劉一棟，屈戰(zhàn)濤

（西安衛(wèi)星測(cè)控中心，渭南714000）

1 引言

當(dāng)編隊(duì)飛行的三顆衛(wèi)星對(duì)地面同一目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可得到該目標(biāo)三維坐標(biāo)。由于各衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)誤差的引入，對(duì)目標(biāo)定位精度影響較大，為確保測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的高精度定位，需要對(duì)星間時(shí)差進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換來(lái)修正測(cè)量結(jié)果。

測(cè)量星間時(shí)差可以利用衛(wèi)星間鏈路自主進(jìn)行測(cè)量，并以遙測(cè)方式將測(cè)量結(jié)果傳送至地面，也可以在非相干測(cè)量模式下，采用地面設(shè)備在三通道不同波束模式下，在同一時(shí)刻分別測(cè)量三顆星的星地時(shí)差值，相互求差得到星間時(shí)差值。本文重點(diǎn)討論地面測(cè)控設(shè)備測(cè)量星間時(shí)差的方法。

2 測(cè)量原理

星間時(shí)差測(cè)量應(yīng)先完成星地時(shí)差測(cè)量，然后得到星間時(shí)差值。

2.1 星地時(shí)差測(cè)量

副星相對(duì)主星的星間時(shí)差測(cè)量是以地面時(shí)間為基準(zhǔn)，首先測(cè)量每個(gè)星相對(duì)于地面的星地時(shí)差。在擴(kuò)二非相干模式星地時(shí)差測(cè)量公式為：[1]

式中：Δt為星地時(shí)差；τ空間為空間距離時(shí)延；t′2為星上時(shí)間采樣值；t′3為地面時(shí)間采樣值；Φup1為上行偽距信息；Φup2為下行偽距信息；Rpn為上下偽碼標(biāo)稱速率；B為地面站緯度；A為測(cè)量時(shí)刻的跟蹤方位角；E為測(cè)量時(shí)刻的跟蹤俯仰角；Δτeud為測(cè)量設(shè)備通道上、下行時(shí)延差值，C為光速。

在式（1）中，t′2-t′3為下行的星地時(shí)延和星地時(shí)差之和，）為上、下行的單程時(shí)延均值而不是下行時(shí)延差，所以通過(guò)引入上、下行時(shí)延不一致進(jìn)行修正，達(dá)到為真正的下行時(shí)延值。這就是引入測(cè)量通道上下、行時(shí)延不一致的原因。星地時(shí)延和星地時(shí)差之和扣除下行時(shí)延值就為星地時(shí)差。

如為靜態(tài)目標(biāo)，例如星地對(duì)接時(shí)應(yīng)答機(jī)位于塔上，相對(duì)于地面天線沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這時(shí)不需要考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，星地時(shí)差計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

2.2 星間時(shí)差測(cè)量

根據(jù)星地時(shí)差測(cè)量結(jié)果，地面采用同一時(shí)間單元時(shí)，可同時(shí)測(cè)得每顆衛(wèi)星相對(duì)地面的星地時(shí)差Δt，然后做差處理，分別得到副星相對(duì)于主星的時(shí)間單元差值：

其中，Δt主為主星的星地時(shí)差，Δt副為副星的星地時(shí)差。

對(duì)照星地時(shí)差公式（1），除Δτeud外，所有的量都能在實(shí)際跟蹤過(guò)程中測(cè)量得出，Δτeud為測(cè)量通道的上、下行不一致，包括衛(wèi)星和地面上、下行不一致之和。在目前情況下無(wú)論星上或地面都無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得，即無(wú)法準(zhǔn)確得到星地時(shí)差。

但測(cè)量星地時(shí)差的最終目的是測(cè)量星間時(shí)差，星間時(shí)差必須通過(guò)副星相對(duì)地面星地時(shí)差Δt與主星相對(duì)地面星地時(shí)差Δt的差值來(lái)得到，所以只要得到兩個(gè)測(cè)量通道（包括地面和星上）的不一致性就可得到星間時(shí)差。顯然可以采用地面和星上分別標(biāo)校的方法來(lái)完成：[2]

對(duì)于副星1為：

其中Δτeud21為副星（通道2）相對(duì)于主星（通道一）的上、下行時(shí)延的不一致性。經(jīng)推導(dǎo)得：

所以，地面設(shè)備兩通道上下、行時(shí)延差的不一致性（Δτeud地面21）等于地面設(shè)備兩通道時(shí)延零值之差（ΔΣτeud地面21）再扣除兩倍的地面設(shè)備兩通道下行時(shí)延的不一致性（2ΔΣτeud地面下行21）。（對(duì)于副星 2同理）。

所以測(cè)量星間時(shí)差前，地面和星上要完成對(duì)應(yīng)的測(cè)控設(shè)備通道間上、下行不一致性標(biāo)定。

3 地面設(shè)備標(biāo)定

地面通道間Δτeud地面21差值的標(biāo)定采用變頻器方式完成，變頻器放置在標(biāo)校塔上。

3.1 發(fā)一收三

基帶設(shè)備采用不同波束三目標(biāo)，設(shè)置變頻器方式，發(fā)送一路上行信號(hào)，同時(shí)接收三路信號(hào)，得到地面通道2相對(duì)通道1下行時(shí)延的不一致性Δτeud地面下行21。由于上行時(shí)延相同，所以略去上行。推導(dǎo)如下:

其中τ塔距1為設(shè)備1對(duì)塔空間距離時(shí)延，τ塔距2為設(shè)備2對(duì)塔空間距離時(shí)延τ塔變頻為塔變頻器雙程時(shí)延。

3.2 發(fā)三收三

基帶設(shè)備采用不同波束三目標(biāo)方式，設(shè)置變頻器方式，采取發(fā)送三路上行信號(hào)，接收三路下行信號(hào)，得到地面通道間的上、下行時(shí)延和不一致性：

其中τ地面上下2為通道2的距離零值對(duì)應(yīng)的時(shí)延，τ地面上下1為通道1的距離零值對(duì)應(yīng)的時(shí)延。

3.3 計(jì)算地面設(shè)備兩通道上、下行時(shí)延差的不一致性

通過(guò)上式就可得到地面兩個(gè)通道上下行不一致的差值。同時(shí)上式表明，塔距在地面設(shè)備兩通道上、下行時(shí)延差的不一致性計(jì)算過(guò)程中抵消，無(wú)需要知道每個(gè)設(shè)備對(duì)塔的距離。

4 星間時(shí)差測(cè)量

在擴(kuò)二模式下，地面設(shè)備三通道同時(shí)對(duì)各自對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星距離捕獲，其中通道一為主星，通道二、三分別為對(duì)應(yīng)副星2、副星3，依據(jù)公式（1），設(shè)：

三個(gè)通道的ΔT對(duì)應(yīng)三星分別記為ΔT主、ΔT副1、ΔT副2。則依據(jù)公式（3）有

其中 Δτeud11為零，Δτeud21為地面設(shè)備 Δτeud地面21和星上設(shè)備 Δτeud星上21之和，地面 Δτeud地面21通過(guò)上述標(biāo)定得到，ΔT主、ΔT副1通過(guò)跟蹤衛(wèi)星測(cè)量得到，Δτ eud星上21星上作為星上參數(shù)為已知，則就可得到副星1相對(duì)主星的星間時(shí)差值。

5 影響星間時(shí)差測(cè)量精度因素分析

5.1 地面、星上設(shè)備時(shí)間管理單元控制精度

根據(jù)公式（1），需要根據(jù)星上時(shí)間采樣值和地面時(shí)間采樣值進(jìn)行計(jì)算，基帶處理時(shí)間量化單位會(huì)直接引入測(cè)量誤差；星上或地面時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定度也影響測(cè)量精度。

5.2 測(cè)距精度及穩(wěn)定性

通道間上、下行通道間不一致標(biāo)定的精度主要受星上和地面測(cè)距精度及測(cè)距精度的穩(wěn)定性影響。星上、地面距離零值的穩(wěn)定性，也相應(yīng)影響測(cè)量精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析測(cè)量三星星地時(shí)差得到星間時(shí)差的原理，結(jié)合地面設(shè)備的實(shí)際情況提出了可行的標(biāo)定方法，介紹了星間時(shí)差測(cè)量標(biāo)定方法的公式推導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)差測(cè)量提供了理論依據(jù)。 ◇

［1］王忠誠(chéng).《高精度時(shí)差測(cè)量理論》.《電光工程》，2008.

［2］張亞祥.《數(shù)字基帶分析與處理》.電子工業(yè)出版社，2006.