GNSS天線相位中心

天線的相位中心是隨衛星信號的方位角和入射角變化而變化的，相位中心穩定技術就是從理論設計上實現電學相位中心與天線幾何中心接近重合。一般來講，天線的結構對稱性越好，饋點越多，天線的穩定度就越高，但饋點多，其饋電饋電網絡越復雜，效率低，所以存在一個折中。目前比較典型的是采用四點（多點）饋電的正方形或圓形微帶貼片天線，多臂縫隙螺線天線以及雙極化技術來保證天線的穩定度。

此外，天線的相位中心性能與天線罩也緊密相關，不能隨便改變天線的天線罩，因為天線罩會改變天線的交叉極化分量和相位方向圖。若采用球形天線罩，并將天線的相位中心置于球心，對天線相位中心性能的影響較小；而尖錐形天線罩對相位方向圖和幅度方向圖有較大的影響，進而影響天線相位中心的穩定性。所以，必須根據具體的天線罩，優化設計。

天線相位中心校準技術

天線的天線相位中心隨方位角和入射角變化量，需要校準標定后，可載入GNSS接收機中進行修正，解決相位中心不一致問題。

天線相位中心校準技術包括室外相對校準、室外絕對校準和暗室內校準三種。

室外相對校準方法是在超短基線上進行，以便盡可能地消除衛星軌道誤差、大氣折射誤差和多徑效應等因素的影響。在室外空曠場地在超短基線上利用兩臺接收機進行差分定位來校準天線相位中心，兩臺接收機相距5米。相位中心水平偏差利用天線旋轉法校準:短基線兩端的兩個天線等高，天線標志向指向正北，觀測一個時段后分別順時針旋轉待測天線90度，即天線指向標志分別指向北、東、南、西各觀測一個時段，將四個時段的觀測數據分別進行處理即可檢測出天線的相位中心水平偏差。檢測天線垂直偏差的方法用天線交換法:觀測一個時段后，確保天線基座不動，把兩個天線交換，天線標志向仍指向正北，再觀測一個時段，將兩個時段的觀測數據分別進行處理可以檢測出天線相位中心的垂直偏差。

美國NGS（National Geodetic Survey）提供的天線GPS相位中心修正值便是采用相對校準模式測定的，如下。

圖1  NGS天線相對校準模型

江蘇三和欣創測量型AT-705天線NGS認證數據如下：

圖2   三和欣創AT-705 測量型天線NGS校準數據

室外絕對校準方法是在室外相對校準方法基礎上發展出的一種校準方法，其基本原理是利用精密校準過的機械裝置旋轉或傾斜天線，從而得到幾千組不同的天線仰角和方位角下的觀測數據，在消除多路徑誤差后求出相位中心偏移PCO和相位中心變化PCV。多路徑效應和天線相位中心變化是影響GNSS測距精度的主要誤差源，在對天線進行相位中心絕對校準時，如何分離多徑誤差與PCV是首要解決的問題。消除多徑誤差的一種思路是利用衛星星歷的關于恒星日的周期重復性，只要觀測站點周圍環境不變，其多徑效應也具有周期重復性，只要把兩個恒星日的觀測數據求差，則多徑誤差連同PCV一起被消除。上述的室外絕對校準需要連續觀測兩天的數據，在第一天的觀測中保持天線靜止，第二天的觀測過程中把天線旋轉和傾斜，使得可以觀測不同仰角、不同方位角下的數據。通過比較第二天的觀測數據和第一天數據的差異，求解PCV。

目前的絕對校準方法還可以自動實時的對天線相位中心校準，而不必觀測兩天后再對觀測數據做后處理。其關鍵技術在于利用窄偽距相關技術消除多路徑效應，利用校準過的精密機械裝置自動實時的轉動和旋轉天線，通過優化選擇合適的觀測時間、觀測角度來觀測采樣獲得天線上半球面的相位方向圖。采樣的點越多，PCV估計精度越高。下圖Geo+++絕對校準設備。

室外絕對校準法與室外相對校準法相比，存在以下優點：消除了應對校準結果的影響；仰角從0度到90度的PCV都可以校準；可以得到角變化的PCV；可以得到PCV的絕對值；PCV與參考天線和校準站點無關。

圖3    Geo+++的天線相位中心變化自動化絕對校準

在微波暗室內也可以校準天線的相位中心，相關理論已經得到了專家學者的論證，并且它任意工作頻點均可以校準。一般的方法是首先要將測試轉臺進行校準，使待測天線與源發射天線平行并且均垂直參考面，然后用矢量網絡分析儀輸出信號經過發射天線發射，在微波暗室空間傳輸后被待測天線接收，旋轉待測天線的在不同方位角或仰角獲得其相位圖，之后結合相位中心算法進行軟件后處理便可得到天線相位中心變化值。基本測試框圖如下圖。

圖4   微波暗室天線相位中心校準方法