原 亮,王宏兵,2,劉昌潔

(1.中國人民解放軍61081部隊,北京100094;2.南開大學(xué),天津300000)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可提供高精度、全天時、全天候的導(dǎo)航、定位和授時等信息,軍事上是現(xiàn)代高科技信息化戰(zhàn)爭重要保障,在國民經(jīng)濟(jì)很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。各主要國家非常重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制和發(fā)展,當(dāng)前世界上主要應(yīng)用和建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有GPS、GLONASS、GALILEO和北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作過程是地面運行控制系統(tǒng)根據(jù)各監(jiān)測設(shè)備對衛(wèi)星的無線電距離測量結(jié)果進(jìn)行衛(wèi)星軌道確定和星地鐘差計算,然后將相應(yīng)信息注入給衛(wèi)星,最后用戶設(shè)備結(jié)合接收到衛(wèi)星相應(yīng)信息和測距值進(jìn)行定位。衛(wèi)星軌道確定和鐘差計算等通過偽距測量后扣除設(shè)備時延來實現(xiàn)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備包括衛(wèi)星設(shè)備、地面運行控制系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備,這3類設(shè)備都使用天線進(jìn)行信號發(fā)射和接收,天線時延準(zhǔn)確度直接影響著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)精度。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線時延標(biāo)定方法

天線可用于信號的發(fā)射和接收,天線時延分為天線發(fā)射時延和天線接收時延。天線發(fā)射時延是指信號在天線饋線輸入端口至天線相位中心的傳輸時間延遲。天線接收時延是指信號在天線相位中心至饋線輸出端口的傳輸時間延遲。

1.1 通常的天線時延測量方法

全向天線的時延可在微波暗室內(nèi)直接用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量,使用一個時延已知的天線測量待測天線時延,或測量2個相同類型待測天線時延和,時延和的一半即是待測天線時延。

衛(wèi)星、地面運行控制系統(tǒng)除監(jiān)測站外使用反射面天線,因為尺寸較大無法在微波暗室內(nèi)進(jìn)行時延測量。反射面天線時延整體上分為3個部分:饋線時延、饋源網(wǎng)絡(luò)時延和饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心距離的電波傳輸時延。對于反射面天線時延測量,通常方法分別測出3部分的時延。

饋線時延可使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接進(jìn)行測量。饋源網(wǎng)絡(luò)時延也可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在微波暗室內(nèi)通過無線方式直接進(jìn)行測量。

反射面天線饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心時延根據(jù)天線機(jī)械結(jié)構(gòu)計算得到。單反射面天線饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心的距離為饋源至天線拋物面頂點距離與拋物面深度的和,雙反射面天線饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心的距離為饋源至副反射面頂點、副反射面頂點至主反射面頂點、主反射面深度的和。距離除以光速即可得到饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心的時延。

1.2 天線時延標(biāo)定方法

通常的反射面天線時延測量中,饋源網(wǎng)絡(luò)時延采用近場方式測試獲得、饋源網(wǎng)絡(luò)至天線相位中心時延通過距離光程計算得到,實際天線是遠(yuǎn)場條件下工作,使用近場測試結(jié)果代表遠(yuǎn)場是否合理,距離光程計算是否準(zhǔn)確,都有待深入分析和驗證。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比通信系統(tǒng)最大的差別是能夠進(jìn)行無線電距離測量,通過時延測量進(jìn)行定位和時間同步等,只要將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備組成收發(fā)閉環(huán)就相當(dāng)于一個時延測量儀器,所以可以利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身測距能力進(jìn)行天線時延的測量標(biāo)定。研制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備相對應(yīng)的時延標(biāo)校設(shè)備,比如為地面向衛(wèi)星注入的發(fā)射設(shè)備研制小環(huán)時延標(biāo)校設(shè)備,平時小環(huán)時延標(biāo)校設(shè)備與地面發(fā)射設(shè)備構(gòu)成閉環(huán),根據(jù)實時測距結(jié)果可以監(jiān)測發(fā)射設(shè)備時延漂移情況。將此小環(huán)時延標(biāo)校設(shè)備放在符合反射面天線遠(yuǎn)場測試條件的地點,配以全向天線就可以與地面運行控制系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備進(jìn)行無線閉環(huán)測試,根據(jù)無線時延測量值和2天線間的距離就可以對天線時延進(jìn)行標(biāo)定。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射面天線時延標(biāo)定可采用發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備相同工作頻率的方式,也可以采用發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備工作不同頻的方式,同頻方式天線時延標(biāo)定原理如圖1所示。

首先使用電纜1和電纜2將發(fā)射設(shè)備和時延標(biāo)校設(shè)備連接構(gòu)成有線閉環(huán),發(fā)射設(shè)備和時延標(biāo)校設(shè)備都使用原子鐘1,可得到測距值為:

式中,τ發(fā)為地面發(fā)射設(shè)備時延;τ標(biāo)為標(biāo)校設(shè)備時延;τ纜1、τ纜2分別為電纜1和電纜2的時延。

圖1 反射面天線時延標(biāo)定原理(同頻)

然后將全向天線、時延標(biāo)校設(shè)備和原子鐘2放在符合反射面天線遠(yuǎn)場測試條件的地方,與反射面天線、發(fā)射設(shè)備和原子鐘1構(gòu)成無線測試環(huán)路,并使用時間間隔計數(shù)器測量原子鐘1與原子鐘2的鐘差,可得測距值為:

式中,τ發(fā)為地面發(fā)射設(shè)備時延;τ反為待標(biāo)定反射面天線時延;τ測天線為測試用全向天線時延(可在微波暗室內(nèi)測得);τ標(biāo)為時延標(biāo)校設(shè)備時延;τ纜3、τ纜4、τ纜5、τ纜6分別為電纜 3、電纜 4、電纜 5、電纜 6的時延;T計數(shù)器為時間間隔計數(shù)器測得原子鐘2與原子鐘1間的鐘差(原子鐘2開門,原子鐘1關(guān)門);d為反射面天線相位中心至全向天線相位中心的距離;c為電波傳輸速度3×108m/s。

根據(jù)有線和無線測距值可以對反射面天線時延進(jìn)行標(biāo)定:

上面標(biāo)定中發(fā)射設(shè)備和標(biāo)校設(shè)備頻率相同、放在不同位置,2個原子鐘相隔距離較遠(yuǎn)進(jìn)行鐘差測量有一定實現(xiàn)難度。如果不具備上述標(biāo)定需要條件,可采用發(fā)射設(shè)備和標(biāo)校設(shè)備不同頻、放在同一位置使用標(biāo)校塔通過上述類似的有線和無線測距進(jìn)行反射面天線時延標(biāo)定,發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備不同頻方式天線時延標(biāo)定原理如圖2所示。

將發(fā)射設(shè)備、模擬轉(zhuǎn)發(fā)器和時延標(biāo)校設(shè)備通過有線方式連成閉環(huán),模擬轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)發(fā)射頻率至標(biāo)校設(shè)備接收頻率的轉(zhuǎn)換,有線閉環(huán)測距值為:

式中,τ發(fā)為地面發(fā)射設(shè)備時延;τ標(biāo)為時延標(biāo)校設(shè)備時延;τ轉(zhuǎn)發(fā)器為模擬轉(zhuǎn)發(fā)器時延(可用儀器直接測得);τ纜和 τ纜2為電纜1、電纜2的時延。

圖2 反射面天線時延標(biāo)定原理(不同頻)

無線測試在滿足遠(yuǎn)場條件的地方建一個標(biāo)校塔,塔上放模擬轉(zhuǎn)發(fā)器用于頻率轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)發(fā)器使用接收天線和發(fā)射天線都是全向的。發(fā)射設(shè)備和時延標(biāo)校設(shè)備放在一起使用同一臺原子鐘,可得無線測距值為:

式中,τ發(fā)為地面發(fā)射設(shè)備時延;τ反為待標(biāo)定反射面天線時延為測試用全向天線、模擬轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線、模擬轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線的時延(可在微波暗室內(nèi)測得);τ標(biāo)為時延標(biāo)校設(shè)備時延;τ纜3為電纜 3的時延;d1、d2分別為反射面天線相位中心至模擬轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線的距離和測試用全向天線至模擬轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線的距離(可通過激光測得)。

根據(jù)有線和無線測距值可以實現(xiàn)反射面天線時延進(jìn)行標(biāo)定:

反射面天線接收時延標(biāo)定與發(fā)射時延標(biāo)定方法相似,這里不再介紹。

3 在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)中的應(yīng)用

天線時延是以其相位中心為起止點的。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,監(jiān)測站、用戶機(jī)全向天線的相位中心在微波暗室內(nèi)通過相位方向圖測量得到。將待測天線架在測試轉(zhuǎn)臺上,測量天線的相位方向圖,如果相位方向圖不是一條直線,調(diào)整天線在轉(zhuǎn)臺上的位置,測量天線的相位方向圖,直至相位方向圖近似是一條直線,則轉(zhuǎn)臺中心即為天線該方位的相位中心;保持天線在轉(zhuǎn)臺上的位置不變,測量其他方位面上的相位方向圖,進(jìn)行歸一化處理,得到天線的相位中心校準(zhǔn)表。結(jié)合天線對衛(wèi)星指向和相位中心校準(zhǔn)表,可知實際使用的天線時延。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的反射面天線,有一定的方向性,天線相位中心定義為天線口面的幾何中心,從天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計可知。時延測量當(dāng)前主要采用分段測量的方法,測量結(jié)果已使用在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中。新提出的利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身測距能力進(jìn)行天線時延標(biāo)定的方法,正在進(jìn)行相應(yīng)試驗。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,天線相位中心是天線時延的基準(zhǔn)點,天線相位中心變化是天線時延必須要考慮的問題。因為要跟蹤衛(wèi)星,天線的指向是變化的,尤其是跟蹤MEO衛(wèi)星,天線的方位角和俯仰角變化很大,即使是GEO衛(wèi)星由于太陽攝動等因素地面跟蹤天線的方位、俯仰角也是變化的,天線相位中心的位置坐標(biāo)隨之會發(fā)生變化,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實際工作中需要同時應(yīng)用天線時延和對應(yīng)的相位中心。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對天線的點位坐標(biāo)進(jìn)行測量納入系統(tǒng)使用,反射面天線的點位坐標(biāo)通常選擇為地面基礎(chǔ)幾何中心點或支架點(方位俯仰轉(zhuǎn)動中心),轉(zhuǎn)臺反射面天線相位中心示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺反射面天線相位中心示意圖

4 結(jié)束語

簡要介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成和工作過程,闡述了天線時延測量標(biāo)定對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性,敘述了通常3個部分測量的天線時延測量方法。結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身測距能力提出了2種天線時延標(biāo)定方法,通常測量方法已應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,新提出的方法正準(zhǔn)備進(jìn)行試驗,給出了天線相位中心歸算方法,對我國未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)有一定的參考意義。

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