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GNSS在测绘中的定位精度分析与提高方法引言：全球导航卫星系统（GNSS）在测绘领域中具有重要的应用价值。
通过利用卫星的信号，可以实现高精度的定位和测量，为地理信息系统（GIS）、地图制作、土地管理等提供可靠的依据。
然而，在实际应用中，GNSS的定位精度并不总是理想的。
本文将对GNSS在测绘中的定位精度问题进行分析，并提出一些提高精度的方法。
一、GNSS定位精度问题分析1. 天线高度影响GNSS接收器所安装的天线高度会对定位精度产生影响。
一般而言，天线越高，定位精度越高，因为可以减少地面遮挡和多径效应。
然而，在山区等复杂地形中，高天线可能造成信号阻挡，导致精度下降。
2. 地面遮挡和多径效应地面遮挡和多径效应是影响GNSS定位精度的主要因素之一。
当接收器处于有建筑物、树木等物体遮挡的地方时，信号会受到干扰，导致定位误差。
另外，信号在反射物体上发生反射后到达接收器，形成多径效应，同样会导致精度下降。
3. 天线相位中心偏差天线的相位中心偏差也会对定位精度产生影响。
GNSS接收器接收到的信号是通过天线接收的，如果天线的相位中心与接收机的计算模型不一致，会导致定位误差。
因此，在测绘中，需要对天线的相位中心偏差进行精确的测量和校正。
二、提高GNSS定位精度的方法1. 多基准站差分定位差分定位是通过比较参考站和测量站之间的差异，从而提高定位精度的方法。
在测绘中，通过设置多个基准站并实施差分定位，可以消除大气延迟、电离层延迟等误差，提高定位精度。
2. 运动定位在测绘中，如果需要对一个移动的目标进行测量，可以利用运动定位方法提高定位精度。
通过利用GNSS接收器的多频率多系统观测能力，结合惯性测量单元（IMU）等辅助设备，可以实现高精度的运动定位。
3. 天线相位中心校正为了减少天线相位中心偏差对定位精度的影响，需要进行相位中心校正。
可以利用专业仪器对天线的相位中心进行测量，然后根据测量结果计算校正参数，对GNSS观测数据进行校正，从而提高定位精度。
GPS接收机天线相位中心高的推算方法无论是现在流行的卫星定位测量，还是传统的全站仪测量，都需要量取仪器高，而这个高并非就是仪器到测量基准点的实际高，而是一个斜距。
GPS接收机的仪器高实际上就是天线相位中心沿铅垂线到基准点的距离，在实际工作中天线相位中心不能够直接标定出来，也无法直接量取。
文章通过理论推导出实际天线高的计算公式，从理论和实践两方面对公式进行了论证，分析了量取天线高的误差对实际天线高误差精度的影响。
标签：GPS接收机天线相位中心天线高误差传播1引言GPS接收机天线主要用来接收卫星信号，是GPS接收机的重要组成部分，GPS接收机天线的相位中心就是GPS定位的中心，而实际工作中，采用对中整平仪器，量取天线高，来计算出GPS接收机所架设测量控制点的坐。
这个过程中，由于没有办法用尺子直接量取从天线相位中心沿铅垂线到基准点的距，也就是无法直接量取实际天线高，量取的天线高实际上是控制点标识中心到GPS天线护圈中心（视仪器而定，此处以Trimble R8仪器为例）的斜距，不是真正意义上到天线相位中心的天线高，这个斜距需要经过改正计算才能得到真正意义上的天线高，那么GPS接收机的天线相位中心的高度到底是如何计算的呢？2 GPS实际天线高推算方法GPS接收机天线经过对中整平后，它的天线相位中心与测量控制点的连线与过天线相位中心的铅垂线是重合的，与GPS接收机天线相位中心所在的平面是垂直的，他们刚好构成了一个直角三角形，这时天线高的值实际上就是，从天线相位中心沿着铅垂线到测量控制点标识中心的距离，而用尺子量取的天线高是斜距，根据勾股定理，只要再知道GPS接收机天线的半径就可以计算出实际的天线高。
而实际工作中，仅仅根据勾股定理还不能直接得到天线高，还必须给计算出的天线高加一个常数，这也就是说天线相位中心所在的水平面与量取天线高标识面所在的水平面上并不重合，两个平面之间的距离就是应该加上的常数。
如图1所示，设量取天线高斜距为s，实际天线高为h，天线半径为r，常数为k，则实际天线高的计算公式为：式中的r可以通过查阅仪器说明书获得，而k的值仪器说明书则没有提供，这里可以通过数学统计参数估计的方，多次精确地量取天线高s和仪器自己计算出来的实际天线高h的值，来反算出k的值，从而得出完整的计算公式，也就确定了天线相位中心的位置。
天宝GPS天线高详细说明
1、天线量高量取点示意图
①护圈中心（常用量高位置）
②天线座底部（使用量高片时）
③延伸支杆（我们没有）
①量至护圈中心时：量取斜高的平方，减去天线半径（0.091）的平方，再开根号，再加上高差。
举例：天宝5800，实际量取斜高为1.425米，计算相位中心高度。
√1.4252−0.0912+0.0097=1.4318
②采用量高片量至天线座底部时：量取斜高的平方，减去量高片半径（0.130）的平方，再开根号，再加上高差。
举例：天宝R8，实际量取斜高为1.425米，计算相位中心高度。
√1.4252−0.1302+0.0649=1.4840
4、RINEX格式转换软件操作
打开后如果运行不了，请使用“右键”---以管理员身份运行。
5、LGO中天线量高示意图
在LGO中进行基线解算，需要的是相位中心高度，即上图中的“总垂直”高度。
①、通过我们自己计算后得到天线相位中心高度后，在RINEX软件高度改正中如果是选择APC改正到相位中心，导入的LGO中得到的为天线座底部高度（即上图中“垂直”高度），这时我们需要进行“天线定义”
②、另一种处理方式：通过我们自己计算后得到天线相位中心高度后，在RINEX 软件高度改正中如果是选择ARP改正到天线座底部（实际仍输入“天线相位中心高度”）。
这时导入到LGO中得到的仍为天线座底部高度（即上图中“垂直”高度），但实际高度是天线相位中心高度，所以这时就不用进行“天线定义”，垂直偏差为0，那么：
垂直高度+垂直偏差0=总垂直高度（即天线相位中心高度）
建议采用第二种处理方式，操作时更为简便，特别是在RINEX转换软件中少了一个选择步骤，不容易出错。
天线检验方法1、概述根据客户要求，对天线各指标做一个测试检验说明。
2、主要技术指标及要求1）工作频率：1.15~1.65GHz；能够覆盖（1）L5/E5a、（2）B2/E5b、（3）L2、（4）B1/L1/E1/G1等信号所在的频段。
2）极化方式：右旋圆极化；3）天线波束：方位0°～360°，仰角5°～90°不圆度：±1.5dB，仰角10°4）带外抑制：≥30dB(±100MHz)5）噪声系数：≤2.0dB6）轴比：≤3.0dB（仰角90°），≤6.0dB（仰角20°～90°）；7）驻波：≤1.5:1 （50欧姆）；8）低噪放增益：28±3dB9）相位中心误差：≤±5 mm (1σ)3、检验参数和方法1、工作频率1.1测试设备测试设备为：矢量网络分析仪。
1.2测试方法和步骤测试方法和步骤如下：a)按所需频段校准矢量网络分析仪；b)按照图2连接矢量网络分析仪和待测天线；c)测量并记录输入电压驻波比≤2.0的频率范围。
微波暗室矢量网络分析仪被测天线图1 天线工作频率、输入电压驻波比测量框图2、天线输出电压驻波比（VSWR）2.1、测试设备同1.1。
2.2测试方法和步骤测试方法和步骤如下：a)按所需频段校准矢量网络分析仪；b)按照图2连接矢量网络分析仪和待测天线；c)测量输入电压驻波比;驻波测试数据:L5 E5a B2 E5b L2 B1 L1 E1 G1 VSWR1VSWR2VSWR3VSWR4VSWR5VSWR6VSWR7VSWR8VSWR9VSWR10————VSWR3、极化特性和轴比3.1、测试设备测试设备包括：a)信号源；b)接收机；c)线极化发射天线；3.2、测试方法和步骤a) 待测天线瞄准发射天线后固定，按照图2所示，发射天线接信号源，待测天线接接收机；b) 将信号源和接收机频率分别设置为测试频点, L5/E5a/B2/E5b/L2/B1/L1/E1/G1c) 当发射天线轴线与接收天线轴线成75度时,发射天线绕接收天线轴线旋转360°，记录接收信号电平，其最大电平与最小电平差即为待测天线的15度轴比。
天线的测量校准方法天线是无线电收发、无线通讯、雷达系统等无线系统中发挥重要作用的设备，为保证天线正确传输信号，必须对天线进行正确的校准。
本文介绍了常见的天线测量校准方法，包括探测参数测量校准方法、发射参数测量校准方法、电离层特性测量校准方法和室内环境特性测量校准方法等。
一、探测参数测量校准方法探测参数测量校准方法是指为校准一种特定的天线的探测性能，使用特定的测量设备实现的方法。
用这种方法测量校准天线，可以获得正确的特性指标，以及准确的量化指标，这些指标与探测功率有关。
具体来说，可以使用角度调节器和振子设备，将小功率的测试信号发射到天线上，调节角度，测量其响应特性，如果结果满足预期，则表示天线已经正确校准。
二、发射参数测量校准方法发射参数测量校准方法是指为校准一种特定的天线的发射特性，使用特定的测量仪器实现的方法。
用这种方法测量校准天线，可以获得正确的特性指标，以及准确的量化指标，这些指标与发射功率有关。
具体来说，可以使用电力调节器、探针或相量方法，将大功率的信号发射到天线上，测量其发射性能特性，然后调节功率输出至预期值，如果结果满足预期，则表示天线已经正确校准。
三、电离层特性测量校准方法电离层特性测量校准方法是指为校准一种特定的天线的电离层特性，使用特定的测量仪器实现的方法。
用这种方法测量校准天线，可以获得正确的特性指标，以及准确的量化指标，这些指标与电离层特性有关。
电离层特性测量校准，可以使用模拟或数字信号发射至天线，测量其吸收特性，然后调整功率，使用调制器调制信号，以达到满足预期结果的要求，如果结果满足预期，则表示天线已经正确校准。
四、室内环境特性测量校准方法室内环境特性测量校准方法是指为校准一种特定的天线在室内环境中的特性，使用特定的测量仪器实现的方法。
用这种方法测量校准天线，可以获得正确的特性指标，以及准确的量化指标，这些指标与室内环境特性有关。
具体来说，可以使用室内电磁平台，将信号通过射频调制器发射到天线上，并对室内墙壁及室内装饰物（如梳妆台、家具等）进行测量，然后根据测量结果，调节信号功率和特性，以使得信号在室内环境中的传播受到控制，如果结果满足预期，则表示天线已经正确校准。
RTK天线高说明
天线高：地面测量点到接收机相位中心的垂直长度
一、中海达仪器
1、目标高：分为杆高、直高、斜高
1）杆高：地面测量点到接收机底部的垂直长度。
2）直高：杆高加上接收机底部至接收机测量线高差。
3）斜高：地面测量点到接收机测量线的斜线长度。
2、相位偏差：接收机测量线到天线相位中心的长度。
3、中海达各型仪器标志线图片
V30
H32
V90
二、南方仪器
直高和斜高的定义与中海达不一致，参见下图
三、其他说明
1、中海达仪器天线相位中心一般在接收机顶部，接收机测量线有明确标记。
2、测量时手薄天线高设置：目标高类型建议选择杆高，天线类型选择对应仪器型号。
需要注意的是：测杆由于底部磨损等因素，实际杆高与标称杆高可能不一致，应以实际量测长度为准。
3、不同型号仪器直高和天线高的算法。
例如：杆高为2.00m，则
1）V30
直高=杆高+0.035=2.0354m 天线高=直高+相位偏差0.0765=2.1119m
2）H32
直高=杆高+0.061=2.061m 天线高=直高+相位偏差0.049=2.110m
3）V90
直高=杆高=2.000m 天线高=直高+相位偏差0.0954=2.0954m。
喇叭天线相位中心的测试方法史够黎（中国电子科技集团公司第39研究所 西安710065）摘要 本文介绍了运用远场相位比较法[1]和近场移动参考点法，测量C / X 双频段光壁喇叭天线的相位中心，讲述了如何根据相位方向图寻找喇叭天线的相位中心并对对误差来源进行了分析，将测试计算结果与软件仿真结果进行比较，两者完全一致。
关键词 喇叭天线 相位中心 相位比较法 移动参考点法Reserch on Phase Center Measurement of Horn Antennashigouli（The 39th Rserch Institute of CETC xi ’an710065）Abstract: The paper introduced how use comparison method in far field and the changing reference poind method in near field to reserching phase center of C/X tow band horn. Based on the measured of the horn ’s phase patten detailed how to reserching the phase center of horn antenna . The measurement resule and simulationg were filtted extracttly.Keywords: Horn Antenna Phase center comparison method hanging reference poind method1概述喇叭天线作为反射面天线的馈源，需要精确测定相位中心位置，使天线可获得最佳相位照射效率。
天线相位中心测量一般采用转台旋转比较法，还可以采用近场测量，通过近远场转换移动参考点测量法进行测量，测量中不移动天线实际位置，而使用测试系统软件虚拟移动参考点，计算出参考点位移值。
本文运用转台旋转比较法和移动参考点测量法，对C / X 双频段光壁喇叭天线的相位中心进行了测量。
2测量原理天线的远场辐射方向图可以表示为[2](,)ˆ(,)jkr j u e E e rψθϕθϕ-=E u （1） 式中(,)u θϕE 为幅度方向图，(,)ψθϕ为相位方向图，2/k πλ=为波数。
若天线上或邻近区域内存在某点以它为参考点的(,)ψθϕ为常数，则该点为天线的相位中心。
对于绝大多数天线来说并没有这样一个点，但一般总可以找到某个点，以它为参考点在一个远场截面的主瓣范围内相位函数为常数，定义此点为该截面的相位中心。
当天线参考点偏离测量系统原点时，对于新参考点的远场表达式为[(,)]ˆ(,)jk j k u e E e ψθϕθϕ---=-r r'r'r E u r r' （2）式中，r'为新参考点在测量坐标系的矢径，可用下式表示ˆˆˆ'sin cos sin sin cos x y z θϕθϕθ=∆+∆+∆r x y z （3）(),,x y z ∆∆∆为新参考点在测量坐标系中的坐标位置。
因此新参考点对应的相位方向图函数可进一步表示为'(,)(,)(sin cos sin sin cos )k x y z ψθϕψθϕθϕθϕθ=-∆+∆+∆ （4）若计算出x ∆、y ∆、z ∆使'(,)ψθϕ等于常数，则坐标(),,x y z ∆∆∆为相位中心位置[3,4]。
考虑到天线远场某一截面的相位中心一定在该截面内，所以一般只需要计算相位中心两维坐标位置即可，另一维坐标设为0。
因此天线H 面和V 面的相位方向图函数可分别表示为'()()(sin cos )H H k x z ψθψθθθ=-∆+∆ (5)'()()(sin cos )V V k y z ψθψθθθ=-∆+∆ (6)式中，()H ψθ，()V ψθ，'()H ψθ，'()V ψθ分别为测量坐标系和新参考点坐标系下天线H 面和V 面的相位方向图。
3相位中心的测量要计算喇叭天线的相位中心，首先要获得相位方向图的测试数据。
本次测试的喇叭天线为X/C 双频段光壁喇叭，采用NSI2000天线近远场测量系统进行测量。
3.1、远场比较法测相位中心将喇叭天线放置在远场转台上，把理论计算得到的喇叭天线相位中心和转台的旋转中心重合，将喇叭天线调平。
假设该喇叭天线的照射角为-20°至20°，我们选择-30°至30°的旋转范围，测量转台旋转中心到喇叭天线口面的距离为870mm ，信标天线到喇叭天线口面的距离为10米。
进行一次扫描，得到一组测试数据。
1、由于测试中得到的相位数据范围限定在-180°至180°的范围内，实测相位方向图中有时会有360°的相位跳变，把测试结果跳变处的低端相位数值均加上360°，使相位函数成为连续曲线。
2、绘出其远场相位方向图如图1—线所示（以6.2GHz H 面方向图为例）。
从图可以看出其相位从-20°至20°依次滞后，这说明喇叭天线相位中心不存在纵向偏移，只有横向偏移。
测试过程中转台顺时旋转角度值增加，测试时转台先逆时针偏开-30°，然后从-30°扫到30°，据此可以判断出喇叭天线的相位中心偏右（站在馈源后面），需要向左移动，向左移动后再次扫描得到远场相位方向图如图1— -线所示。
据图判断移动的距离不够，需要继续向左移动，经过多次移动最终得到的H面远场相位方向图如图2ψθ函数值在-20°至20°的范围内角度差很小，此纵向距离为喇—线所示。
式（5）'()H叭天线相位中心在测量坐标系内的位置。
测量转台旋转中心到喇叭天线口面的距离为879mm,即为实际测试的喇叭天线相位中心的位置。
图1 远场H面相位方向图图2 调整后的H面和V面方向图实际测试中不可能每次都能把喇叭天线放置到理想位置，特别是对于频率比较高的天线对尺寸灵敏度较高，很难放置到合适的位置，在测试过程中还有以下情况出现：1）、相位方向图如图3所示，从-20°到20°依次超前，相位中心位置偏向馈源左边（从馈源后面看），需向右边移动。
图3 相位中心偏左方向图 图4相位中心纵向偏移方向图2）、相位方向图如图4—线所示，能流波前开始收缩，在距离镜面一段距离后又向外扩散，这种情况说明相位中心只存在纵向偏移不存在横向偏移，相位中心位置（以旋转中心为参考点）离得远即偏向喇叭后边，需向前边移动。
反之相位方向图如图4— -线所示，能流波前一直不断扩展，相位中心位置离得近即偏向喇叭前边，需向后边移动。
3）、相位方向图如图5—线或如图— -线所示，则相位中心既有横向偏移又有纵向偏移，需将馈源进行前后左右多次调整，直到得到比较平坦的相位方向图为止。
3.2近场相位中心的计算将喇叭天线在近场安装好，测量探头到被测件距离为0.163米，以喇叭天线口面为几何中心近场扫描，获得近场数据，通过近远场转换得到远场相位方向图。
相位中心计算的关键是移动参考点使式（5）、（6）中'()H ψθ和'()V ψθ的函数值在-20°至20°的范围内为常数，此时的(),,x y z ∆∆∆为喇叭天线相位中心在测量坐标系内的位置。
近场测试相位中心的计算是通过软件自带的宏命令进行后处理，可以得出相应频点(),,x y z ∆∆∆的的具体数值。
在完成一次扫描后无需移动天线实际位置，只要在软件后处理程序中输入新参考点的坐标，即可获得天线在新坐标系中的相位方向图。
1、如图3所示的空间坐标系，以被测天线（AUT ）指向探头方向为波的传播方向，定义为Z 轴的正方向，将探头口面所在平面内Z 轴所在点定义为零点。
XOY 平面为天线口径所在平面。
2、该宏命令是以XOY 平面内探头中心为（0，0）点，喇叭天线中心偏移探头中心的位置为（y x ∆∆,），先计算出（y x ∆∆,）的值，然后根据相位方向图计算出z ∆的值。
3、通过宏命令计算出的远场相位中心位置为X center = -9.144076E-03, Y center =9.110021E-03, Z center = -1.035207，即为(),,x y z ∆∆∆的位置。
在近远场转换对话框中输入此参数，绘出远场H 面相位方向图如图6—线所示，V 面相位方向图如图6— -线所示。
由于探头到被测件的距离为0.163米，故而实际测试的相位中心为－0.882米。
Y X 图3 空间坐标系 0 Z图5 相位中心既有横向又有纵向偏移图6近场测量相位方向图4结果比较及误差分析采用远场测试所得喇叭天线相位中心的位置和软件仿真结果以及近场测试结果相比较，如下表1所示：喇叭天线H面和V面相位中心的远场测试结果和仿真结果以及近场测试结果对比表，比较可知远场比较法相位中心测试值与仿真值最大相差0.009米，近场移动参考点法测试值与仿真值最大相差-0.002米。
远场测试误差由于喇叭来回移动，测量精度等于尺子的测试精度0.001米。
近场测试中移动坐标位置均在软件后处理程序中进行，不会造成移动误差，所以相位中心位置在测试坐标系中的测量精度等于测试系统探头的控制精度0.001毫米。
测量中最主要误差因素为测量探头至天线口面的距离时产生的测量误差，提高这一距离测量精度后，近场相位中心测量计算精度将进一步提高。
表1 相位中心测试结果比较表5结束语远场相位比较法适合频率较低，重量较轻的喇叭天线相位中心的测量，测试过程中需要来回移动喇叭天线位置，测量误差大。
近场移动参考点法几乎适合所有喇叭天线相位中心的测量，测试过程中不移动喇叭天线实际位置，采用软件进行后处理，测试起来比较方便并且测量误差小。
本文介绍的如何根据相位方向图寻找喇叭天线的相位中心位置，节约了我所工程测试时间，提高了工作效率，同时该方法也适用于抛物面天线副面的调整。
参考文献[1] 林昌禄，聂在平，肖笃墀. 天线工程手册. 北京：电子工业出版社，2002：1223-1225.[2] 唐璞，李欣，王建. 计算天线相位中心的移动参考点法. 成都：电波科学学报，2005，20(6)：725-728.[3] 尚军平，傅德民，邓颖波. 天线相位中心的精确测量方法研究. 西安：西安电子科技大学学，2008，35(4)：673-677.[4] 沈民宜，蔡镇远. .卫星通讯天线、馈源、跟踪系统. 人民邮电出版社。
