黃承強(qiáng),楊旭海,3,成 璇,李志剛 ,李偉超 ,曹 芬

(1.中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(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.中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100012)

0 引言

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌方法是我國自主創(chuàng)新的高精度衛(wèi)星測軌技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于中國區(qū)域定位系統(tǒng)和其他C波段轉(zhuǎn)發(fā)測距系統(tǒng)[1-3]。通過該技術(shù)，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心建立了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球同步軌道(Geosynchronous orbit，GEO)衛(wèi)星的精密測定軌，目前該系統(tǒng)已成功支持GEO衛(wèi)星軌道位置保持及快速恢復(fù)、衛(wèi)通公司GEO衛(wèi)星漂移控制、空間信號(hào)精度與性能評(píng)估、國家無線電干擾源探測等多個(gè)重大項(xiàng)目[1]。

對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)，其測軌數(shù)據(jù)中包含地面設(shè)備時(shí)延誤差、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延誤差、對(duì)流層時(shí)延誤差、電離層時(shí)延誤差等多個(gè)測距系統(tǒng)誤差[4-8],這都制約著GEO衛(wèi)星的定軌精度。在衛(wèi)星定軌解算中，通常認(rèn)為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延變化很小，可將其作為待估參數(shù)與軌道參數(shù)一并求解[2];對(duì)流層時(shí)延誤差可使用并址的IGS站解算對(duì)流層天頂延遲，然后通過映射函數(shù)投影至衛(wèi)星方向，得到對(duì)流層延遲進(jìn)行改正;電離層時(shí)延誤差可以使用電離層網(wǎng)格模型進(jìn)行改正[1];剩余的系統(tǒng)誤差中地面設(shè)備時(shí)延是主要誤差源。地面設(shè)備時(shí)延的精確測量是提高轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星定軌精度以及導(dǎo)航定位服務(wù)性能的關(guān)鍵[9-10]。

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌方法是在雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞(Two Way Satellite Time and Frequency Tr-ansfer，TWSTFT)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的，在轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)中，其地面站不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GEO衛(wèi)星的精密測定軌，還可以實(shí)現(xiàn)高精度的衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)功能[11-13]。在TWSTFT系統(tǒng)中，對(duì)于地面設(shè)備時(shí)延，可以通過衛(wèi)星模擬器、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)校準(zhǔn)和移動(dòng)站等方法進(jìn)行測量。衛(wèi)星模擬器法由荷蘭的G.D.Jong最早提出，是一種絕對(duì)時(shí)延測量方法。GPS校準(zhǔn)和移動(dòng)站是一種相對(duì)時(shí)延測量方法，要求用于測量的基準(zhǔn)設(shè)備在搬移前后具有較高的時(shí)延穩(wěn)定性[14-16]。本文在衛(wèi)星模擬器法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量方法，用于測量轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設(shè)備時(shí)延，著重說明了該方法的基本原理和硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在解算衛(wèi)星軌道時(shí)，將測量結(jié)果用于改正地面設(shè)備時(shí)延誤差，以便提高衛(wèi)星定軌精度。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌原理

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌方法的原理是將各地面站原子鐘產(chǎn)生的高精度時(shí)間信號(hào)使用不同的偽碼調(diào)制生成相同載波頻率的偽碼擴(kuò)頻信號(hào),同時(shí)向同一顆衛(wèi)星發(fā)射。經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后下發(fā)至各地面站,每個(gè)地面站接收所有站發(fā)射的時(shí)間信號(hào),測定信號(hào)路徑的時(shí)延,從而確定地面站到衛(wèi)星之間的距離。信號(hào)的不同組合,形成不同模式的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌觀測方法。各站僅接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)自己站發(fā)射的信號(hào),這種信號(hào)組合形成了自發(fā)自收模式觀測方法；各站接收同一站發(fā)射的信號(hào),這種組合形成了一發(fā)多收模式觀測方法；多站發(fā)多站接收各站信號(hào),這種組合形成了多發(fā)多收模式觀測方法[3]。自發(fā)自收模式觀測方法在轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌應(yīng)用上比較成熟，目前也是轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌主用的觀測模式。本文主要研究了自發(fā)自收模式下的轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設(shè)備時(shí)延測量方法。

圖1所示為自發(fā)自收模式的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌原理圖。對(duì)于自發(fā)自收模式下的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌，i站發(fā)射的信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，被i站接收，則信號(hào)傳遞關(guān)系為：

圖1 自發(fā)自收模式的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌原理圖Fig.1 Schematic diagram of satellite orbit observation for transfer ranging system in self-transmit self-receive mode

(1)

2 外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量模型

2.1 外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量原理

圖2所示為外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量原理圖。在圖2中，假設(shè)S1為衛(wèi)星天線相位中心，S2為衛(wèi)星模擬器天線相位中心，A為衛(wèi)星模擬器底端在大天線主發(fā)射面上的投影點(diǎn)，B為地面大天線相位中心，O為大天線三軸交點(diǎn)，M為調(diào)制解調(diào)器。

圖2 外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of outer loop equipment time delay measurement

定義發(fā)射設(shè)備時(shí)延起點(diǎn)為原子鐘產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)到達(dá)調(diào)制解調(diào)器的時(shí)刻，終點(diǎn)為信號(hào)經(jīng)大天線相位中心發(fā)射出去的時(shí)刻，則發(fā)射設(shè)備時(shí)延測量路徑為M-O-B。定義接收設(shè)備時(shí)延起點(diǎn)為大天線相位中心接收到下行信號(hào)的時(shí)刻，終點(diǎn)為調(diào)制解調(diào)器解算出環(huán)路時(shí)延值的時(shí)刻，則接收設(shè)備時(shí)延測量路徑為B-O-M。地面設(shè)備收發(fā)組合時(shí)延測量路徑為M-O-B-B-O-M。

外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量方法可用于測量地面設(shè)備收發(fā)組合時(shí)延，測量原理如下：在地面站大天線主發(fā)射面邊緣裝置一個(gè)衛(wèi)星模擬器，用于模擬遠(yuǎn)距離的衛(wèi)星，與地面站形成環(huán)路。地面站調(diào)制解調(diào)器輸出的70MHz中頻測距信號(hào)經(jīng)上變頻器變頻為6GHz射頻信號(hào)，通過功率放大器放大后經(jīng)由大天線發(fā)出。衛(wèi)星模擬器接收地面大天線發(fā)出的6GHz射頻信號(hào)，并將該信號(hào)與其本振信號(hào)混頻變?yōu)?GHz信號(hào)發(fā)射出去。地面大天線接收衛(wèi)星模擬器發(fā)射的4GHz信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器放大和下變頻器變頻處理后，變?yōu)?0MHz中頻信號(hào)輸入到調(diào)制解調(diào)器中，用于解算環(huán)路時(shí)延[2]。外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量路徑為M-O-B-A-S2-S2-A-B-O-M，外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量值中包含地面設(shè)備收發(fā)組合時(shí)延。星地距離測量原理與外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量原理類似，星地距離測量路徑為M-O-B-A-S1-S1-A-B-O-M。

在進(jìn)行定軌解算時(shí)，為了改正地面設(shè)備時(shí)延誤差，將星地距離測量值扣除外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量值，但是這樣多扣除了衛(wèi)星模擬器天線相位中心點(diǎn)S2到衛(wèi)星模擬器底端在大天線主發(fā)射面上投影點(diǎn)A之間的路徑時(shí)延以及衛(wèi)星模擬器的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。由于點(diǎn)S2到點(diǎn)A的距離是常量，衛(wèi)星模擬器的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延變化很小，將多扣除的部分時(shí)延融合到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延的求解當(dāng)中。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星模擬器是外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量的核心設(shè)備，由天線模塊和變頻模塊組成。天線模塊包括一對(duì)圓極化收發(fā)天線，由振子完成信號(hào)的收發(fā)，由于地面站大天線為線極化，將衛(wèi)星模擬器的天線設(shè)計(jì)成了圓極化以保證大天線轉(zhuǎn)動(dòng)到任意極化角處均能與衛(wèi)星模擬器天線進(jìn)行正常信號(hào)收發(fā)[17]。變頻模塊在收發(fā)天線之間，包括混頻器、衰減器和濾波器，由地面站室內(nèi)設(shè)備模擬轉(zhuǎn)發(fā)器為混頻器提供頻率為2227MHz的本振信號(hào)，低通濾波器用來過濾2227MHz本振信號(hào)，高通濾波器用來過濾6GHz射頻信號(hào)。圖3所示為衛(wèi)星模擬器部件框圖，圖4所示為衛(wèi)星模擬器實(shí)物圖。

圖3 衛(wèi)星模擬器部件框圖Fig.3 Block diagram of satellite simulator components

圖4 衛(wèi)星模擬器實(shí)物圖Fig.4 Picture of satellite simulator

衛(wèi)星模擬器使用的本振信號(hào)頻率為2227MHz，與常用的C波段通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器使用的本振信號(hào)頻率2225MHz相差2MHz。若地面站發(fā)射的上行信號(hào)頻率為6047MHz，則地面站收到的下行信號(hào)中，頻率為3822MHz的信號(hào)為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，頻率為3820MHz的信號(hào)為衛(wèi)星模擬器轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，通過不同的下行信號(hào)頻率區(qū)分星地距離測量和外環(huán)時(shí)延測量。轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)使用的調(diào)制解調(diào)器有1個(gè)發(fā)射通道和3個(gè)接收通道，在進(jìn)行自發(fā)自收模式觀測時(shí)，對(duì)于已精確標(biāo)定3個(gè)接收通道時(shí)延差的調(diào)制解調(diào)器，可以設(shè)置第1個(gè)接收通道收衛(wèi)星信號(hào)，第2個(gè)接收通道收衛(wèi)星模擬器信號(hào)，這樣便可實(shí)現(xiàn)星地距離和外環(huán)設(shè)備時(shí)延的實(shí)時(shí)測量，便于定軌解算時(shí)對(duì)地面設(shè)備時(shí)延誤差進(jìn)行改正。

3 測量結(jié)果及分析

2018年4月29日～31日，使用轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)的西安站、喀什站、三亞站對(duì)亞太7號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)自發(fā)自收觀測。亞太7號(hào)衛(wèi)星為亞太公司的GEO通信衛(wèi)星，載有C頻段和Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，星下點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)76.5°。本次觀測使用亞太7號(hào)衛(wèi)星的C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，地面站大天線上行信號(hào)發(fā)射頻率為6047MHz，調(diào)制解調(diào)器使用的擴(kuò)頻偽碼速率為20MChip/s。

設(shè)置各地面站調(diào)制解調(diào)器第1個(gè)接收通道接收亞太7號(hào)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行星地距離測量，第2個(gè)接收通道接收衛(wèi)星模擬器轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量。圖5～圖7所示分別為各地面站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量結(jié)果。

圖5 西安站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量結(jié)果Fig.5 Results of outer loop equipment time delay measurement of Xi’an station

圖6 喀什站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量結(jié)果Fig.6 Results of outer loop equipment time delay measurement of Kashgar station

圖7 三亞站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量結(jié)果Fig.7 Results of outer loop equipment time delay measurement of Sanya station

表1所示為各地面站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，包括最大值、最小值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 各地面站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of outer loop equipment time delay measurement of each ground station

由圖5～圖7和表1可知，各地面站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量值的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.3ns，測量得到的設(shè)備時(shí)延具有較高的穩(wěn)定性。對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果中的最大值和最小值可以看出，西安站、喀什站外環(huán)設(shè)備時(shí)延的波動(dòng)范圍(最大值減去最小值)比三亞站要大1ns左右，這主要是由環(huán)境溫度變化引起，觀測期間三亞站晝夜溫差在7℃左右，喀什站和西安站晝夜溫差在18℃左右。

衛(wèi)星軌道重疊弧段是評(píng)估衛(wèi)星軌道精度的重要指標(biāo)，在計(jì)算重疊弧段時(shí)，使用1.5d數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌，第二個(gè)軌道在第一個(gè)軌道定軌時(shí)間的基礎(chǔ)上向后滑動(dòng)0.5d進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)2個(gè)軌道中1d重疊的部分進(jìn)行作差比較,統(tǒng)計(jì)軌道差的均方根(Root Mean Square，RMS)值作為該次定軌的軌道精度。圖8所示為衛(wèi)星軌道重疊弧段計(jì)算示意圖。

圖8 重疊弧段計(jì)算示意圖Fig.8 Diagram of overlap arc calculation

進(jìn)行衛(wèi)星重疊弧段的軌道差解算時(shí)，若不扣除地面設(shè)備時(shí)延，每個(gè)地面站就相當(dāng)于加入了幾十米(300ns約90m)的誤差，綜合到衛(wèi)星軌道上就會(huì)偏離幾百米或幾千米，所以必須要進(jìn)行設(shè)備時(shí)延誤差的改正。在計(jì)算亞太7號(hào)衛(wèi)星重疊弧段的軌道差時(shí)，將以上地面站外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量結(jié)果用于改正地面設(shè)備時(shí)延誤差。

表2所示為亞太7號(hào)衛(wèi)星重疊弧段軌道差的RMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別包含徑向、切向、法向和三維方向。

表2 亞太7號(hào)衛(wèi)星重疊弧段軌道差RMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 RMS value statistical result of overlap arc orbit difference of satellite APSTAR-7

由表2可知，改正地面設(shè)備時(shí)延誤差后的亞太7號(hào)衛(wèi)星的重疊弧段軌道差RMS值能夠優(yōu)于2m。但亞太7號(hào)衛(wèi)星在3個(gè)定軌弧段內(nèi)法向軌道差RMS值差異較大，這主要是因?yàn)?月30日12:00(UTC)以后調(diào)制解調(diào)器解調(diào)的衛(wèi)星信號(hào)載噪比較弱，星地距離觀測資料不佳導(dǎo)致。

圖9所示為2018年4月30日 12:00(UTC)～2018年4月31日12:00(UTC)期間亞太7號(hào)衛(wèi)星重疊弧段的軌道差RMS值計(jì)算結(jié)果，其中DR、DT、DN和DP分別指重疊弧段軌道差的徑向、切向、法向和三維方向。

圖9 重疊弧段的軌道差RMS值計(jì)算結(jié)果Fig.9 RMS value calculation result of overlap arc orbit difference

4 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)包含多個(gè)測距系統(tǒng)誤差，地面設(shè)備時(shí)延誤差是其中主要的誤差源，對(duì)其精確測量是提高轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星定軌精度的關(guān)鍵；

2)本文在轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌原理的基礎(chǔ)上，分析了自發(fā)自收模式下外環(huán)設(shè)備時(shí)延測量方法，使用該方法對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設(shè)備時(shí)延進(jìn)行測量，并將設(shè)備時(shí)延測量結(jié)果用于衛(wèi)星定軌解算時(shí)的誤差改正；

3)試驗(yàn)結(jié)果表明：測量得到的設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定度能夠優(yōu)于0.3ns(由標(biāo)準(zhǔn)差衡量)，改正地面設(shè)備時(shí)延誤差后的衛(wèi)星重疊弧段的軌道差RMS值優(yōu)于2m，地面設(shè)備時(shí)延的測量精度較高，對(duì)提高衛(wèi)星定軌精度具有重要作用。同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)式測軌系統(tǒng)為轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航定位提供精密的衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星定軌精度的提高有助于導(dǎo)航定位性能的提升。

在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)地面設(shè)備時(shí)延影響較大，后續(xù)將針對(duì)地面設(shè)備時(shí)延與環(huán)境溫度之間的變化關(guān)系展開研究，采取有效的措施進(jìn)一步減弱或避免環(huán)境溫度變化對(duì)地面設(shè)備時(shí)延的影響，以提高地面設(shè)備時(shí)延的測量精度。