武文俊，李志剛，李孝輝，楊旭海，陳亮，弓劍軍

?

轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距設(shè)備時(shí)延中的溫度效應(yīng)

武文俊1,2,3，李志剛1,2，李孝輝1,2，楊旭海1,2，陳亮1,2，弓劍軍1,2,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039）

為實(shí)現(xiàn)高精度衛(wèi)星測(cè)距，測(cè)定了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距地面設(shè)備時(shí)延與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。利用已知發(fā)射通道和接收通道時(shí)延的調(diào)制解調(diào)器測(cè)定了待測(cè)調(diào)制解調(diào)器的接收通道和發(fā)射通道時(shí)延，使用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距地面設(shè)備測(cè)定了地面站設(shè)備整體時(shí)延。由地面氣象儀器獲得環(huán)境溫度參數(shù)。利用測(cè)定的時(shí)延和溫度數(shù)據(jù)研究了設(shè)備時(shí)延與溫度之間的變化關(guān)系。統(tǒng)計(jì)分析表明：在自然溫度條件下，設(shè)備時(shí)延的變化與溫度的變化之間基本呈線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于高精度衛(wèi)星測(cè)距，溫度對(duì)設(shè)備時(shí)延的影響不能忽略。

轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距；時(shí)延；溫度

0 引言

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞（TWSTFT）是當(dāng)前世界上主要的遠(yuǎn)距離時(shí)間比對(duì)技術(shù)之一[1]。從1999年開(kāi)始，國(guó)際權(quán)度局（BIPM）采用該技術(shù)來(lái)歸算協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。目前，歐洲、美洲和亞洲的許多國(guó)家時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室都有TWSTFT系統(tǒng)，其準(zhǔn)確度達(dá)500～750 ps，穩(wěn)定度可達(dá)200 ps[2]。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）在國(guó)內(nèi)首先建立起了衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞系統(tǒng)并開(kāi)展了相關(guān)的研究[3-4]，并于2009年與國(guó)際TWSTFT中心站德國(guó)物理技術(shù)研究院（PTB）正式建立了TWSTFT常規(guī)比對(duì)鏈路，通過(guò)幾個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，NTSC—PTB鏈路被正式用于UTC的歸算。

從2003年開(kāi)始，國(guó)家授時(shí)中心在TWSTFT的基礎(chǔ)上提出了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距新方法，并建立了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)，其對(duì)衛(wèi)星的測(cè)距精度優(yōu)于1cm，相比常規(guī)的S波段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)測(cè)距精度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)[5]，該系統(tǒng)雙向時(shí)間同步的準(zhǔn)確度優(yōu)于1ns，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距方法在測(cè)距過(guò)程中必須準(zhǔn)確扣除電離層、對(duì)流層、Sagnac效應(yīng)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面站設(shè)備時(shí)延等因素的影響，其中設(shè)備時(shí)延與溫度變化密切相關(guān)[6-7]。本文主要通過(guò)原子鐘、擴(kuò)頻通信調(diào)制解調(diào)器（Modem）、甚小口徑終端（VSAT）和室外氣象數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，測(cè)定轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)設(shè)備時(shí)延和設(shè)備所處環(huán)境的溫度變化的關(guān)系。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，擬合歸算出設(shè)備時(shí)延和溫度的關(guān)系，從而可望提高轉(zhuǎn)發(fā)式系統(tǒng)衛(wèi)星測(cè)距的精度。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距原理

1.1 測(cè)距原理

轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測(cè)距觀測(cè)方法的原理是利用衛(wèi)星地面站的原子鐘產(chǎn)生的高精度時(shí)間信號(hào)，經(jīng)調(diào)制產(chǎn)生不同偽碼的時(shí)間信號(hào)，同時(shí)向同一顆衛(wèi)星以相同的載頻發(fā)射偽碼擴(kuò)頻信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)向各衛(wèi)星地面站，因此，每個(gè)地面站在同一個(gè)頻點(diǎn)上可接收到所有臺(tái)站發(fā)送的時(shí)間信號(hào)，每個(gè)地面站接收機(jī)測(cè)定信號(hào)時(shí)延，最終各地面站到衛(wèi)星間的距離可被確定。圖1是轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距網(wǎng)示意圖，不同信號(hào)的組合，形成不同模式的轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測(cè)距觀測(cè)方法：各臺(tái)站接收自己臺(tái)站發(fā)射的信號(hào)，這種信號(hào)組合形成了自發(fā)自收轉(zhuǎn)發(fā)器式測(cè)距觀測(cè)方法；各臺(tái)站均接收同一臺(tái)站發(fā)射的信號(hào)，這種組合形成了一發(fā)多收轉(zhuǎn)發(fā)器式測(cè)距觀測(cè)方法；多站發(fā)多站接收信號(hào)，這種組合形成多發(fā)多收轉(zhuǎn)發(fā)器式測(cè)距觀測(cè)方法。本文主要研究自發(fā)自收模式下地面設(shè)備時(shí)延中的溫度效應(yīng)。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距網(wǎng)示意圖

1.2 觀測(cè)方程

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距自發(fā)自收模式下觀測(cè)到信號(hào)傳播時(shí)延后，由式（1）可得到衛(wèi)星與地面站之間的偽距為

＝（×）/2。 （1）

式（1）中，為真空中光速。在上述得到的信號(hào)傳播時(shí)延中，它不僅包含了衛(wèi)星到地面站傳播所需的真距時(shí)延，還包括了電離層、對(duì)流層、Sagnac效應(yīng)和設(shè)備時(shí)延等附加時(shí)延。因此，必須從實(shí)測(cè)值中準(zhǔn)確扣除這些附加時(shí)延，才能實(shí)現(xiàn)真正的衛(wèi)星測(cè)距，具體觀測(cè)方程如下：

這些影響中，電離層影響可以通過(guò)常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突螂p頻求解技術(shù)予以消除或減弱，對(duì)流層也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)消除或減弱[8]，Sagnac效應(yīng)在自發(fā)自收模式下可以忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延難以從觀測(cè)方程中分離出來(lái)，可以在衛(wèi)星軌道計(jì)算過(guò)程中作為未知參數(shù)來(lái)解算[4]；而地面站設(shè)備時(shí)延可以通過(guò)準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量得到，這將在第2節(jié)中進(jìn)行討論。

2 地面設(shè)備時(shí)延與溫度的測(cè)定

轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距地面站設(shè)備時(shí)延包括4部分：Modem發(fā)射通道時(shí)延、VSAT發(fā)射通道時(shí)延、VSAT接收通道時(shí)延和Modem接收通道時(shí)延。轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距地面設(shè)備信號(hào)流如圖2所示，原子鐘信號(hào)為時(shí)延測(cè)定輔助信號(hào)。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距地面設(shè)備信號(hào)流框圖

為測(cè)量地面設(shè)備時(shí)延，可以先分別測(cè)量各硬件單元的獨(dú)立時(shí)延，然后將各部分時(shí)延相加，也可以直接測(cè)量整個(gè)地面設(shè)備發(fā)射和接收通道的總時(shí)延。分別測(cè)量的方法有利于分析各單元模塊的性能，但步驟復(fù)雜，準(zhǔn)確度較低；用整體測(cè)量的方法可以直接測(cè)得轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距過(guò)程中所需扣除的全部地面設(shè)備時(shí)延，操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，但不利于分析各設(shè)備模塊的性能。

分別測(cè)量一般可以使用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀和示波器等進(jìn)行[7]。但在轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距設(shè)備中，Modem本身具有信號(hào)傳播時(shí)延測(cè)定、顯示與數(shù)據(jù)采集功能，測(cè)量Modem發(fā)射通道時(shí)延與接收通道時(shí)延時(shí)，可以利用一臺(tái)獨(dú)立于轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距設(shè)備并已知發(fā)射通道時(shí)延與接收通道時(shí)延的Modem輔助測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距設(shè)備中待測(cè)Modem的發(fā)射通道時(shí)延和接收通道時(shí)延，如圖3（a）和（b）所示的兩次測(cè)量得到的時(shí)延分別減去輔助Modem的已知發(fā)射時(shí)延或接收時(shí)延，就可以得到轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距設(shè)備中待測(cè)Modem的發(fā)射通道時(shí)延或接收通道時(shí)延。測(cè)量時(shí)將待測(cè)設(shè)備置于溫度變化的環(huán)境中，輔助測(cè)量設(shè)備置于恒溫環(huán)境中。VSAT發(fā)射通道與接收通道時(shí)延可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀或示波器等進(jìn)行測(cè)定。

圖3 Modem發(fā)射與接收通道時(shí)延測(cè)量框圖

整體測(cè)量的方法是將原子鐘時(shí)間信號(hào)由調(diào)制解調(diào)器發(fā)射通道調(diào)制發(fā)射，然后輸出至VSAT天線(xiàn)系統(tǒng)發(fā)射通道發(fā)射，并直接由VSAT天線(xiàn)系統(tǒng)接收通道接收，VSAT天線(xiàn)系統(tǒng)將接收到的信號(hào)送給調(diào)制解調(diào)器的接收通道，最后信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器接收通道解調(diào)便可測(cè)得地面站整體設(shè)備的時(shí)延，如圖2所示，這樣測(cè)得的設(shè)備時(shí)延不再包括電離層、對(duì)流層等其他方面的影響。

溫度的測(cè)定比較簡(jiǎn)單，在地面設(shè)備附近安裝一臺(tái)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備并由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)其溫度數(shù)據(jù)直接進(jìn)行采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

下面給出轉(zhuǎn)發(fā)式測(cè)距系統(tǒng)核心設(shè)備調(diào)制解調(diào)器（SATRE#）在2012年1月一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)射通道（TX）與接收通道（RX）時(shí)延分別隨溫度的變化關(guān)系，每3 min采集一次時(shí)延與溫度數(shù)據(jù)，如圖4和5所示，橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)表示時(shí)延變化。該次測(cè)量利用兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器發(fā)射和接收通道通過(guò)電纜直接對(duì)接得到測(cè)量結(jié)果，如圖3（a）和（b）所示，測(cè)量過(guò)程中將待測(cè)調(diào)制解調(diào)器置于溫度變化的環(huán)境中，將輔助測(cè)量調(diào)制解調(diào)器和電纜置于恒溫環(huán)境中。由圖4和5可以看出，該臺(tái)調(diào)制解調(diào)器（SATRE#）的發(fā)射通道溫度系數(shù)約為-53 ps/℃，接收通道溫度變化系數(shù)約為110 ps/℃，（TX+RX）的溫度系數(shù)約為57 ps/℃。圖6和7分別為2005年6月6~19日整體測(cè)量法測(cè)量的兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)式地面站的發(fā)射通道與接收通道時(shí)延和隨溫度的變化，實(shí)驗(yàn)中每1 h分別取一次設(shè)備時(shí)延與溫度數(shù)據(jù)的平均值，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，左邊縱坐標(biāo)表示時(shí)延，右邊縱坐標(biāo)表示溫度。從這兩幅圖中，可以明顯地看出，設(shè)備時(shí)延與溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，設(shè)備時(shí)延的變化隨溫度變化也顯現(xiàn)出周日變化的特征，但各站不同的設(shè)備，對(duì)溫度的依賴(lài)關(guān)系強(qiáng)弱不同。對(duì)兩個(gè)站的時(shí)延與溫度曲線(xiàn)做了擬合，擬合統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：一個(gè)站時(shí)延溫度系數(shù)大約為44 ps/℃，另一個(gè)站時(shí)延溫度系數(shù)大約為11 ps/℃，如圖8和9所示。從圖4至圖9可以看出，硬件設(shè)備時(shí)延基本與溫度的變化呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。在衛(wèi)星地面站安裝過(guò)程中，地面站設(shè)備應(yīng)該盡可能多地置于室內(nèi)可以控制的恒溫環(huán)境中，以便減小或避免溫度變化對(duì)其時(shí)延的影響。

圖4 SATRE#發(fā)射通道時(shí)延隨溫度的變化

圖5 SATRE#接收通道時(shí)延隨溫度的變化

圖6 地面A站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和與溫度隨時(shí)間的變化

圖7 地面B站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和與溫度隨時(shí)間的變化

圖8 地面A站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和隨溫度的變化

圖9 地面B站發(fā)射通道與接收通道時(shí)延總和隨溫度的變化

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)是高精度的衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)。在測(cè)距過(guò)程中包含了多方面的附加時(shí)延誤差影響，準(zhǔn)確消除或減弱這些誤差影響，才能最大程度地得到準(zhǔn)確的星地距離。地面設(shè)備時(shí)延誤差是轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測(cè)距過(guò)程中的一項(xiàng)重要誤差源，而該項(xiàng)與溫度的變化有著強(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系。地面設(shè)備時(shí)延可以采用分別測(cè)量和整體測(cè)量這兩種方法來(lái)測(cè)定。前者便于單個(gè)硬件單元時(shí)延測(cè)定與性能分析，后者用于地面設(shè)備時(shí)延的整體準(zhǔn)確扣除與性能分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明：在自然溫度條件下，無(wú)論是單個(gè)硬件單元時(shí)延，還是整體地面設(shè)備時(shí)延，它們與溫度之間基本都呈現(xiàn)線(xiàn)性變化關(guān)系。消除、減弱或避免溫度變化對(duì)設(shè)備時(shí)延的影響不僅對(duì)衛(wèi)星測(cè)距，而且對(duì)時(shí)頻及衛(wèi)星導(dǎo)航等其他領(lǐng)域也具有重要的意義。

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The effect of temperature on transfer ranging equipment delay

WU Wen-jun1,2,3, LI Zhi-gang1,2, LI Xiao-hui1,2, YANG Xu-hai1,2,CHEN Liang1,2, GONG Jian-jun1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

For realizing satellite ranging with high-precision, the relationship between equipments delay and environmental temperature for satellite ranging earth-station was determined. The transmitting time delay and receiving time delay of the modem were measured by using the modem with known time delays. The time delay of whole equipments for the earth-station was measured by using the transfer ranging equipments of the earth-station. The temperature parameter was collected by using meteorographs. The relationship between the equipments delay and the temperature was studied based on the measurements. The statistic analyses indicate that the equipment delay changes linearly with the natural temperature. The influence of temperature on the equipments time-delay couldn′t be ignored for high-precision satellite-ranging.

transfer ranging; time delay; temperature

P228.41

A

1674-0637(2013)02-0113-07

2012-02-08

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（11033004）；中國(guó)科學(xué)院研究生科技創(chuàng)新類(lèi)資助項(xiàng)目；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃西部博士資助項(xiàng)目（Y001YR5601）

武文俊，男，博士，助理研究員，主要從事衛(wèi)星測(cè)定軌與時(shí)間同步研究。