于PANDA软件的实时精密单点定位研究 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2007, 32(4): 312-315.
    [18] 王泽民, 孟泱, 伍岳, 梁树军.  GPS、Galileo及其组合系统导航定位的DOP值分析 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2006, 31(1): 9-11.
    [19] 韩保民, 欧吉坤.  基于GPS非差观测值进行精密单点定位研究 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2003, 28(4): 409-412.
    [20] 刘经南, 叶世榕.  GPS非差相位精密单点定位技术探讨 . 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2002, 27(3): 234-240.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-01
  • 刊出日期:  2022-04-05

Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响

doi: 10.13203/j.whugis20190398
    基金项目:

    国家自然科学基金 41574010

    国家自然科学基金 41604013

    作者简介:

    尹潇, 博士, 主要从事GNSS精密定轨和定位研究。yinxiaotongji@163.com

    通讯作者: 柴洪洲, 博士, 教授。chaihz1969@163.com
  • 中图分类号: P228

摘要: 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。

English Abstract

尹潇, 柴洪洲, 齐文龙, 肖国锐. Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
引用本文: 尹潇, 柴洪洲, 齐文龙, 肖国锐. Galileo校正卫星天线参数特性及对PPP定位的影响[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
YIN Xiao, CHAI Hongzhou, QI Wenlong, XIAO Guorui. Characteristics of Galileo Calibrated Satellite Antenna Parameter and Their Impacts on Precise Point Positioning[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
Citation: YIN Xiao, CHAI Hongzhou, QI Wenlong, XIAO Guorui. Characteristics of Galileo Calibrated Satellite Antenna Parameter and Their Impacts on Precise Point Positioning[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(4): 526-532. doi: 10.13203/j.whugis20190398
  • 准确的卫星天线参数是进行高精度大地测量的重要前提。卫星定轨以卫星质心(center of mass,COM)为基准,而距离观测则基于相位中心(antenna phase center,APC),二者的偏差为相位中心偏差(phase center offset,PCO)。另外,卫星信号的瞬时相位中心相对于平均相位中心存在高度角和方位角相关的变化(phase center variations,PCV)[1-2],PCO和PCV即为卫星天线参数。其中,指向地心方向的PCO称为垂向PCO(zenithal PCO,z-PCO),水平向PCO(horizontal PCO,h-PCO)的指向由国际全球导航卫星系统服务组织(International Global Navigation Satellite System Service,IGS)定义[3]

    伽利略(Galileo)系统的IOV(in-orbit validation,IOV)卫星最初采用协议PCO,FOC(full operational capability)卫星采用初步估计PCO[4]。德国地学研究中心(Deutsches GeoForschungs Zentrum,GFZ)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR)利用全球跟踪站数据,采用E1和E5a消电离层(ionospheric free,IF)组合重新估计了Galileo各类型卫星的PCO,并被IGS先期采用,明显提高了卫星定轨精度[5]。最近,欧洲卫星导航系统局(European GNSS Agency,GSA)发布了Galileo卫星微波暗室校正的PCO和PCV[6],其不再依赖于地面跟踪站,且基于原始频点,已被IGS分析中心采纳。

    目前,针对校正的天线参数特性及其对定位定轨影响的研究较少,文献[7-8]主要评估了其对卫星定轨的影响,发现重叠轨道差异小于1 mm,对定轨的影响基本可以忽略。基于此,本文主要分析其对精密定位的影响。首先给出地面校正卫星天线参数的原理、特性及精密定位中的改正方法;然后基于MGEX(multi-GNSS experiment)测站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,评估了测站高程及其强相关的接收机钟差、天顶对流层延迟,并对接收机端L2天线参数代替L5天线参数引起的定位误差进行了分析。

    • 卫星天线地面校正是在微波暗室进行,待测天线的参考点(antenna reference point,ARP)与转台中心一致,远场可测不同高度角和方位角的延迟[9-10]。为方便表达,z包含天底角和方位角,由转台精确控制。PCO至远处球面的距离为:

      Rz=rz-d·rz

      式中,rz为ARP至远处球面距离;d为PCO三维矢量,为待求参数;rz为ARP至远处球面距离的三维矢量。为求得PCO矢量,给出约束条件如下:

      Z1Z2Rz-rz+d·rz2=min

      式中,Z1Z2为观测方向的变化范围。由此得到最优拟合球面的球心坐标即为PCO参数,观测距离残差则为PCV参数。因此,卫星天线PCO参数和PCV参数存在明显的强相关,表现为z-PCO与PCV的天底角部分相关,h-PCO和PCV的方位角部分相关。为便于距离改正,一般给出天底角及方位角的格网(zi)PCV值,由内插得到天底角及方位角z的PCV,计算如下:

      PCVz=z-zizi+1-zi·PCV(zi+1)-PCVzi+PCVzi

      式中,PCVzi为格网点zi的值。由此得到由卫星天线PCO和PCV所引起的测站至卫星的距离改正Δdz为:

      Δdz=PCVz+PCO·ers

      式中,ers为星固系下接收机至卫星方向的单位矢量;PCO为星固系卫星天线PCO矢量。E1、E5a消电离层组合时,卫星天线PCO计算如下:

      PCOIF=γγ-1PCOE1-1γ-1PCOE5a

      式中,γ=f12/f52f为对应频点的频率。

      IGS天线文件采用估计的天线参数时,各个频点共用一套参数,不加以区别。校正的天线参数则基于原始频点,每个频点参数不一样,二者的具体区别见表 1。IGS最新天线文件采用校正的天线参数时,已转换到协议的以COM为参考点的天线参考系。

      表 1  校正天线与估计天线比较

      Table 1.  Comparison of Calibrated Antenna and Estimated Antenna

      天线参数 校正天线 估计天线
      数据源 地面 在轨
      类型 每颗卫星 IOV、FOC
      频率 每个频率 消电离层
      PCV 天底/方位角 PCV为0
      参考点 ARP COM
      坐标框架 卫星参考系 天线参考系
      姿态 常规+偏航 常规
    • 为评估校正天线参数的特性,基于IGS14_2062天线表文件,根据式(5)计算对应消电离层组合E1/E5a的各卫星的h-PCO,结果见表 2。从表 2可以看出,同类型卫星的h-PCO差异基本在±1 cm以内,与卫星类型明显相关,同类型可以取均值,从而为新发射的同类型卫星提供较为准确的天线参数。

      表 2  不同卫星的h-PCO/cm

      Table 2.  Horizontal PCO of Different Satellites/cm

      卫星类型 频率 x方向 y方向
      IOV卫星 E1 -17.2~-16.9 2.8~3.0
      E5a -17.1~-17.0 2.6~2.8
      E1/E5a -17.4~-16.9 3.0~3.4
      FOC卫星 E1 11.6~12.7 -1.1~-0.8
      E5a 11.7~12.7 -1.1~-0.8
      E1/E5a 11.4~12.6 -1.3~-0.6

      与采用E1/E5a估计的天线参数[5]对比,IOV卫星xy方向PCO的差异分别为-0.3 cm、0.2 cm,FOC卫星对应的差异分别为-0.03 cm、0.03 cm,FOC卫星的吻合度优于IOV卫星。

      图 1给出了校正天线(E1/E5a)的z-PCO与IGS08.atx文件估计的z-PCO的差异。可以看出,校正天线的z-PCO与卫星类型无关,呈现随机性,而估计天线的z-PCO与类型强相关,统计二者平均差异约为-20 cm,这主要因为估计天线参数时不顾及PCV,而PCV与z-PCO强相关。

      图  1  校正天线与估计天线的z-PCO对比

      Figure 1.  z-PCO Difference Between Calibrated Antenna and Estimated Antenna

      以IOV卫星E11和FOC卫星E09为例,统计IGS14_2062天线表文件中各卫星的PCV,结果如图 2所示。从图 2可以看出,FOC卫星PCV仅与天底角相关,与方位角基本无关;IOV卫星在天底角小于10°时,也仅与天底角相关,而在天底角大于10°时,在方位角为30°、150°和270°时呈现明显的方位角正相关特性,方位角为90°、210°和330°时呈现明显的方位角负相关特性,这可能主要与IOV卫星天线的物理结构有关[11]

      图  2  校正天线PCV图

      Figure 2.  PCV Map of Calibrated Antenna

    • 为评估校正天线参数对PPP定位精度的影响,选取MGEX中可跟踪Galileo卫星的测站。同时,为分析不同接收机天线类型对定位的影响,选取MGEX中常用的4类天线类型,包括TRM57971.00 NONE天线、TRM59800.00 NONE天线、LEIAR25.R4 LEIT天线和JAVRINGANT_DM NONE天线,实验测站分布如图 3所示,共计20个测站。

      图  3  测站分布

      Figure 3.  Distribution of Stations

      选择2019年年积日(day of year,DOY)152—166共计15 d的数据,采样间隔为30 s,静态精密单点定位参数设置[12]表 3

      表 3  静态精密单点定位参数设置

      Table 3.  Parameters Setting for Static PPP

      参数 处理方法
      卫星轨道和钟差 GFZ精密轨道和钟差
      截止高度角/(°) 15
      电离层误差 E1/E5a双频;无电离层组合
      对流层误差 SAAS+参数估计
      固体潮、海潮 IERS协议
      相对论、地球自转 模型改正
      测站坐标 估计
      接收机钟差 估计,白噪声
      模糊度 浮点解
      天线参数 校正值(或估计值)

      目前,GFZ精密轨道及钟差产品采用的是校正的天线参数。但文献[8]发现其与估计天线参数解算的轨道及钟差差异可以忽略。因此,采用校正天线参数或估计天线参数定位时,可采用一致的精密轨道 [13-14]。统计时,以IGS发布的单天解SNX文件中的坐标为真值,以单天最后历元坐标为定位结果。

    • 采用E1和E5a消电离层组合进行PPP解算,分别采用估计天线PCO参数和校正天线PCO参数。每个测站统计15 d的均值,得到东(east,E)、北(north,N)、高程(up,U)3个方向的定位结果,如图 4所示。从图 4可以看出,E、N方向的差异在±5 mm以内,所有测站差值的均值在零附近,不同天线PCO参数对平面方向基本无影响;U方向的差异在±10 mm以内,不同天线PCO参数引起U方向系统差;不同卫星天线PCO参数定位结果都与接收机天线类型无关。

      图  4  使用校正PCO与估计PCO的定位差异

      Figure 4.  Positioning Differences Using Calibrated PCO and Estimated PCO

      校正天线PCO与估计天线PCO的差异所引起的高程方向系统差,主要是因为二者垂向z-PCO存在系统性偏差。根据测站高程与z-PCO的关系,利用经验公式[15-17]计算高程方向的偏差为:

      Δh-k×ΔZ¯

      式中,k=0.05Δh为测站高程偏差;ΔZ¯为所有卫星的平均z-PCO差值。代入z-PCO平均差值(约-20 cm),可根据式(6)计算测站高程差值约为10 mm,这与图 4中高程方向统计的系统偏差8.5 mm基本相符,其可引起约1.6×10-9的框架尺度差异。进一步分析校正天线PCO参数对PPP其他解算参数的影响,每个测站每天统计一次接收机钟差之差和天顶对流层延迟之差,得到采用校正天线PCO与估计天线PCO解算接收机钟差、天顶对流层延迟的差异,结果如图 5所示。

      图  5  使用校正PCO与估计PCO解算接收机钟差、天顶对流层延迟的差异

      Figure 5.  Differences of Receiver Clock Offset and Zenith Tropospheric Delay Using Calibrated PCO and Estimated PCO

      图 5可以看出,每个测站15 d接收机钟差之差的均值基本在-20 cm左右,说明z-PCO的差值主要被接收机钟差参数吸收;z-PCO对天顶对流层延迟的影响远小于对测站高程和接收机钟差的影响,最大的差异小于2 mm,15个测站的平均差异为-0.8 mm,这与文献[15]计算的不同GPS卫星天线PCO引起的天顶对流层差异基本一致。

      本文采用校正天线的PCO与PCV重新双频消电离层组合PPP解算,并与仅采用校正PCO参数的定位结果对比,给出测站AGGO和AREG在DOY156的定位时间序列,如图 6所示。从图 6可以看出,三维位置精度收敛至5 cm稳定后,仅采用PCO定位结果出现明显的系统偏差。因此,由于PCV与z-PCO的强相关性,使用校正的天线参数时,应当将PCO和PCV一起使用。

      图  6  PCV参数对双频组合PPP的影响

      Figure 6.  PCV Effect on Ionospheric-Free PPP

      统计20个测站采用校正天线参数进行双频组合PPP得到的3个方向定位偏差绝对值的平均值,并与采用估计天线参数的定位结果进行对比,结果见表 4

      表 4  不同天线参数双频组合PPP比较

      Table 4.  Comparison of Ionospheric-Free PPP Based on Different Antenna Parameters

      天线参数 平均偏差/mm
      E方向 N方向 U方向
      估计天线 2.4 1.9 6.3
      校正天线 2.4 1.9 5.9

      表 4可以看出,E、N方向精度一致,校正天线参数的U方向提高约0.4 mm,改善6.3%,说明校正天线参数可以改善高程精度,确定更优的框架尺度。

    • 在采用E1和E5a进行非组合PPP解算、电离层作为参数进行估计时,有两种卫星天线参数处理方式:(1)校正的天线参数,基于各自频点;(2)估计的天线参数,各频点一样[18-19]。每个测站每天统计一组定位结果,取15 d的平均值作为该测站的最终结果,高程方向的对比见图 7

      图  7  不同天线参数双频非组合PPP高程比较

      Figure 7.  Comparison of Original Dual-Frequency PPP Elevation Based on Different Antenna Parameter

      图 7可以看出,负向偏差时,采用校正天线参数的测站高程偏差更小,精度更优;正向偏差时,除测站3的其他测站偏差大小相仿,这可能与测站3的SNX加权解有关。

      统计了所有测站采用校正天线参数进行双频非组合PPP得到的3个方向定位偏差绝对值的平均值,并与采用估计天线参数的定位结果进行对比,结果见表 5。由表 5可以看出,E和N方向精度一致,校正天线参数的U方向提高约0.7 mm,改善11.9%,这主要是因为双频非组合PPP定位时,校正天线参数基于各自频点,自洽性更优,相比估计的天线模型不同频点仅采用一套参数,其可以有效改善高程的精度。

      表 5  不同天线参数双频非组合PPP比较

      Table 5.  Comparison of Original Dual-Frequency PPP Based on Different Antenna Parameters

      天线参数 平均偏差/mm
      E方向 N方向 U方向
      估计天线 2.5 2.0 5.9
      校正天线 2.5 2.0 5.2
    • 当前IGS天线文件只给出接收机L1和L2的校正参数,对于Galileo卫星导航系统,有必要分析L5(E5a)天线参数的特性,进而与校正的卫星端的E5a天线参数自洽。对比欧洲永久GNSS观测网(European Permanent Network,EPN)天线文件epn_14.atx中21个LEIAR25.R4 LEIT天线的L2和L5的z-PCO,结果如图 8所示。从图 8可以看出,L2与L5的z-PCO呈现约5 mm的系统差异(图 8(a)),L1/L2与L1/L5消电离层组合z-PCO的差异为-2~-5 mm,平均约为-4 mm,个别最大可达-8 mm(图 8(b))。

      图  8  接收机端L2与L5的z-PCO比较

      Figure 8.  Comparison of z-PCO of L2 and L5 in Receiver

      计算EPN中21个LEIAR25.R4 LEIT天线的平均天线参数,使用该天线类型的4个测站重新进行双频组合PPP定位,卫星端采用校正的天线参数,接收机端天线参数分别采用L1/L2和L1/L5。图 9给出了测站HOFN和WROC高程方向的差值,可以看出,两个测站L1/L5出现约5 mm的系统差,这主要因为L5与L2的z-PCO不同。因此,只有校正了IGS测站接收机L5的天线参数,Galileo定义的框架尺度才更准确。

      图  9  L1/L2与L1/L5高程方向精度比较

      Figure 9.  Elevation Precision Comparison of L1/L2 and L1/L5

    • 本文介绍了地面校正Galileo卫星天线PCO和PCV的原理,详细分析了校正的天线参数特性,并全面评估了其对双频组合/非组合PPP定位精度的影响,得出以下结论:(1)校正的卫星天线h-PCO呈现明显的类型相关,与估计天线的差异在毫米级;FOC卫星的PCV仅与天底角相关,IOV卫星天底角较大时,也与方位角相关;校正天线与估计天线的z-PCO差异主要被接收机钟差吸收,引起的尺度差异约1.6×10-9,天顶对流层差异约-0.8 mm。(2)双频组合PPP定位时,采用校正的PCO和PCV,高程方向可改善约6.3%;双频非组合PPP定位时,采用校正天线参数,高程方向可改善约11.9%,双频非组合PPP采用自洽的原始频点天线参数,高程方向精度更优。(3)接收机端L2代替L5可引起约5 mm的系统差异,因此校正接收机端L5,并与卫星端E5a自洽,是进一步提高Galileo框架尺度的重要前提。

参考文献 (19)

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