GNSS天线相位中心

天线的相位中心是随卫星信号的方位角和入射角变化而变化的，相位中心稳定技术就是从理论设计上实现电学相位中心与天线几何中心接近重合。一般来讲，天线的结构对称性越好，馈点越多，天线的稳定度就越高，但馈点多，其馈电馈电网络越复杂，效率低，所以存在一个折中。目前比较典型的是采用四点（多点）馈电的正方形或圆形微带贴片天线，多臂缝隙螺线天线以及双极化技术来保证天线的稳定度。

此外，天线的相位中心性能与天线罩也紧密相关，不能随便改变天线的天线罩，因为天线罩会改变天线的交叉极化分量和相位方向图。若采用球形天线罩，并将天线的相位中心置于球心，对天线相位中心性能的影响较小；而尖锥形天线罩对相位方向图和幅度方向图有较大的影响，进而影响天线相位中心的稳定性。所以，必须根据具体的天线罩，优化设计。

天线相位中心校准技术

天线的天线相位中心随方位角和入射角变化量，需要校准标定后，可载入GNSS接收机中进行修正，解决相位中心不一致问题。

天线相位中心校准技术包括室外相对校准、室外绝对校准和暗室内校准三种。

室外相对校准方法是在超短基线上进行，以便尽可能地消除卫星轨道误差、大气折射误差和多径效应等因素的影响。在室外空旷场地在超短基线上利用两台接收机进行差分定位来校准天线相位中心，两台接收机相距5米。相位中心水平偏差利用天线旋转法校准:短基线两端的两个天线等高，天线标志向指向正北，观测一个时段后分别顺时针旋转待测天线90度，即天线指向标志分别指向北、东、南、西各观测一个时段，将四个时段的观测数据分别进行处理即可检测出天线的相位中心水平偏差。检测天线垂直偏差的方法用天线交换法:观测一个时段后，确保天线基座不动，把两个天线交换，天线标志向仍指向正北，再观测一个时段，将两个时段的观测数据分别进行处理可以检测出天线相位中心的垂直偏差。

美国NGS（National Geodetic Survey）提供的天线GPS相位中心修正值便是采用相对校准模式测定的，如下。

图1  NGS天线相对校准模型

江苏三和欣创测量型AT-705天线NGS认证数据如下：

图2   三和欣创AT-705 测量型天线NGS校准数据

室外绝对校准方法是在室外相对校准方法基础上发展出的一种校准方法，其基本原理是利用精密校准过的机械装置旋转或倾斜天线，从而得到几千组不同的天线仰角和方位角下的观测数据，在消除多路径误差后求出相位中心偏移PCO和相位中心变化PCV。多路径效应和天线相位中心变化是影响GNSS测距精度的主要误差源，在对天线进行相位中心绝对校准时，如何分离多径误差与PCV是首要解决的问题。消除多径误差的一种思路是利用卫星星历的关于恒星日的周期重复性，只要观测站点周围环境不变，其多径效应也具有周期重复性，只要把两个恒星日的观测数据求差，则多径误差连同PCV一起被消除。上述的室外绝对校准需要连续观测两天的数据，在第一天的观测中保持天线静止，第二天的观测过程中把天线旋转和倾斜，使得可以观测不同仰角、不同方位角下的数据。通过比较第二天的观测数据和第一天数据的差异，求解PCV。

目前的绝对校准方法还可以自动实时的对天线相位中心校准，而不必观测两天后再对观测数据做后处理。其关键技术在于利用窄伪距相关技术消除多路径效应，利用校准过的精密机械装置自动实时的转动和旋转天线，通过优化选择合适的观测时间、观测角度来观测采样获得天线上半球面的相位方向图。采样的点越多，PCV估计精度越高。下图Geo+++绝对校准设备。

室外绝对校准法与室外相对校准法相比，存在以下优点：消除了应对校准结果的影响；仰角从0度到90度的PCV都可以校准；可以得到角变化的PCV；可以得到PCV的绝对值；PCV与参考天线和校准站点无关。

图3    Geo+++的天线相位中心变化自动化绝对校准

在微波暗室内也可以校准天线的相位中心，相关理论已经得到了专家学者的论证，并且它任意工作频点均可以校准。一般的方法是首先要将测试转台进行校准，使待测天线与源发射天线平行并且均垂直参考面，然后用矢量网络分析仪输出信号经过发射天线发射，在微波暗室空间传输后被待测天线接收，旋转待测天线的在不同方位角或仰角获得其相位图，之后结合相位中心算法进行软件后处理便可得到天线相位中心变化值。基本测试框图如下图。

图4   微波暗室天线相位中心校准方法