几何旋转和天线标定模式对GNSS相位绕组的综合影响附Matlab代码

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全球导航卫星系统（GNSS）凭借其高精度定位、导航和授时能力，在诸多领域扮演着至关重要的角色，包括大地测量、精准农业、自动驾驶等。而实现GNSS应用的高精度，离不开对GNSS信号的精确处理，其中，GNSS相位观测量的处理占据了核心地位。GNSS相位观测量的质量受到诸多因素的影响，除了电离层延迟、对流层延迟、多路径效应等，还包括卫星和接收机天线的相位绕组误差。相位绕组误差是指天线接收到的信号相位与理想信号相位之间的偏差，它是由天线的物理结构、几何旋转以及标定模式等多个因素共同作用的结果。本文将深入探讨几何旋转和天线标定模式对GNSS相位绕组的综合影响，并分析其在GNSS高精度定位中的意义。

一、 GNSS相位绕组误差的来源与特性

GNSS天线接收到的信号并非理想的点源信号，而是来自天线有效辐射中心的信号叠加。由于天线物理结构的复杂性，电磁波在天线内部的传播路径并不完全一致，导致不同方向的信号相位产生差异。这种相位差异就构成了相位绕组误差，也称为相位中心变化（Phase Center Variation, PCV）。PCV是方位角和高度角的函数，通常被建模为二维曲面。

除了天线本身的物理结构，卫星和接收机天线的几何旋转也会影响相位绕组误差。卫星在轨道运行过程中，其姿态会发生变化，导致天线指向发生改变，从而影响接收到的信号相位。同样地，接收机在测量过程中，由于设备的倾斜、振动等因素，也会导致天线指向发生改变，进而影响接收到的信号相位。

因此，相位绕组误差的精确建模和改正对于GNSS高精度定位至关重要。如果忽略相位绕组误差，将会导致定位精度的降低，甚至产生系统性的偏差。

二、 几何旋转对GNSS相位绕组的影响

几何旋转对GNSS相位绕组的影响体现在两个方面：卫星天线的几何旋转和接收机天线的几何旋转。

• 卫星天线的几何旋转： GNSS卫星在轨道运行过程中并非静止不动，而是会进行姿态调整以保持对地指向。这种姿态调整会导致卫星天线的指向发生改变，从而影响卫星信号的辐射方向。由于不同方向的信号相位绕组不同，卫星天线的几何旋转会导致接收机接收到的卫星信号的相位绕组发生变化。这种变化是高度角和方位角的函数，需要通过精确的卫星姿态模型进行计算和改正。目前，国际GNSS服务机构（IGS）会提供卫星姿态信息，以便用户进行相位绕组改正。

• 接收机天线的几何旋转： 在高精度定位应用中，尤其是在动态定位或者野外测量中，接收机天线很难保持绝对的水平和稳定。设备的倾斜、振动，甚至人为的移动，都会导致接收机天线指向发生改变。这种改变会导致接收机接收到的卫星信号的相位绕组发生变化。为了消除接收机天线几何旋转的影响，通常需要采用以下方法：

  • 精密定向：

     使用精密仪器（如全站仪、倾角传感器等）对接收机天线进行定向，获取天线的倾斜角度和方位角，然后根据天线相位绕组模型进行改正。

  • 天线支架：

     使用稳定的天线支架，尽可能减小天线的倾斜和振动。

  • 数据处理：

     在数据处理阶段，可以采用Kalman滤波等方法对天线的姿态变化进行估计，并进行相应的相位绕组改正。

三、 天线标定模式对GNSS相位绕组的影响

天线标定是指确定天线相位中心位置和相位绕组值的过程。天线标定模式的选择直接影响到相位绕组的精度和适用性。目前，常用的天线标定模式包括：

• 绝对标定： 绝对标定是指在实验室环境下，使用精密测量设备（如微波暗室、三维扫描仪等）对天线进行标定，直接测量天线的相位中心位置和相位绕组值。绝对标定的精度较高，可以提供较为准确的相位绕组信息。然而，绝对标定成本较高，耗时较长，且难以模拟真实的应用环境。

• 相对标定： 相对标定是指通过观测GNSS卫星信号，利用网络解算的方法对天线进行标定。相对标定需要使用一组参考天线，并将其相位绕组值作为已知信息。相对标定的成本较低，可以模拟真实的应用环境，但精度相对较低，且受参考天线的影响。

不同的标定模式适用于不同的应用场景。对于高精度定位应用，建议使用绝对标定或者高精度的相对标定。对于低精度定位应用，可以使用简易的相对标定。

此外，天线标定数据的格式和标准也需要考虑。目前，常用的天线标定数据格式包括ANTEX格式。ANTEX格式包含了天线的相位中心位置、相位绕组值、天线类型等信息。选择符合ANTEX标准的标定数据可以方便用户在不同的GNSS数据处理软件中使用。

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