導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉偉平，郝金明，鄧　科

(1. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 2. 信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

天線相位中心誤差是衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理中一項(xiàng)重要的誤差源，通常分為相位中心偏差(phase center offset，PCO)和相位中心變化(phase center variation，PCV)。按照天線的不同，又可細(xì)分為接收機(jī)天線相位中心誤差和衛(wèi)星天線相位中心誤差[1]。為了更好地改正天線相位中心誤差，通常需要借助一定的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行精確標(biāo)定。關(guān)于接收機(jī)天線相位中心誤差的標(biāo)定方法，國內(nèi)外已有多篇文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了深入研究和系統(tǒng)總結(jié)，而導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法研究現(xiàn)狀的系統(tǒng)梳理工作目前國內(nèi)還鮮有文獻(xiàn)論及。

隨著我國北斗系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，精確標(biāo)定北斗衛(wèi)星的天線相位中心誤差既有必要也有需求。系統(tǒng)總結(jié)已有的標(biāo)定方法，可為我國北斗衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法的研究提供必要的參考和借鑒。為此，本文首先簡(jiǎn)要介紹主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星天線情況，而后論述導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，最后給出標(biāo)定方法的發(fā)展趨勢(shì)。

1　導(dǎo)航衛(wèi)星天線簡(jiǎn)介

1.1　GPS衛(wèi)星

截至目前，GPS衛(wèi)星共有6種型號(hào)，包括Block Ⅰ、Block Ⅱ、Block ⅡA、Block ⅡR/ⅡR-M、Block ⅡF、Block Ⅲ[2]。其中，Block Ⅰ、Block Ⅱ、Block ⅡA衛(wèi)星已經(jīng)全部退役，Block Ⅲ衛(wèi)星正在生產(chǎn)，截至2017年1月1日，在軌服役的衛(wèi)星包括12顆Block ⅡR衛(wèi)星、7顆Block ⅡR-M衛(wèi)星和12顆Block ⅡF衛(wèi)星。

GPS衛(wèi)星天線由分布于兩個(gè)同心圓的12個(gè)螺旋形單元構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)決定了其發(fā)射的信號(hào)不會(huì)是完美的半球信號(hào)波，其相位中心必定與發(fā)射信號(hào)的方位角和天底角有關(guān)[3-4]。圖1給出了一顆Block Ⅱ衛(wèi)星天線的結(jié)構(gòu)示意圖，其他衛(wèi)星類似。

圖1　Block Ⅱ衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)示意圖

處理中，相同型號(hào)衛(wèi)星的天線通?？勺鳛橥活愋汀５档米⒁獾氖?，Block ⅡA衛(wèi)星和Block Ⅱ衛(wèi)星安裝了同一類型的天線，此外，最后發(fā)射的4顆Block ⅡR衛(wèi)星安裝了為Block ⅡR-M設(shè)計(jì)的天線，因此處理中需將Block ⅡR衛(wèi)星分成Block ⅡR-A和Block ⅡR-B衛(wèi)星，并將Block ⅡR-B衛(wèi)星和Block ⅡR-M衛(wèi)星作為同一類型。

1.2　GLONASS衛(wèi)星

GLONASS衛(wèi)星前后共發(fā)射了3種類型的衛(wèi)星：GLONASS衛(wèi)星、GLONASS-M衛(wèi)星和GLONASS-K衛(wèi)星。目前，GLONASS衛(wèi)星已經(jīng)退役，GLONASS-M衛(wèi)星為主要工作衛(wèi)星，2011年發(fā)射了第一顆GLONASS-K衛(wèi)星，后續(xù)將陸續(xù)發(fā)射新一代GLONASS-K2衛(wèi)星。截至2017年1月1日，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星共27顆，其中24顆處于工作狀態(tài)，1顆備份，1顆在軌測(cè)試，1顆處于維修狀態(tài)。

GLONASS衛(wèi)星天線由12個(gè)信號(hào)元器件組成，GLONASS-K衛(wèi)星和GLONASS-M衛(wèi)星保持了相同的特性[5-6]。12個(gè)信號(hào)元器件是螺旋形的天線饋源，在朝向地球的天線面板上以2個(gè)同心圓進(jìn)行分布，外圓有8個(gè)天線單元，內(nèi)圓有4個(gè)，圖2給出了一顆GLONASS-K衛(wèi)星天線的示意圖。

圖2　GLONASS-K衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)示意圖

這些衛(wèi)星均安裝了姿態(tài)控制系統(tǒng)以維持天線陣列持續(xù)指向地心，其誤差不超過±1°。發(fā)射的信號(hào)是右旋橢圓極化信號(hào)，兩個(gè)頻率帶寬上的信號(hào)在天線瞄準(zhǔn)線±19°范圍內(nèi)，其強(qiáng)度不會(huì)弱于0.7 dB[7]。天線陣列的設(shè)計(jì)是為了以幾乎相同的信號(hào)強(qiáng)度覆蓋與衛(wèi)星正對(duì)的地球半球，這種形狀的天線發(fā)射類型可以彌補(bǔ)信號(hào)從天底方向到地球邊緣的徑向衰減。

1.3　Galileo衛(wèi)星

Galileo系統(tǒng)正處于建設(shè)階段，設(shè)計(jì)有3個(gè)MEO軌道面，傾角56°，半長(zhǎng)軸29 600 km，衛(wèi)星使用與其他GNSS相同的右旋橢圓極化天線。2016年12月15日，Galileo在軌衛(wèi)星達(dá)到18顆，系統(tǒng)宣布開始提供初始服務(wù)。截至2017年1月1日，Galileo共發(fā)射3種類型衛(wèi)星：GIOVE衛(wèi)星、IOV衛(wèi)星和FOC衛(wèi)星。GIOVE衛(wèi)星為試驗(yàn)衛(wèi)星，包含A、B兩星，已于2012年退役；IOV衛(wèi)星為初始驗(yàn)證衛(wèi)星，包含4顆衛(wèi)星；FOC衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，預(yù)計(jì)發(fā)射30顆左右。

IOV衛(wèi)星由Airbus Defence and Space公司生產(chǎn)，如圖3所示。IOV衛(wèi)星包含45個(gè)排列在一起的天線單元，以每6個(gè)或9個(gè)組成一個(gè)子陣列，整個(gè)天線直徑達(dá)到1.4 m。這種天線為GIOVE-B天線的升級(jí)，GIOVE-B天線包含42個(gè)天線單元[8]。

圖3　Galileo IOV衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)示意圖

FOC衛(wèi)星由OHB System AG公司生產(chǎn)，如圖4所示。2014年8月，發(fā)射了第一對(duì)衛(wèi)星GAL-201和GAL-202。由于發(fā)射異常，這兩顆衛(wèi)星由半長(zhǎng)軸為29 600 km的近圓軌道變成了偏心率為0.23、半長(zhǎng)軸為26 200 km的橢圓軌道。經(jīng)過2014年底對(duì)GAL-201和2015年初對(duì)GAL-202的軌道機(jī)動(dòng)，兩顆衛(wèi)星的軌道均在一定程度上得到了調(diào)整，但仍然與原設(shè)計(jì)存在偏差，從而產(chǎn)生了一種新的軌道類型：偏心率0.16，半長(zhǎng)軸27 980 km，地面重復(fù)軌跡周期20 d。兩顆衛(wèi)星分別于2014年12月和2015年3月開始發(fā)射信號(hào)。2015年3月，發(fā)射了GAL-203和GAL-204，并于2015年5月開始發(fā)射信號(hào)，但2015年夏有3顆FOC衛(wèi)星發(fā)生了信號(hào)中斷。其后，雙星或四星發(fā)射持續(xù)進(jìn)行，于2016年12月建成了18顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座，開始提供初始服務(wù)，系統(tǒng)最終將建成24顆工作衛(wèi)星和6顆備份衛(wèi)星的星座。FOC衛(wèi)星天線與GIOVE-A衛(wèi)星類似，由分布于4個(gè)象限的28個(gè)天線單元組成的天線陣列構(gòu)成[9]。

圖4　GALILEO FOC衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.4　BDS衛(wèi)星

北斗系統(tǒng)包含3類衛(wèi)星：MEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星[10]。2012年底，建成由5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成的區(qū)域系統(tǒng)，開始提供亞太導(dǎo)航服務(wù)[11]。2015年起陸續(xù)發(fā)射全球系統(tǒng)衛(wèi)星，截至2017年1月1日，已經(jīng)在區(qū)域系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又發(fā)射了3顆IGSO、3顆MEO和1顆 GEO衛(wèi)星。

北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星天線相位中心改正主要有3種策略[12]：第一種是國際多模GNSS實(shí)驗(yàn)工程(MGEX)采用的方法，即只改正天線相位中心偏差(x=0.6 m,y=0.0 m,z=1.1 m)，忽略PCV改正。第二種是硬件制造商公布的策略，也僅改正天線相位中心偏差(x=0.634 m,y=-0.003 m,z=1.075 m)，同樣忽略PCV改正值[13]。第三種是歐空局ESA/ESOC解算得到的改正模型[14]，表1和表2分別給出了5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星的PCO改正模型和PCV改正模型。

表1　北斗衛(wèi)星PCO改正模型　mm

表2　北斗衛(wèi)星PCV改正模型　mm

2　標(biāo)定方法研究現(xiàn)狀

2.1　國外研究現(xiàn)狀

隨著GPS的建成運(yùn)行，人們逐漸發(fā)現(xiàn)其不但可以應(yīng)用在低精度的導(dǎo)航領(lǐng)域，而且能夠利用載波相位測(cè)量完成高精度的測(cè)繪任務(wù)。20世紀(jì)80年代中期，Sims等首次提出在利用GPS接收機(jī)進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行接收機(jī)天線相位中心誤差改正[15]，隨后Geiger提出把相位中心改正分為PCO和PCV兩部分進(jìn)行考慮[16]。20世紀(jì)90年代初，Schupler等首先提出在微波暗室中估計(jì)絕對(duì)天線相位中心改正的方法[17]，然而，該方法需要復(fù)雜的儀器設(shè)備且費(fèi)用昂貴，最主要的問題是利用該方法獲得的相位中心改正數(shù)會(huì)在全球解中引入15×10-9的尺度誤差[18-19]，因此，該方法最初并未得到推廣應(yīng)用。

1996年6月30日起，IGS在GPS數(shù)據(jù)分析中開始使用相對(duì)天線相位改正模型。其標(biāo)定方法為：通過短基線相對(duì)觀測(cè)，計(jì)算待標(biāo)定天線相對(duì)參考天線(通常選擇AOAD/M-T天線)的PCO和PCV，并假設(shè)參考天線的PCV為0[20-21]。然而參考天線本身的PCV并不為0，因此這種處理模式會(huì)在解算結(jié)果中引入系統(tǒng)誤差[22]。

為此，研究人員又將注意力轉(zhuǎn)移到絕對(duì)天線相位中心標(biāo)定方法的研究上。20世紀(jì)90年代末，德國漢諾威大學(xué)和Geo++公司提出了一種新的絕對(duì)天線相位中心標(biāo)定方法——機(jī)器人標(biāo)定法[23-24]。隨后，有研究表明：機(jī)器人標(biāo)定法與微波暗室標(biāo)定結(jié)果具有很好的一致性，但是全球解中的尺度誤差問題仍然存在[25]。兩種獨(dú)立方法獲得一致結(jié)果在一定程度上打消了人們對(duì)絕對(duì)天線相位中心標(biāo)定方法本身的懷疑，研究人員轉(zhuǎn)而開始分析尺度誤差產(chǎn)生的其他可能原因。

隨后，有研究指出產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是因?yàn)閮H考慮了接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心誤差，而對(duì)衛(wèi)星的天線相位中心誤差處理不當(dāng)[26]。在此之前，關(guān)于衛(wèi)星天線相位中心所知甚少，系統(tǒng)僅對(duì)每一類型的衛(wèi)星采用了一組天線相位中心偏差值，忽略了天線相位中心變化，而這些偏差值后來被證明精度較低[27-28]，而且沒有明確說明對(duì)應(yīng)的是L1、L2還是LC的相位中心。

為此，Rothacher等指出可以借助VIBI技術(shù)或者利用發(fā)射前精密的地面標(biāo)定予以解決[25]。然而，后續(xù)的試驗(yàn)卻證明這2條技術(shù)途徑都是行不通的。Mader等利用一個(gè)真實(shí)的Block ⅡA衛(wèi)星天線，在地面上將其作為接收天線進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果并未獲得令人滿意的精度[29]。此外，IGS、IVS(international VLBI service)和ILRS(international laser ranging service)開展聯(lián)合研究，意圖利用VLBI技術(shù)來標(biāo)定衛(wèi)星天線相位中心，結(jié)果表明也難以達(dá)到精度水平要求[3]。

最終，研究人員認(rèn)為衛(wèi)星天線相位中心參數(shù)應(yīng)當(dāng)與其他大地參數(shù)一起在GPS全球解中進(jìn)行估計(jì)，問題在于衛(wèi)星天線相位中心參數(shù)與測(cè)站高程、對(duì)流層參數(shù)以及接收機(jī)的PCO和PCV參數(shù)之間存在強(qiáng)相關(guān)性[19]。Zhu等深入分析了這種相關(guān)性[28]；Schmid等首次證明可首先采用ITRF2000尺度因子和機(jī)器人標(biāo)定的接收機(jī)天線相位中心，而后估計(jì)與天底角相關(guān)的衛(wèi)星天線PCV[3]。此外，與方位角相關(guān)的PCV也被證明是存在的[30]。由于處理中采用LC組合來消除電離層，這些PCV估值是針對(duì)LC觀測(cè)量的。以上工作按不同衛(wèi)星類型估計(jì)PCV，Ge等指出由于不同衛(wèi)星的PCV估值差別明顯，特別是z軸方向，使用按不同衛(wèi)星類型給定的PCV仍是不夠的，應(yīng)當(dāng)按衛(wèi)星給定PCV[31]，但是，這種處理模式會(huì)使待估參數(shù)急劇增多，影響計(jì)算效率。

2004年，IGS提出要生成一組一致的絕對(duì)天線相位中心改正值用以在不同分析中心進(jìn)行測(cè)試，TUM和GFZ決定重新處理自1994年起的IGS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將來自不同處理軟件使用不同處理策略的兩組結(jié)果進(jìn)行合成處理，2006年11月5日，IGS開始使用絕對(duì)天線相位中心改正模型——igs05.atx，將相對(duì)天線相位中心模型改為絕對(duì)的優(yōu)點(diǎn)在于：①與高度角相關(guān)的影響將得到改善，GPS定位結(jié)果將降低對(duì)高度截止角的依賴[30]。②相關(guān)參數(shù)的估值精度將得到改善，例如，有研究表明：采用絕對(duì)天線相位中心誤差模型后，由GPS和VLBI獲得的對(duì)流層天頂延遲差異會(huì)減小[30]，全球參考框架尺度因子將更加穩(wěn)定[32]。

igs05.atx得到了廣泛應(yīng)用，但是，隨著時(shí)間的推移，其本身存在的缺陷逐漸暴露[1]，此外，隨著新發(fā)射的衛(wèi)星，以及不斷改進(jìn)的多系統(tǒng)地面觀測(cè)網(wǎng)、由機(jī)器人標(biāo)定的接收機(jī)天線也不斷增多，更新該模型的必要性日益突出。特別的，2010年5月，新的坐標(biāo)框架ITRF2008開始使用[33]，ITRF2008的尺度由VLBI和SLR 2種技術(shù)共同決定，而ITRF2005的尺度僅由VLBI決定[34]，兩種尺度存在-0.94×10-9的差異，這種尺度差異會(huì)在衛(wèi)星天線相位z-offset中引入+12.1 cm的誤差[28]。由于z-offset與尺度的強(qiáng)相關(guān)，如果繼續(xù)使用igs05.atx中的z-offset，將會(huì)導(dǎo)致IGS的尺度與ITRF產(chǎn)生差異。為此，經(jīng)過對(duì)IGS歷史數(shù)據(jù)的再次處理，2011年4月17日起，所有IGS分析中心開始采用新的絕對(duì)天線相位中心模型——igs08.atx[35]。

除GPS外，GLONASS在1998年IGS組織的數(shù)據(jù)會(huì)戰(zhàn)之后，軌道精度得到不斷改善，其衛(wèi)星天線相位中心誤差也引起了相關(guān)研究人員的注意。在2006年IGS開始采用絕對(duì)天線相位中心誤差之前，GLONASS衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星類似，也是僅使用了按衛(wèi)星類型給定的相位中心偏差PCO[36]。而后，CODE重新處理了2005年到2006年15個(gè)月的多系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而為13顆GLONASS衛(wèi)星和4顆GLONASS-M衛(wèi)星提供了天線相位中心誤差改正值[6]。需要指出的是：這次計(jì)算采用的觀測(cè)數(shù)據(jù)是由一個(gè)主要分布于歐洲的稀疏的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供，并且其中2顆GLONASS-M衛(wèi)星SVN713和SVN714僅采用了3個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。GLONASS衛(wèi)星天線相位中心變化被建模為分段線性函數(shù)，為了避免模型參數(shù)過多，僅為所有衛(wèi)星共同估計(jì)了一組與天底角相關(guān)的PCV，然后，固定PCV，為每顆衛(wèi)星估計(jì)z-offset，而PCO的水平分量固定為衛(wèi)星制造商的提供值。

2011年4月，隨著IGS開始采用新的絕對(duì)天線相位中心模型——igs08.atx，GLONASS衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定值也進(jìn)行了相應(yīng)的更新，相比igs05.atx，GLONASS的工作衛(wèi)星、地面觀測(cè)網(wǎng)都得到了很大改進(jìn)，接收機(jī)天線的標(biāo)定也有利于多系統(tǒng)解的一致性[37]。此外，提供標(biāo)定值的分析中心由原來的1家增加為2家，觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間區(qū)間由原來的15個(gè)月增加為7.5年。

由于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(如BDS、Galileo等)正處于建設(shè)階段，衛(wèi)星天線相位中心誤差的研究還未如GPS和GLONASS一樣完善，但是，近期也有一些代表研究成果發(fā)表。對(duì)于Galileo，無論IOV衛(wèi)星還是FOC衛(wèi)星，天線相位中心誤差發(fā)射前的地面標(biāo)定值均未公開發(fā)表，因此，對(duì)于IOV衛(wèi)星，IGS(MGEX)是基于衛(wèi)星圖片采用了一個(gè)約定值，并在數(shù)據(jù)分析中附加尺度模型[38]；對(duì)于FOC衛(wèi)星，則是基于幾周數(shù)據(jù)估計(jì)的近似值[39]。2016年，Steigenberger等對(duì)Galileo衛(wèi)星的PCO標(biāo)定方法作了進(jìn)一步研究[9]，但是忽略了衛(wèi)星的PCV，有研究表明：IOV衛(wèi)星的PCV峰值在10～15 mm左右，其標(biāo)定方法仍需引起注意。對(duì)于北斗衛(wèi)星，之前主要采用經(jīng)驗(yàn)值或出廠標(biāo)定值，2014年，歐空局ESA/ESOC研究了北斗衛(wèi)星天線相位中心誤差的標(biāo)定方法，并發(fā)布了MEO和IGSO衛(wèi)星的PCO和PCV值[14]。

2.2　國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在天線相位中心誤差標(biāo)定方法研究方面，前期由于國內(nèi)主要是應(yīng)用GPS等系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量定位，因此主要集中在接收機(jī)天線相位中心誤差的處理上，部分研究分析了該誤差對(duì)定位定軌的影響，而對(duì)衛(wèi)星天線相位中心誤差的標(biāo)定方法研究得還不多。

在接收機(jī)天線PCO標(biāo)定方法的研究方面，1994年，武漢大學(xué)蔡宏翔介紹了微波暗室標(biāo)定方法的基本原理[40]；1995年，同濟(jì)大學(xué)沈文炳對(duì)野外短基線標(biāo)定方法進(jìn)行了改進(jìn)[41]；2000年，陳逸群利用幾何關(guān)系和最小二乘法計(jì)算了天線相位中心偏差[42]；2001年，陜西天文臺(tái)高玉平對(duì)多種類型GPS接收機(jī)天線的相位中心偏差進(jìn)行了檢測(cè)，并給出了檢測(cè)結(jié)果及建議[43]；2009年，中南大學(xué)陳桂珍總結(jié)比較了國內(nèi)外天線相位中心偏差檢測(cè)的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理方法，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了GPS接收機(jī)天線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[44]；2013年，解放軍61365部隊(duì)張則宇等比較了3種GPS天線相位中心偏差校準(zhǔn)的方法[45]。

近年來，在接收機(jī)天線PCV標(biāo)定方法的研究方面，國內(nèi)學(xué)者也逐漸發(fā)表了部分代表性成果。2010年，信息工程大學(xué)張成軍分析了基于測(cè)量機(jī)器人的天線相位中心偏差和變化的標(biāo)定方法[46]；2013年，武漢大學(xué)胡志剛、郭強(qiáng)等利用首臺(tái)國產(chǎn)室外自動(dòng)機(jī)器人檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了接收機(jī)天線相位中心誤差室外絕對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[47-48]；2013、2014年，中國地震局李曉波、長(zhǎng)安大學(xué)馬德強(qiáng)分別對(duì)GNSS天線相位中心偏差與變化精確標(biāo)定方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究[49-50]；2017年，信息工程大學(xué)鄧科系統(tǒng)研究了接收機(jī)天線相位中心誤差的相對(duì)和絕對(duì)標(biāo)定方法，并對(duì)北斗接收機(jī)天線相位中心偏差和變化的標(biāo)定方法進(jìn)行了深入探討[51]。

在研究接收機(jī)天線相位中心誤差標(biāo)定方法的同時(shí)，相關(guān)人員還研究了其對(duì)定位定軌的影響。2007年，北京大學(xué)高偉等分析了接收機(jī)天線PCO對(duì)GPS高程的影響[52]；同年，武漢大學(xué)郭際明分析了天線相位中心偏差和變化對(duì)高精度GPS數(shù)據(jù)處理的影響[53]；2010年，武漢大學(xué)張小紅、長(zhǎng)安大學(xué)涂銳對(duì)天線相位中心誤差及改正模型對(duì)精密單點(diǎn)定位精度的影響進(jìn)行了研究與分析[54-55]；此外，武漢大學(xué)胡志剛、信息工程大學(xué)田英國還分析了接收機(jī)天線相位中心誤差對(duì)低軌衛(wèi)星星載GNSS精密軌道確定的影響[56-57]。

目前，我國北斗衛(wèi)星的天線相位中心誤差改正數(shù)還主要應(yīng)用的是地面上的出廠標(biāo)定值，該標(biāo)定值只包含PCO，而沒有PCV，并且所有類型衛(wèi)星均使用了同一PCO值。直到2014年，歐空局ESA/ESOC的Dilssner等才對(duì)北斗衛(wèi)星天線相位中心PCO和PCV的標(biāo)定方法作了初步研究，且僅公布了MEO和IGSO衛(wèi)星的天線相位中心誤差標(biāo)定值[14]，黃觀文等分析對(duì)比了這些標(biāo)定值的應(yīng)用效果[12]。為了推動(dòng)北斗系統(tǒng)在高精度領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法的研究。

3　未來發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過多年研究，導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但還存在如下問題有待進(jìn)一步研究：

3.1　多系統(tǒng)及新型衛(wèi)星的天線相位中心誤差標(biāo)定方法研究

目前，IGS發(fā)布的衛(wèi)星天線相位中心模型主要考慮了GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星，隨著Galileo、BDS等系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，其衛(wèi)星天線相位中心誤差的標(biāo)定方法也引起了研究人員的關(guān)注，并取得了部分成果。事實(shí)上，在IGS召開的2014年研討會(huì)上，已經(jīng)提議在其發(fā)布的天線相位中心誤差模型中將新建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)考慮在內(nèi)，并于2015年7月起，開始考慮在igs08.atx中增加Galileo、BDS及SBAS(如QZSS)的衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定值。如何對(duì)這些衛(wèi)星的天線相位中心誤差進(jìn)行更精確的標(biāo)定，是否可以照搬GPS或GLONASS的模型及標(biāo)定方法，需要結(jié)合更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作深入研究和分析。此外，GPS和GLONASS系統(tǒng)近期也會(huì)有新型衛(wèi)星發(fā)射，對(duì)于這些新型衛(wèi)星的天線相位中心誤差標(biāo)定方法也需要作進(jìn)一步的研究。

3.2　建立新的衛(wèi)星天線相位中心變化模型

目前，對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心變化，主要是按照衛(wèi)星類型進(jìn)行分類，而后利用與觀測(cè)方向高度角、方位角相關(guān)的分段線性函數(shù)或球諧函數(shù)進(jìn)行建模。這種建模方式是否對(duì)所有衛(wèi)星都適用，有沒有更優(yōu)的建模方式，有待進(jìn)一步討論。

3.3　更精細(xì)的接收機(jī)天線相位中心誤差標(biāo)定

標(biāo)定衛(wèi)星天線相位中心誤差時(shí)，需要已知接收機(jī)天線相位中心誤差，因此更加精細(xì)的接收機(jī)天線相位中心誤差標(biāo)定方法對(duì)衛(wèi)星天線的標(biāo)定具有重要影響。

在采用接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心改正的同時(shí)，IGS開始考慮整流罩的影響。雖然整流罩對(duì)天線相位中心的影響在厘米量級(jí)[58]，但是，直到igs05.atx應(yīng)用之前，該影響或多或少是被忽略的。特別的，忽略整流罩將對(duì)不同技術(shù)(如SLR、VLBI等)解算的基線結(jié)果產(chǎn)生顯著影響[59-60]，從而影響不同空間技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。目前，由于部分天線和整流罩的標(biāo)定值遺失或根本沒有標(biāo)定，這個(gè)問題暫時(shí)還未得到完全解決，需要進(jìn)一步考慮整流罩對(duì)接收機(jī)天線相位中心的影響。

3.4　低軌衛(wèi)星星載觀測(cè)數(shù)據(jù)輔助導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法研究

以上論述的標(biāo)定方法均是基于地面觀測(cè)量進(jìn)行的，由于天線相位中心計(jì)算時(shí)需要固定尺度基準(zhǔn)，造成GNSS技術(shù)無法與VLBI和SLR相獨(dú)立。有研究表明：利用低軌衛(wèi)星星載數(shù)據(jù)標(biāo)定導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心是可行的，除了可以獲得大天底角對(duì)應(yīng)的改正數(shù)，還能不固定參考框架尺度而獲得標(biāo)定值，這樣就可以依靠GNSS獲得獨(dú)立的框架尺度[61]。此時(shí)，需要使用低軌衛(wèi)星星載天線的地面標(biāo)定值，至少低軌衛(wèi)星衛(wèi)星天線的徑向PCO標(biāo)定值無法與導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射天線的PCO獨(dú)立。

4　結(jié)　語

導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心誤差的精確標(biāo)定是進(jìn)行精密定位、開展高精度位置服務(wù)的前提，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高精度應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具有重要作用。目前，在相關(guān)研究人員的持續(xù)努力下，GPS、GLONASS等衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定已由相對(duì)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為絕對(duì)標(biāo)定，且不斷更新模型，朝著更高精度、更加細(xì)化的方向發(fā)展。隨著我國北斗全球系統(tǒng)的建成組網(wǎng)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)衛(wèi)星天線相位中心誤差標(biāo)定方法的研究，為北斗系統(tǒng)的全球高精度應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

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