焦仲科，王登峰，劉 玄，任 帥，楊姍姍，鐘興旺

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

地球重力場是地球基礎(chǔ)物理場之一，反映地球物質(zhì)分布與運(yùn)動、地球表層及內(nèi)部密度分布，決定著大地水準(zhǔn)面的起伏和變化，是國家重要的戰(zhàn)略資源，在地球物理學(xué)、大地測量學(xué)、海洋學(xué)和冰川學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究具有重要的價(jià)值及意義[1-5]。

低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤重力測量衛(wèi)星是快速獲取全球中長波重力場數(shù)據(jù)、反演高精度地球重力場模型、測定全球時(shí)變重力場的重要系統(tǒng)，其天基部分是由運(yùn)行在500 km高度近圓軌道、星間距離約200 km左右的兩顆衛(wèi)星組成，搭載微米級微波測距系統(tǒng)、加速度計(jì)、GNSS接收機(jī)等主要載荷，分別完成雙星之間距離變化、非保守力的測量、精密軌道確定及精密定時(shí)。其中，微米級微波測距系統(tǒng)是低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤重力場探測衛(wèi)星的核心載荷，是反演地球重力場的主要數(shù)據(jù)來源，主要任務(wù)是測量兩顆衛(wèi)星之間的距離變化，要求距離變化的測量精度達(dá)微米量級。微米級的測量精度幾近達(dá)微波測量的極限水平，對微波測距系統(tǒng)的要求十分嚴(yán)苛。為滿足微米量級的測量精度，需嚴(yán)格控制并精確測量微米級微波系統(tǒng)的時(shí)延穩(wěn)定性，要求達(dá)幾十微米/攝氏度[6-10]。

文章概述了星載微米級微波測距系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了有源組件時(shí)延穩(wěn)定性測試方案，搭建了測試平臺，對有源組件進(jìn)行時(shí)延穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到微米級微波系統(tǒng)有源組件部分的時(shí)延穩(wěn)定性指標(biāo)，并結(jié)合無源組件的時(shí)延穩(wěn)定性，驗(yàn)證了衛(wèi)星軌道諧波誤差及測距系統(tǒng)測量精度，為高精度測距載荷的研制提供支撐。

1 微米級微波測距系統(tǒng)

微米級微波測距系統(tǒng)組成由兩套測距系統(tǒng)組成，共同建立雙向收發(fā)測量鏈路，實(shí)現(xiàn)距離變化的精密測量，雙星系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 微米級精度的測距系統(tǒng)雙星組成示意圖

除鏈路頻點(diǎn)稍有不同外，A、B系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)等完全一致，單星系統(tǒng)由有源組件、無源組件組成，有源組件包括頻率參考、頻率綜合、收發(fā)通道及信號處理單元、生產(chǎn)射頻信號、中頻信號、信號處理等，無源組件包括收發(fā)天線、波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)組件，實(shí)現(xiàn)射頻信號的發(fā)射及接收，組成及工作原理如圖2所示。

圖2 微米級微波測距系統(tǒng)單星組成及原理示意圖

微米級微波測距系統(tǒng)采用雙單向測量體制，測量原理如圖3所示，系統(tǒng)A和系統(tǒng)B分別向?qū)Ψ桨l(fā)射K單頻微波信號，每個系統(tǒng)連續(xù)記錄接收信號相對于本地參考信號的相位變化，獲得單向相位測量值，再通過雙單向測量體制實(shí)現(xiàn)高精度的相位測量，從而得到星間的距離變化[10-15]。

圖3 基于雙單向測量體制的測量原理示意圖

在指定的標(biāo)稱時(shí)刻t，系統(tǒng)i獲取的單向相位測量值可以表示為

φij(t+Δti)=φi(t+Δti)-φj(t+Δti)+Eij，

i,j=A,B

(1)

式(1)是接收信號相位和本地參考信號相位的差，Δti是衛(wèi)星i實(shí)際采樣時(shí)刻和標(biāo)稱采樣時(shí)刻的差，稱為時(shí)標(biāo)誤差。Eij是測量誤差的和，包括整數(shù)模糊度、電離層誤差以及其他測相誤差。

DOWR體制雙單向相位測量值組合可表示為

(2)

那么DOWR計(jì)算得出的星間距離測量值R(t)≡λΘ(t)，λ=c/(fA+fB)，則

R(t)=ρ(t)+ρerr(t)

(3)

其中，第一項(xiàng)是t時(shí)刻的瞬時(shí)相位中心之間的有偏距離，第二項(xiàng)是系統(tǒng)的測量誤差，要求ρerr(t)小于5 μm。

2 地面測試系統(tǒng)

通過分析，有源組件的時(shí)延穩(wěn)定性直接影響微米級微波測距系統(tǒng)距離變化的測量精度，在系統(tǒng)研制過程中，對時(shí)延穩(wěn)定性的測試進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了滿足試驗(yàn)需求的高穩(wěn)定度、大范圍可控的溫控環(huán)境，振動幅度小于1 μm的隔振環(huán)境，同時(shí)對有線聯(lián)試中的電纜進(jìn)行高穩(wěn)定度的溫度控制，徹底消除外界因素引入微米級微波測距系統(tǒng)中的測距誤差，之后對有源組件進(jìn)行時(shí)延穩(wěn)定性的測試，建立了如圖4所示的地面測試系統(tǒng)。

有源組件的時(shí)延穩(wěn)定性測試系統(tǒng)由可控恒溫恒濕潔凈系統(tǒng)、超高精度復(fù)合隔振平臺、高精度電纜控溫系統(tǒng)、微米級微波測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成，整體組成框圖如圖4所示。將微米級微波測距系統(tǒng)A、B的有源組件放置于超高精度復(fù)合隔振平臺上，之間有隔熱工裝，以免隔振平臺上表面的溫度影響被測產(chǎn)品溫度；2個超高精度復(fù)合隔振平臺分別放置于可控恒溫恒濕潔凈系統(tǒng)的2個恒溫室室內(nèi)，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、桌面電源等放置于實(shí)驗(yàn)室桌面，避免其他熱源、振動等對被測產(chǎn)品產(chǎn)生溫度影響。

圖4 有源組件時(shí)延穩(wěn)定性測試系統(tǒng)示意圖

A、B系統(tǒng)之間通過高精度電纜溫控系統(tǒng)進(jìn)行有線連接且相對靜止，建立有線微波鏈路，通過改變有源組件的溫度，觀測微米級微波測距系統(tǒng)測量值，得到精密測距系統(tǒng)A、B有源組件的時(shí)延穩(wěn)定性指標(biāo)。

可控恒溫恒濕潔凈系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)溫度的大范圍、高穩(wěn)定度控制，溫度控制范圍達(dá)50 ℃，溫度穩(wěn)定性控制精度達(dá)0.1 ℃，通過控制被測系統(tǒng)所處的溫度環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)被測有源組件的溫度變化。

超高精度復(fù)合隔振平臺可實(shí)現(xiàn)良好的隔振效果，臺面的振動優(yōu)于1 μm，因此，可避免被測有源組件受外界振動環(huán)境的影響。

高精度電纜控溫系統(tǒng)通過主動控溫的方式對測距系統(tǒng)之間的射頻電纜進(jìn)行高精度的溫度控制，溫度穩(wěn)定度可達(dá)0.1 ℃，因此可消除射頻電纜引入的測距誤差。

3 時(shí)延穩(wěn)定性測試

有源組件的時(shí)延穩(wěn)定性的測試方法為：建立有線微波鏈路后，對被測產(chǎn)品進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，要求高溫階段、低溫階段保持較長時(shí)間，使測距系統(tǒng)的距離變化測量值穩(wěn)定，即不受溫度的影響；同時(shí)，連續(xù)不間斷采集有偏距離測量值，求得溫度循環(huán)過程中測距系統(tǒng)有偏距離測量值的變化量，基于前期大量試驗(yàn)結(jié)果，有偏距離測量值變化基本呈現(xiàn)線性趨勢，如圖5所示。利用有偏距離測量值的變化量除以對應(yīng)溫度變化量，得到單位溫度下測距系統(tǒng)有偏距離測量值的變化量，即有源設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定性系數(shù)δ，如公式(4)所示。

圖5 溫度變化引起的測距系統(tǒng)有偏距離變化示意圖

(4)

依上述測試方法，對微米級微波測試系統(tǒng)進(jìn)行有源組件的時(shí)延穩(wěn)定性測試，環(huán)境溫度、產(chǎn)品溫度、測距系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 控溫室內(nèi)環(huán)境的溫度

圖7 被測產(chǎn)品的溫度

圖8 微米級微波測距系統(tǒng)測距值(0.2 Hz)

在溫度穩(wěn)定階段，取0.5小時(shí)微米級微波測距系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，距離變化測量精度如圖9～圖10所示。

圖9 環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)的測距值(0.2 Hz)

圖10 環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)的測距值(0.2 Hz)

該次升溫過程中，微米級微波測距系統(tǒng)的距離變化量為523 μm，該變化量除以有源組件溫度變化平均值(27.5 ℃)，分別得到雙星有源組件的時(shí)延穩(wěn)定性系數(shù)DeltaR_K = 19.02 μm/K，單星的時(shí)延穩(wěn)定性系數(shù)是雙星的一半。

4 分析及結(jié)論

結(jié)合雙星天線的時(shí)延系數(shù)約為40 μm/K，雙星波導(dǎo)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延系數(shù)為48 m/K，通過該試驗(yàn)得到的有源設(shè)備時(shí)延穩(wěn)定性系數(shù)，分析微米級微波測距系統(tǒng)的時(shí)延穩(wěn)定性。10個軌道周期的溫度穩(wěn)定段仿真數(shù)據(jù)如圖11，表明了微米級微波測距系統(tǒng)天線喇叭、波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)以及有源設(shè)備的工作環(huán)境溫度，穩(wěn)定度優(yōu)于±0.1 ℃。

圖11 10個軌道周期的溫度穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

在上述的溫度環(huán)境中，引入天線喇叭、波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、有源設(shè)備的時(shí)延穩(wěn)定性系數(shù)，得到因系統(tǒng)時(shí)延穩(wěn)定性引入微米級微波測距系統(tǒng)的距離變化測量誤差結(jié)果，在在時(shí)域范圍內(nèi)為3.746 7 μm，在頻域范圍內(nèi)為1.567 3 μm，分別如圖12、圖13所示。

圖12 微米級微波測距系統(tǒng)的時(shí)延穩(wěn)定性測距測速誤差

圖13 微米級微波測距系統(tǒng)的時(shí)延穩(wěn)定性測距誤差頻域特性

根據(jù)衛(wèi)星軌道分析結(jié)果，衛(wèi)星的軌道諧波誤差主要由時(shí)延穩(wěn)定性引入，即上圖所示的時(shí)延穩(wěn)定性測距誤差優(yōu)于系統(tǒng)要求4 μm，地面驗(yàn)證了微米級微波測距系統(tǒng)距離變化的測量精度優(yōu)于5 μm，為星間精密測量系統(tǒng)的研制提供技術(shù)支撐。