天线整流罩对GNSS观测值与定位精度影响研究

程晓晖, 赵传宝, 陈嘉琦

(1. 广州市城市规划勘测设计研究院有限公司,广州 510060;2. 广州市资源规划和海洋科技协同创新中心,广州 510060;3. 广东省城市感知与监测预警企业重点实验室,广州 510060)

0 引言

近年来,全球导航卫星系统(global navigation sa-tellite system,GNSS)的不断进步推动了高精度定位、导航与授时(positioning, navigation and timing,PNT)领域迎来新的发展机遇和挑战[1-2]。GNSS凭借其高精度、全天候、广覆盖、低成本以及高效率等特点被广泛应用于军用和民用的各个领域。大众用户以及行业用户对高精度位置服务的需求也在日益增长,在空间环境探索、地学灾害监测与预警、工程建设以及电力、通信和交通等行业发挥着越来越大的作用[3-5]。

北斗/GNSS卫星定位连续运行参考站(contin-uous operation reference station,CORS)系统是支撑城市空间感知的重要基础设施之一,作为城市坐标框架骨干网的重要组成部分,为城市持续提供高精度时空信息服务[3]。在过去20年,我国各大城市相继以较高的基建标准建立了各自的CORS系统,并向用户提供网络实时动态定位(real time kinematic,RTK)服务,用以支撑城市建设等各类应用。虽然精密单点定位(precise point positioning,PPP)技术能够在不需要基准站的情况下为用户提供全球范围内任意位置的高精度绝对位置信息[6-9],但通常需要30～60 min的收敛时间,使其在城市复杂环境下难以实现快速高精度定位。近年来兴起的实时动态精密单点定位(PPP-RTK)技术虽然结合了传统PPP与RTK技术的优势[10-11],但其在工程应用中还处于起步阶段,且当前市面绝大部分定位设备仍仅支持RTK服务,因此,在城市快速高精度定位场景下,网络RTK技术仍占主导地位。

目前,城市CORS已广泛应用于城市工程测量、滑坡及地面沉降等地灾监测以及无人机航飞等众多应用场景[12-14]。为保护城市CORS基准站天线,通常会选择安装天线整流罩,但绝大部分天线整流罩因材质、制作工艺等因素的不同,在保护天线日常工作的同时也对天线相位中心与观测值的质量产生一定影响。相关研究表明,天线相位中心误差是GNSS高精度定位中不可忽视的一项重要误差源[15-16],且对高程分量的影响最为显著[17-18]。刘文建等[19]研究发现,GPS信号通过天线罩会发生延时和折射,其影响在水平分量不显著,但在高程方向影响较大。此外,天线整流罩对观测值质量影响的相关研究较少。对此,本文针对过去基于广州CORS(GZCORS)进行RTK测量过程中存在高程分量不准确的问题,从基准站坐标稳定情况、拆除基准站天线整流罩前后对观测值和基准站坐标变化进行了分析,并基于拆除天线整流罩后的GZCORS进行了静态仿动态和城市复杂环境下车辆动态定位服务能力方面的测试。

1 GZCORS介绍

GZCORS原有两套:一套为2005年原广州市城市规划局组织建设的“广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统”[20];另一套为2006年原广州市国土资源和房屋管理局组织建设的“广州市连续运行卫星定位服务系统”。2016年广州市对两套CORS进行了优化整合,以“基准统一、网络统一、数据统一”为原则[21],采用天宝扼流圈天线(TRM57971.00)和思托力SC300接收机,建立了广州市北斗地基增强系统,站点分布如图1所示。

图1 广州CORS站点分布概略图

图2 GZCORS基准站高程变化

2 天线罩对GZCORS观测值与高程影响

2.1 高程存在的问题

GZCORS在部分地区长期存在RTK定位高程测不准的情况,其中东北部吕田站周边RTK定位高程偏差在10～15 cm,南部沙头站周边RTK定位高程偏差在7～9 cm。由于平面坐标定位结果差异均在1 cm以内,因此本文仅对高程定位情况展开研究。为验证高程偏差是否是基准站自身高程变化引起的,本文首先以周边部分广东省CORS站坐标作为起算基准,并基于TBC(Trimble Business Center)双差网解对2017—2021年连续5年的GZCORS基准站数据进行解算。图 2为8个基准站高程相对于2016年的绝对变化量情况,可以看出高程变化范围在1 cm 左右,个别站点变化达到1.6 cm,满足《卫星定位城市测量技术标准》(CJJ/T 73-2019)关于基准站高程年变化量不超过30 mm的要求。由此可知,基于GZCORS的RTK测量高程分量偏差较大的问题并非由基准站自身高程波动引起。

2.2 天线整流罩影响

为进一步探究用户RTK测量高程偏差较大的原因,在排除基准站自身高程波动因素的影响后,2022年6月首先对吕梁站和沙头站的天线罩进行了拆除(见图3),并分析了拆除前后观测数据的变化情况。表1和表2分别为利用TEQC软件分析的吕田站和沙头站天线罩拆除前后观测数据质量变化情况,可以看出拆除天线罩后,基准站的多路径影响显著降低且数据有效率均有明显提升,多路径误差和数据有效率分别如式(1)和式(2)所示。

表1 吕田站天线罩拆除前后观测质量变化情况

表2 沙头站天线罩拆除前后观测质量变化情况

图3 吕田站天线罩拆除前(左图)、后(右图)

(1)

(2)

其中,Pobs为测站观测数据有效率;N为测站一天的理论观测数据历元数;N0为测站一天实际观测历元数。

为探究拆除天线罩后基准站高程坐标分量变化情况,采用2022年6月15～30日观测数据,选取周边广东省CORS网中的ZSGT、QYGY及HYGT站作为起算点,并基于TBC进行双差联网解算。表3和表4分别为天线罩拆除前后吕田站和沙头站高程的变化情况,由表可知,拆除基准站天线罩后,吕田站高程降低约15 cm,沙头站高程升高约7.5 cm。

表3 吕田站天线罩拆除前后高程变化情况

表4 沙头站天线罩拆除前后高程变化情况

为进一步分析天线罩对基准站高程坐标分量的影响,继续拆除广州市内其余6个GZCORS基准站天线罩,同样选取广东省CORS网中的ZSGT、QYGY及HYGT 7天的观测数据进行双差联网解算,并对拆除天线罩前后天线的高程变化进行分析。如表5所示,各个站点拆除天线罩前后高程解算结果均发生了变化,其中变化最大的为永和站,高程降低约11.8 cm;变化最小的为花都站,高程降低约0.7 cm。

表5 6个CORS站拆罩前后高程变化情况

拆除基准站天线罩后,在前期RTK测量高程误差较大的吕田站和沙头站周边均匀选取部分已知高程的高等级控制点进行CORS RTK测量检测。如表6所示,检测点的高程较差均在4 cm以内,符合《卫星定位城市测量技术标准》(CJJ/T 73-2019)相关指标要求。

表6 拆除天线罩后CORS高程检测

基于上述验证结果,安装天线整流罩后会对基准站坐标高程分量产生系统性偏差影响,且该影响具有持续性。通过查阅历史资料发现,2005年广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统建立之初,CORS站坐标基准解算基于无天线罩状态,后续为加强天线的日常保护而加装天线罩,且未进行天线罩偏差标定,进而对基准站高程基准解算产生了一定影响,致使后续用户基于GZCORS 的RTK测量出现高程偏差较大的情况。

3 定位测试

3.1 实验设计

为验证拆除天线罩后的GZCORS位置服务性能,分别采用静态仿动态定位与城市车载动态定位两种形式进行测试验证。静态监测站位于楼顶已知点J001,布设环境如图4所示。监测站使用吉欧双频一体化GNSS接收机,差分位置服务器使用拆除基准站天线罩后的GZCORS服务。

图4 楼顶静态站示意图

车载动态测试地点位于广州市城市路段,行驶路线如图5所示,车载设备装载情况如图6所示。动态定位终端使用吉欧高精度车载定位终端(A2),并以诺瓦泰高精度惯导为参考基准(S1、S2)。静态仿动态定位与车载动态定位设备和差分位置服务信息如表7所示。

表7 定位测试设备与位置服务信息

图5 车载动态定位路线示意图

图6 车载动态定位测试装置示意图

3.2 静态仿动态定位

图7为J001点在2023年11月14～16日静态仿动态RTK定位误差时间序列,东西方向和南北方向定位均方根误差(RMS)分别为1 cm和0.8 cm,高程方向RMS为2.0 cm,完全可满足传统城市RTK测量定位需求。

图7 2023年11月14～16日J001仿动态定位误差时间序列

3.3 车载动态定位

图8为部分开阔路段测试车辆影像展点示意图。由图可以看出,车辆动态定位结果与卫星影像中车辆行驶状况具有较好的一致性。图9为使用千寻位置服务和诺瓦泰SPAN高精度惯导组合导航定位结果为参考的定位误差序列图。表8为对应的车载动态定位误差统计表,由统计可知,城市复杂环境下车载水平与高程动态定位精度均在20 cm左右。在城市复杂环境下由于高楼、树木以及隧道等遮挡,导致部分时段定位效果较差,但在开阔区域水平与高程定位效果均较好,可满足一般车辆的车道级(分米级)导航定位需求。

表8 城市场景车载动态定位性能

图8 车道级导航定位示意图

图9 城市场景车载动态定位误差序列

4 结论

本文针对基于GZCORS的RTK高程测量偏差较大的问题进行分析研究,发现天线罩对观测值多路径效应和基准站的高程定位结果有较大影响。通过拆除天线罩前后分析,分别进行了静态仿动态和车载动态定位测试,得到如下结论:

1)天线罩对天线相位中心存在较大影响,且对高程方向的影响较大,最大可达十几厘米。

2)天线罩对天线高程的影响比较稳定,波动在2 cm以内,因此在数据处理中可将天线罩影响视为系统偏差处理。

3)天线罩对天线高程的影响具有不一致性,最大影响接近15 cm,最小的影响不足1 cm,且影响方向具有不一致性。

4)拆除基准站天线罩后的GZCORS可满足日常厘米级RTK定位服务,并可提供车道分米级导航定位服务。