天线时延标定在卫星导航技术中的应用

原 亮,王宏兵,2,刘昌洁

(1.中国人民解放军61081部队,北京100094;2.南开大学,天津300000)

0 引言

卫星导航系统可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时等信息,军事上是现代高科技信息化战争重要保障,在国民经济很多领域都有广泛应用。各主要国家非常重视卫星导航系统的研制和发展,当前世界上主要应用和建设的卫星导航系统主要有GPS、GLONASS、GALILEO和北斗区域卫星导航系统。

卫星导航系统工作过程是地面运行控制系统根据各监测设备对卫星的无线电距离测量结果进行卫星轨道确定和星地钟差计算,然后将相应信息注入给卫星,最后用户设备结合接收到卫星相应信息和测距值进行定位。卫星轨道确定和钟差计算等通过伪距测量后扣除设备时延来实现。卫星导航系统设备包括卫星设备、地面运行控制系统设备和用户设备,这3类设备都使用天线进行信号发射和接收,天线时延准确度直接影响着卫星导航系统的服务精度。

1 卫星导航系统天线时延标定方法

天线可用于信号的发射和接收,天线时延分为天线发射时延和天线接收时延。天线发射时延是指信号在天线馈线输入端口至天线相位中心的传输时间延迟。天线接收时延是指信号在天线相位中心至馈线输出端口的传输时间延迟。

1.1 通常的天线时延测量方法

全向天线的时延可在微波暗室内直接用矢量网络分析仪进行测量,使用一个时延已知的天线测量待测天线时延,或测量2个相同类型待测天线时延和,时延和的一半即是待测天线时延。

卫星、地面运行控制系统除监测站外使用反射面天线,因为尺寸较大无法在微波暗室内进行时延测量。反射面天线时延整体上分为3个部分:馈线时延、馈源网络时延和馈源网络至天线相位中心距离的电波传输时延。对于反射面天线时延测量,通常方法分别测出3部分的时延。

馈线时延可使用矢量网络分析仪直接进行测量。馈源网络时延也可以使用矢量网络分析仪在微波暗室内通过无线方式直接进行测量。

反射面天线馈源网络至天线相位中心时延根据天线机械结构计算得到。单反射面天线馈源网络至天线相位中心的距离为馈源至天线抛物面顶点距离与抛物面深度的和,双反射面天线馈源网络至天线相位中心的距离为馈源至副反射面顶点、副反射面顶点至主反射面顶点、主反射面深度的和。距离除以光速即可得到馈源网络至天线相位中心的时延。

1.2 天线时延标定方法

通常的反射面天线时延测量中,馈源网络时延采用近场方式测试获得、馈源网络至天线相位中心时延通过距离光程计算得到,实际天线是远场条件下工作,使用近场测试结果代表远场是否合理,距离光程计算是否准确,都有待深入分析和验证。

卫星导航系统相比通信系统最大的差别是能够进行无线电距离测量,通过时延测量进行定位和时间同步等,只要将卫星导航系统设备组成收发闭环就相当于一个时延测量仪器,所以可以利用卫星导航系统自身测距能力进行天线时延的测量标定。研制卫星导航系统设备相对应的时延标校设备,比如为地面向卫星注入的发射设备研制小环时延标校设备,平时小环时延标校设备与地面发射设备构成闭环,根据实时测距结果可以监测发射设备时延漂移情况。将此小环时延标校设备放在符合反射面天线远场测试条件的地点,配以全向天线就可以与地面运行控制系统发射设备进行无线闭环测试,根据无线时延测量值和2天线间的距离就可以对天线时延进行标定。

卫星导航系统反射面天线时延标定可采用发射设备与接收设备相同工作频率的方式,也可以采用发射设备与接收设备工作不同频的方式,同频方式天线时延标定原理如图1所示。

首先使用电缆1和电缆2将发射设备和时延标校设备连接构成有线闭环,发射设备和时延标校设备都使用原子钟1,可得到测距值为:

式中,τ发为地面发射设备时延;τ标为标校设备时延;τ缆1、τ缆2分别为电缆1和电缆2的时延。

图1 反射面天线时延标定原理(同频)

然后将全向天线、时延标校设备和原子钟2放在符合反射面天线远场测试条件的地方,与反射面天线、发射设备和原子钟1构成无线测试环路,并使用时间间隔计数器测量原子钟1与原子钟2的钟差,可得测距值为:

式中,τ发为地面发射设备时延;τ反为待标定反射面天线时延;τ测天线为测试用全向天线时延(可在微波暗室内测得);τ标为时延标校设备时延;τ缆3、τ缆4、τ缆5、τ缆6分别为电缆 3、电缆 4、电缆 5、电缆 6的时延;T计数器为时间间隔计数器测得原子钟2与原子钟1间的钟差(原子钟2开门,原子钟1关门);d为反射面天线相位中心至全向天线相位中心的距离;c为电波传输速度3×108m/s。

根据有线和无线测距值可以对反射面天线时延进行标定:

上面标定中发射设备和标校设备频率相同、放在不同位置,2个原子钟相隔距离较远进行钟差测量有一定实现难度。如果不具备上述标定需要条件,可采用发射设备和标校设备不同频、放在同一位置使用标校塔通过上述类似的有线和无线测距进行反射面天线时延标定,发射设备与接收设备不同频方式天线时延标定原理如图2所示。

将发射设备、模拟转发器和时延标校设备通过有线方式连成闭环,模拟转发器实现发射频率至标校设备接收频率的转换,有线闭环测距值为:

式中,τ发为地面发射设备时延;τ标为时延标校设备时延;τ转发器为模拟转发器时延(可用仪器直接测得);τ缆和 τ缆2为电缆1、电缆2的时延。

图2 反射面天线时延标定原理(不同频)

无线测试在满足远场条件的地方建一个标校塔,塔上放模拟转发器用于频率转换,转发器使用接收天线和发射天线都是全向的。发射设备和时延标校设备放在一起使用同一台原子钟,可得无线测距值为:

式中,τ发为地面发射设备时延;τ反为待标定反射面天线时延为测试用全向天线、模拟转发器接收天线、模拟转发器发射天线的时延(可在微波暗室内测得);τ标为时延标校设备时延;τ缆3为电缆 3的时延;d1、d2分别为反射面天线相位中心至模拟转发器接收天线的距离和测试用全向天线至模拟转发器发射天线的距离(可通过激光测得)。

根据有线和无线测距值可以实现反射面天线时延进行标定:

反射面天线接收时延标定与发射时延标定方法相似,这里不再介绍。

3 在卫星导航技术中的应用

天线时延是以其相位中心为起止点的。卫星导航系统中,监测站、用户机全向天线的相位中心在微波暗室内通过相位方向图测量得到。将待测天线架在测试转台上,测量天线的相位方向图,如果相位方向图不是一条直线,调整天线在转台上的位置,测量天线的相位方向图,直至相位方向图近似是一条直线,则转台中心即为天线该方位的相位中心;保持天线在转台上的位置不变,测量其他方位面上的相位方向图,进行归一化处理,得到天线的相位中心校准表。结合天线对卫星指向和相位中心校准表,可知实际使用的天线时延。

卫星导航系统中使用的反射面天线,有一定的方向性,天线相位中心定义为天线口面的几何中心,从天线的结构设计可知。时延测量当前主要采用分段测量的方法,测量结果已使用在卫星导航系统中。新提出的利用卫星导航系统自身测距能力进行天线时延标定的方法,正在进行相应试验。

卫星导航系统中,天线相位中心是天线时延的基准点,天线相位中心变化是天线时延必须要考虑的问题。因为要跟踪卫星,天线的指向是变化的,尤其是跟踪MEO卫星,天线的方位角和俯仰角变化很大,即使是GEO卫星由于太阳摄动等因素地面跟踪天线的方位、俯仰角也是变化的,天线相位中心的位置坐标随之会发生变化,卫星导航系统实际工作中需要同时应用天线时延和对应的相位中心。

卫星导航系统对天线的点位坐标进行测量纳入系统使用,反射面天线的点位坐标通常选择为地面基础几何中心点或支架点(方位俯仰转动中心),转台反射面天线相位中心示意图如图3所示。

图3 转台反射面天线相位中心示意图

4 结束语

简要介绍了卫星导航系统的组成和工作过程,阐述了天线时延测量标定对卫星导航系统的重要性,叙述了通常3个部分测量的天线时延测量方法。结合卫星导航系统自身测距能力提出了2种天线时延标定方法,通常测量方法已应用于卫星导航系统中,新提出的方法正准备进行试验,给出了天线相位中心归算方法,对我国未来卫星导航系统的建设有一定的参考意义。

[1]袁建平,罗建军,岳晓奎,等.卫星导航原理与应用[M].北京:中国宇航出版社,2004:1-40.

[2]刘利生,吴 斌,曹坤梅,等.卫星导航测量差分自校准融合技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3]约翰·克劳斯.天线(第3版)(下册)[M].章文勋,译.北京:电子工业出版社,2005:341-342.