張志華，秦順友

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量方法

張志華，秦順友

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

相位中心是衛(wèi)星導(dǎo)航天線最重要的性能指標(biāo)之一，相位中心測(cè)量精度直接影響全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。簡(jiǎn)述了天線相位中心的基本概念，系統(tǒng)總結(jié)了衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的傳統(tǒng)測(cè)量方法，即微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)法和基線測(cè)量法，簡(jiǎn)述了測(cè)量方法和程序，重點(diǎn)闡述了在微波暗室內(nèi)由實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)相位方向圖確定天線相位中心的方法。對(duì)導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量方法進(jìn)行了比較和分析，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。為衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量提供了參考。

衛(wèi)星導(dǎo)航天線；天線相位中心；相位中心測(cè)量

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的應(yīng)用不僅日益廣泛，而且導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度要求越來越高[1]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般由衛(wèi)星、地面站和用戶終端組成[2]，衛(wèi)星通過測(cè)量載波信號(hào)星地之間的傳輸時(shí)延進(jìn)行測(cè)距解算，而時(shí)延校準(zhǔn)參考點(diǎn)是導(dǎo)航天線相位中心，因此測(cè)量導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量精度直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距的解算精度[3]。通常情況下，人們把衛(wèi)星導(dǎo)航天線的機(jī)械中心作為天線的相位中心，實(shí)際上由于機(jī)械加工和安裝誤差等因素的影響，使天線的相位中心與機(jī)械中心存在偏差，因此精確測(cè)量導(dǎo)航天線的相位中心是非常重要的[4]。

目前，確定天線相位中心的方法有理論仿真計(jì)算法和測(cè)量方法[5]。天線相位中心測(cè)量的方法又可細(xì)分為：遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法、近場(chǎng)測(cè)量法和緊縮場(chǎng)測(cè)量法，但在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，常采用基線測(cè)量法和微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)法確定衛(wèi)星導(dǎo)航天線的相位中心[6]。本文對(duì)這2種測(cè)量方法的原理進(jìn)行論述，重點(diǎn)研究了實(shí)測(cè)相位方向圖確定相位中心的方法，分析了該方法測(cè)試中需要注意的事項(xiàng)以使得測(cè)試更加精確。

1 天線相位中心

天線相位中心定義為天線輻射電磁波的輻射源中心(即等效源點(diǎn))；或描述為天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的等相位面與通過天線的平面相交曲線的曲率中心[5]。

如果天線輻射的電磁波是一個(gè)球面波，在任意給定頻率下，使天線相位方向圖φ(θ,φ)與θ、φ無關(guān)的坐標(biāo)原點(diǎn),稱為球面波的相位中心，通常就是球心。

任意一個(gè)天線可能有相位中心，亦可能沒有相位中心，即天線輻射的無線電波可能是一個(gè)球面m波[10]，亦可能不是球面波，這完全取決于天線形式。在整個(gè)空間，具有唯一相位中心的天線實(shí)際上是不多的，而絕大多數(shù)天線只在主瓣某一范圍內(nèi)或是以某點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，所關(guān)心天線主波束一部分的角度范圍內(nèi)，天線的相位保持恒定，由此部分等相位面求出的相位中心叫做天線的視在相位中心[11]。天線視在相位中心一般通過實(shí)驗(yàn)的方法確定，即通過測(cè)量天線相位方向圖，如果在測(cè)量角度范圍內(nèi)，測(cè)量的天線相位方向圖近似為一條直線或測(cè)量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心點(diǎn)的一個(gè)最小半徑的球，這個(gè)球的球心稱為天線的視在相位中心。天線在不同切割面上可能有各自的相位中心，如果它們的相位中心不重合，說明天線有相散[12]。天線相位中心定義如圖1所示。圖中，O為天線相位中心，O′為相位中心偏移，φ(θ,φ)為相位方向圖函數(shù)。

圖1 天線相位中心定義示意

2 基線測(cè)量法

基線測(cè)量法就是在室外導(dǎo)航接收機(jī)觀測(cè)場(chǎng)上，采用載波相位觀測(cè)值[7]，通過測(cè)定天線不同方向兩天線間基線向量來測(cè)定天線相位中心偏差的方法[8]?；€測(cè)量法實(shí)際上是一種相對(duì)測(cè)量方法，需要一套經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)參考天線，其相位中心已知，在室外開闊無遮擋的場(chǎng)地上，利用安裝于5～10 m的超短基線上2臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行差分定位，以便盡量消除衛(wèi)星軌道誤差、電離層延遲、對(duì)流層延遲和多徑效應(yīng)等因素的影響[8]。

利用基線測(cè)量法測(cè)定衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位偏差的原理如圖2所示。一般采用旋轉(zhuǎn)天線法測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的水平偏差；用交換天線法測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的垂直偏差。

圖2 基線測(cè)量法確定導(dǎo)航天線相位中心原理

旋轉(zhuǎn)天線法測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心水平偏差的原理方法是：首先按照?qǐng)D2建立測(cè)試系統(tǒng)，要求測(cè)試場(chǎng)為開闊場(chǎng)，把2臺(tái)接收機(jī)安裝在5～10 m的超短基線上，待測(cè)天線幾何中心與基線的一個(gè)端點(diǎn)重合，參考天線相位中心與基線的另一個(gè)端點(diǎn)重合，待測(cè)天線和參考天線精確調(diào)平，方向指向正北，觀測(cè)一個(gè)時(shí)段(一般45～90 min)；然后，將參考天線固定不動(dòng)，待測(cè)天線依次旋轉(zhuǎn)90、180和270，分別觀測(cè)一個(gè)時(shí)段；最后，依據(jù)觀測(cè)結(jié)果，分別解算各時(shí)段基線的向量值，由此確定待測(cè)天線相位中心與其幾何中心的相對(duì)偏差。

交換天線法測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心垂直偏差的原理方法是：首先按照?qǐng)D2所示的原理框圖建立測(cè)試系統(tǒng)，要求測(cè)試場(chǎng)為開闊場(chǎng)，把2臺(tái)接收機(jī)安裝在5～10 m的超短基線上，精確地對(duì)中調(diào)平，天線指向正北，精確地測(cè)量天線的高度，觀測(cè)一個(gè)時(shí)段(一般45～90 min)；然后，將待測(cè)天線和參考天線交換，精確地對(duì)中調(diào)平，天線指向正北，精確地測(cè)量天線的高度，再觀測(cè)一個(gè)時(shí)段(一般45～90 min)；最后，依據(jù)觀測(cè)結(jié)果，分別解算2個(gè)時(shí)段基線的向量值，由此確定待測(cè)天線相位中心垂直偏差。

3 微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法

在微波暗室內(nèi)，衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的測(cè)量是通過測(cè)量天線相位方向圖來實(shí)現(xiàn)的[9]。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心方向圖的原理如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量的原理

圖3中，R為測(cè)試距離，R應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，即R≥2D2/λ(D為待測(cè)天線最大尺寸，λ為工作波長(zhǎng))。圖3中待測(cè)天線安裝在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，且待測(cè)天線相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸可以前后或左右地移動(dòng)，用來測(cè)量待測(cè)天線相位中心的位置；另外待測(cè)天線還可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用于測(cè)量不同切割面的相位方向圖。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線相位方向圖的原理方法是：首先按照?qǐng)D1所示的原理，在微波暗室內(nèi)安裝發(fā)射天線和待測(cè)天線。安裝時(shí)確保待測(cè)天線理論相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心重合[13]，發(fā)射天線和待測(cè)天線等高，軸線重合，待測(cè)天線的口面垂直于地面，發(fā)射天線和待測(cè)天線之間的距離R滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離要求，發(fā)射天線極化與待測(cè)天線極化匹配；系統(tǒng)儀器設(shè)備加電預(yù)熱，使系統(tǒng)儀器設(shè)備工作正常；然后將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀射頻輸出端口與發(fā)射天線聯(lián)接，接收機(jī)端口與待測(cè)天線聯(lián)接，合理設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的狀態(tài)參數(shù)，如測(cè)試頻率、掃描時(shí)間和工作模式等，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行定標(biāo)[14]；最后在關(guān)心的天線主波束范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)天線，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量天線的相位方向圖。

利用實(shí)測(cè)的天線相位方向圖，如何確定天線相位中心的位置呢？如果在測(cè)量角度范圍內(nèi)，測(cè)量的天線相位方向圖近似為一條直線或測(cè)量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心點(diǎn)的一個(gè)最小半徑的球[15]，這個(gè)球的球心稱為天線的視在相位中心。此時(shí)天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與天線相位中心重合，利用機(jī)械的方法就可測(cè)量出天線相位中心的位置[5]。

如果在天線主波束范圍內(nèi)，測(cè)量的相位方向圖特性不是等相位的[16]，依據(jù)天線相位方向圖，將待測(cè)天線前后或左右移動(dòng)一定距離，重復(fù)測(cè)量天線相位方向圖，直到在所測(cè)量的天線主波束范圍內(nèi)，測(cè)出的相位方向圖特性等相位為止，此時(shí)天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸重合[17]。

圖4中虛線表示天線相位中心偏離轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心不同位置時(shí)，測(cè)量天線主波束范圍內(nèi)的相位方向圖。圖4(a)說明天線的相位中心在Y軸上；圖4(b)說明天線的相位中心在X軸上；圖4(c)說明天線的相位中心在第一、第二像限；圖4(d)說明天線的相位中心在第三、第四像限。依據(jù)測(cè)量相位方向圖可快速調(diào)整天線相位中心與測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心重合。

圖4 相位中心偏離轉(zhuǎn)臺(tái)中心不同位置時(shí)的相位方向

4 測(cè)量方法的比較與分析

基線測(cè)量法和微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法的比較如表1所示。

表1 衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)試方法的比較

由表1可知：微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的顯著優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，且不受測(cè)試時(shí)間和測(cè)試環(huán)境的影響，且測(cè)量重復(fù)性和穩(wěn)定性好，特別適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、天線廠家檢測(cè)和相位中心的高精度測(cè)量；缺點(diǎn)是測(cè)試設(shè)備昂貴、測(cè)量成本高?；€測(cè)量法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單方便、測(cè)量成本低等，但由于衛(wèi)星位置時(shí)刻在變化，天氣環(huán)境不可預(yù)測(cè)，所以測(cè)量重復(fù)性和測(cè)試誤差遠(yuǎn)不及微波暗室測(cè)量法。

總之，微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法和基線測(cè)量法的測(cè)量原理不同，各有其特點(diǎn)，可依據(jù)不同需要、測(cè)量的準(zhǔn)確度和測(cè)量條件的不同，選擇合適的測(cè)量方法。

5 結(jié)束語

在高精度GNSS測(cè)量中，導(dǎo)航接收機(jī)天線相位中心是不可忽略的，天線相位中心測(cè)量精度及其變化直接影響GNSS的位置測(cè)量精度。本文系統(tǒng)地總結(jié)了衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心常用的測(cè)量方法，并對(duì)其進(jìn)行了比較分析，為工程技術(shù)人員選擇合適的測(cè)量方法提供指導(dǎo)。文中詳細(xì)闡述了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量導(dǎo)航天線相位方向圖和相位中心的方法，指出了如何由實(shí)測(cè)相位方向圖快速調(diào)整天線相位中心的方法，可用于實(shí)際工程測(cè)量中。

[1] 田少鵬.衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用發(fā)展[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2014,5(2):50-55.

[2] 馬景金,趙金忠,李世寶.中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望[J].地礦測(cè)繪,2013,29(1):44-45.

[3] KUMAR A,SARMA A D,ANSARI E,et al.Improved Phase Center Estimation for GNSS Patch Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(4):1 909-1 915.

[4] LI Lixun,LI Du,LI Baiyu,et al.Phase Centre Performance Evaluation for GNSS Adaptive Array[J].Electronics Letters,2016,52(14):1 259-1 261.

[5] 毛乃宏,俱新德.天線測(cè)量手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1987:117-120.

[6] 張重陽,陳 旭.天線相位中心位置的計(jì)算方法[J].火控雷達(dá)技術(shù),2015,44(2):90-95.

[7] 高玉平.GPS接收機(jī)天線相位中心偏差的檢測(cè)[J].陜西天文臺(tái)臺(tái)刊,2001,24(2):121-126.

[8] GJB 6564-2008.全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)檢定規(guī)程[S].

[9] BEECKMANMP A.Analysis of Phase Errors in Antenna-measurements Applications to Phase-pattern Corrections and Phase-centre determination[J].IEE Proceedings,1985,132(6):391-394.

[10] 張志華,陳 輝,秦順友,等.饋源喇叭相位中心測(cè)量及誤差分析[J].無線電通信技術(shù),2011,37(5):28-30.

[11] 楊社年,王迎節(jié).衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線相位中心的測(cè)量[J].無線電工程,2006,36(5):33-35.

[12] 章日榮,劉 剛.論天線及饋源的相位中心[J].無線電通信技術(shù),1990,16(1):17-21.

[13] 翟清斌,齊維君.GPS天線相位中心變化及測(cè)試[J].測(cè)繪科學(xué),2004,29(2):60-63.

[14] 王鐵生,緱慧娟,趙東保.GPS天線相位中心水平方向偏差的檢測(cè)與校正[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，34(6):73-76.

[15] 尚軍平,傅德民,鄧穎波.天線相位中心的精確測(cè)量方法研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008 ，35(4):673-677.

[16] 李 穎,王志雄,譚 偉.天線相位中心的測(cè)量和校準(zhǔn)方法研究[J].微波學(xué)報(bào)，2012(S3)：135-138.

[17] 唐 璞,李 欣,王 建,等.計(jì)算天線相位中心的移動(dòng)參考點(diǎn)法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20(6):725-728.

[18] 吳春邦,楊文麗,劉 波.導(dǎo)航衛(wèi)星天線相位中心及時(shí)延測(cè)試[J].空間電子技術(shù)，2009(1)：92-96.

Methods of Phase Center Measurement forSatellite Navigation Antenna

ZHANG Zhi-hua,QIN Shun-you

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Phase center is a critical parameter for satellite navigation antennas.The measured accuracy of the antenna phase center has a great impact on the positioning accuracy of the Global Navigation Satellite System(GNSS).This paper briefly introduces the concept of antenna phase center,systemically summaries traditional measurement methods of satellite navigation antenna phase center,including far-field test method in anechoic chamber and baseline measurement method,and describes the corresponding measurement procedure.And the determination of the antenna phase center using the measured far-field phase patterns in anechoic chamber is presented in detail.Comparison and analysis between the measurement methods of navigation antenna phase center are made,and their advantages and disadvantages in application are discussed.The paper provides important reference for satellite navigation antenna phase centre.

satellite navigation antenna;antenna phase centre pattern;phase centre measurement

2017-03-09

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(16960404D)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.11

張志華,秦順友.衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量方法[J].無線電工程,2017,47(6):45-47,60.[ZHANG Zhihua,QIN Shunyou.Methods of Phase Center Measurement for Satellite Navigation Antenna[J].Radio Engineering,2017,47(6):45-47,60.]

TN820

A

1003-3106(2017)06-0045-03

張志華 女，(1982—)，工程師。主要研究方向：微波與天線測(cè)量技術(shù)。

秦順友 男，(1964—)，碩士生導(dǎo)師，研究員。主要研究方向：微波與天線測(cè)量技術(shù)、微弱信號(hào)檢測(cè)、電磁干擾測(cè)量等。