GPS从入门到放弃（二十） --- 天线偏移

GPS从入门到放弃（二十） — 天线偏移

天线偏移（Antenna Offsets）是指天线相位中心与物体质心的偏移，此偏移会给卫星定位带来厘米级的误差。在一般定位中，此误差可以忽略，但在精密定位中，需要消除此误差的影响。

质心的概念中学物理都学过，不多说。这里解释一下天线相位中心。天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为该天线的等效相位中心，即天线相位中心（Antenna Phase Center ）。天线相位中心是一个理论上的点，也就是说，在理论上认为天线辐射的信号是以这个点为圆心向外辐射的。

天线偏移包括卫星的天线偏移以及接收机的天线偏移。

卫星天线偏移

卫星天线偏移（Satellite Antenna Offsets）是指卫星的天线相位中心与卫星质心的偏移。在精密定位中，我们需要用到精密星历。IGS 提供的精密星历是相对卫星质心的，而 GPS 的导航电文是相对天线相位中心的，我们在计算中必须考虑两者之间的差异。测量值因为是由接收到的信号得到的，所以其值也都是相对天线相位中心的。知道卫星天线偏移后，我们就可以将所有值统一转换成相对天线相位中心的，这样方便后面的定位解算。

那我们不是制造卫星的，怎么来知道卫星的天线偏移呢？理论上来说，卫星天线偏移只有制造卫星的才知道，而且每个卫星还可能各不相同。所幸我们有 IGS。卫星的天线偏移数据会上报给 IGS，而 IGS 统一整理发布提供所有的卫星天线偏移数据。数据可以从 IGS 的 ftp 服务器下载，地址为 ftp://ftp.igs.org/pub/station/general/。

IGS 提供的与卫星天线偏移相关的文件主要有两个：rcvr_ant.tab 和 igs14.atx。

rcvr_ant.tab

这个文件的内容是 IGS 对各个设备的命名规范，如接收机、天线、雷达天线罩、卫星天线等。只有符合规范的名字才能用在 IGS 站提供的各种文件中。换句话说，如果在 IGS 的一些文件中看到一些疑惑的名字，也可以到这个文件中来查找对应的意义。

igs14.atx

这是一个符号链接文件，链接到最新修改的的 igs14_wwww.atx 文件，这里的 wwww 表示 GPS 周数。此文件包含卫星和接收机天线相位校正值，基于 IGS14 地球参考框架。

atx 文件的格式是 Antenna Exchange Format (ANTEX)，在 antex14.txt 文件中有详细的对这个格式的说明（antex14.txt 文件同样可以在 IGS 的 ftp 服务器下载），这里只做简单的介绍。

如下内容是截取的igs14.atx中的一部分：

                                                            START OF ANTENNA
BLOCK IIF           G01                 G063      2011-036A TYPE / SERIAL NO    
                                             0    29-JAN-17 METH / BY / # / DATE
     0.0                                                    DAZI                
     0.0  17.0   1.0                                        ZEN1 / ZEN2 / DZEN  
     2                                                      # OF FREQUENCIES    
  2011     7    16     0     0    0.0000000                 VALID FROM          
IGS14_2082                                                  SINEX CODE          
   G01                                                      START OF FREQUENCY  
    394.00      0.00   1501.80                              NORTH / EAST / UP   
   NOAZI    6.10    4.40    2.80    1.30   -0.20   -1.40   -2.80   -3.90   -4.40   -4.40   -3.70   -2.30   -0.20    3.00    5.70   12.40   18.20   23.50
   G01                                                      END OF FREQUENCY    
   G02                                                      START OF FREQUENCY  
    394.00      0.00   1501.80                              NORTH / EAST / UP   
   NOAZI    6.10    4.40    2.80    1.30   -0.20   -1.40   -2.80   -3.90   -4.40   -4.40   -3.70   -2.30   -0.20    3.00    5.70   12.40   18.20   23.50
   G02                                                      END OF FREQUENCY    
                                                            END OF ANTENNA

这是 GPS 系统中 PRN 为 01 的卫星的天线偏移数据。由 “# OF FREQUENCIES” 这一行可知它有 2 个频率。对第一个频率来说，“NORTH / EAST / UP” 这一行的三个数分别是三个方向的偏移值，单位为毫米。“ZEN1 / ZEN2 / DZEN” 这一行表示的是天底角的范围从 ZEN1 到 ZEN2，DZEN为步长，“NOAZI” 这一行中按照天底角的范围和步长给出了对应的相位中心变化值（pcv: phase center variations）。以第一个频率为例，“NOAZI” 行有18个值，对应 “ZEN1 / ZEN2 / DZEN” 这一行天底角0.0度到17.0度，步长1.0度，正好也是 $(ZEN2-ZEN1)/DZEN=18$ 个值。“DAZI” 这一行的值为0.0表示这个卫星的天线偏移数据是不依赖于方位角的（non-azimuth-dependent）。“NOAZI” 表示的也是不依赖方位角的值。若依赖于方位角，则 “DAZI” 为步长，“NOAZI” 行的下方会有 $360/DAZI$ 行，每一行也有$(Z$