朱陵鳳，李　超，唐　波，劉　利，郭　睿

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

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相位中心偏差對無線電時間比對的影響分析

朱陵鳳，李超，唐波，劉利，郭睿

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

摘要針對衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心、衛(wèi)星接收天線相位中心與衛(wèi)星質(zhì)心三者不重合問題，推導(dǎo)了基于衛(wèi)星姿態(tài)的衛(wèi)星天線相位中心改正計算模型，利用實測數(shù)據(jù)分析了該改正項對GEO、IGSO和MEO這3類衛(wèi)星星地?zé)o線電雙向時間比對結(jié)果的影響。結(jié)果表明，在納秒量級的無線電時間比對中，該誤差項不需要特別考慮；在高于納秒量級的無線電時間比對中，必須嚴格計算衛(wèi)星發(fā)射與接收天線相位中心相對于衛(wèi)星質(zhì)心的改正項。

關(guān)鍵詞無線電時間比對；衛(wèi)星；天線相位中心；偏差

The Impact of Phase Center Offset on Wireless Time Transfer

ZHU Ling-feng,LI Chao,TANG Bo,LIU Li,GUO Rui

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

AbstractAs the satellite centroid differs from the phase center of satellite transmitting antenna and receiving antenna,this paper deduces a satellite antenna phase center correction model based on satellite attitude.The impact of the model on two-way radio time transfer for GEO,IGSO,MEO satellites is analyzed with actually observed data,the result indicates that the error can be ignored in the case of the accuracy of wireless time transfer at level 1 ns.When the accuracy better than 1 ns,the satellite antenna phase center offsets must be calculated accurately.

Key wordsradio time transfer;satellite;antenna phase center;offset

0引言

在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，星地?zé)o線電雙向時間比對所采用的觀測量是上下行雙向測距值，上行測距值為測站發(fā)射天線相位中心到衛(wèi)星接收天線相位中心之間的偽距觀測量，下行測距值為衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心到測站接收天線相位中心之間的偽距觀測量。也就是說，星地雙向時間比對觀測量是相對于衛(wèi)星和測站的天線相位中心的，實際上，衛(wèi)星接收天線相位中心和衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心不重合，這2個天線相位中心與衛(wèi)星質(zhì)心也都不重合[1]，而衛(wèi)星軌道通常是指衛(wèi)星質(zhì)心的坐標，三者不重合帶來的偏差在星地雙向時間比對過程中不能抵消，并且隨著衛(wèi)星高度角和方位的變化而變化[2]。因此，要實現(xiàn)高精度的星地時間比對，必須嚴格計算衛(wèi)星發(fā)射與接收天線相位中心相對于衛(wèi)星質(zhì)心的改正值。

文中推導(dǎo)了基于衛(wèi)星姿態(tài)的衛(wèi)星天線相位中心改正計算模型，利用實測數(shù)據(jù)分析了該誤差項對不同類型衛(wèi)星星地雙向時間比對結(jié)果的影響，得出了一些具有實際應(yīng)用價值的結(jié)論。

1衛(wèi)星天線相位中心改正模型

(1)

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(4)

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(9)

綜上所述，衛(wèi)星天線相位中心改正量的計算公式為：

(10)

2衛(wèi)星天線相位中心偏差影響分析

根據(jù)星地?zé)o線電雙向時間比對的基本原理[4-6]可以得到：

(11)

3實測數(shù)據(jù)試驗分析

利用連續(xù)3天實測的GEO、IGSO和MEO衛(wèi)星與北京站的雙向時間比對觀測數(shù)據(jù)，分析了衛(wèi)星天線相位中心偏差對星地雙向時間比對的影響。具體方案如下：① 評估衛(wèi)星天線相位中心偏差對下行測距值的影響特性與量級；② 評估衛(wèi)星天線相位中心偏差對上行測距值的影響特性與量級；③ 評估衛(wèi)星天線相位中心偏差對星地雙向時間比對結(jié)果的影響特性與量級。具體結(jié)果如表1、圖1、圖2和圖3所示。

表1　不同類型衛(wèi)星天線相位中心偏差影響情況

圖1　衛(wèi)星天線相位中心偏差對GEO衛(wèi)星的影響

圖2　衛(wèi)星天線相位中心偏差對IGSO衛(wèi)星的影響

圖3　衛(wèi)星天線相位中心偏差對MEO衛(wèi)星的影響

由圖1、圖2和圖3可見：① 衛(wèi)星天線相位中心偏差對GEO衛(wèi)星下行測距影響值在-3.713～-3.705 ns的范圍內(nèi)呈類正弦曲線波動，波動最大幅度為0.008 ns；對GEO衛(wèi)星上行測距影響值在-3.059～-3.045 ns的范圍內(nèi)呈類正弦曲線波動，波動最大幅度為0.014 ns；對GEO衛(wèi)星星地鐘差影響值在-0.330～-0.327 ns的范圍內(nèi)呈類正弦曲線波動，波動最大幅度為0.003 ns。② 衛(wèi)星天線相位中心偏差對IGSO衛(wèi)星下行測距影響值在-4.236～-3.840 ns的范圍內(nèi)呈天周期波動，波動最大幅度為0.396 ns；對IGSO衛(wèi)星上行測距影響值在-4.921～-3.670 ns的范圍內(nèi)呈天周期波動，波動最大幅度為1.251 ns；對IGSO衛(wèi)星星地鐘差影響值在-0.085～0.343 ns的范圍內(nèi)呈天周期波動，波動最大幅度為0.428 ns。③ 衛(wèi)星天線相位中心偏差對MEO衛(wèi)星下行測距影響值在-4.137～-3.321 ns的范圍內(nèi)呈不規(guī)則波動，波動最大幅度為0.816 ns；對MEO衛(wèi)星上行測距影響值在-5.522～-2.333 ns的范圍內(nèi)呈不規(guī)則波動，波動最大幅度為3.189 ns；對MEO衛(wèi)星星地鐘差影響值在-0.494～0.695 ns的范圍內(nèi)呈不規(guī)則波動，波動最大幅度為1.189 ns。④ 3種不同類型衛(wèi)星中，GEO衛(wèi)星受衛(wèi)星天線相位中心偏差影響值波動范圍最小；IGSO衛(wèi)星受其影響值與GEO衛(wèi)星相當(dāng)，但是波動范圍較GEO衛(wèi)星大；MEO衛(wèi)星受衛(wèi)星天線相位中心偏差影響量級最大，影響值波動范圍也最大。

4結(jié)束語

結(jié)合星地?zé)o線電雙向時間比對基本原理和文中推導(dǎo)的衛(wèi)星天線相位中心改正計算模型，利用GEO、IGSO和MEO這3類衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)驗證了衛(wèi)星天線相位中心改正對不同類型衛(wèi)星星地雙向時間比對結(jié)果的影響值均小于1 ns，由此可見，該誤差項對納秒量級的無線電雙向時間比對影響不明顯，但若時間比對精度高于納秒量級，則必須嚴格計算無線電雙向測距中的衛(wèi)星天線相位中心改正項。

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朱陵鳳 女，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航與無線電時間比對技術(shù)方面研究。

李超 男，(1981—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端算法研究。

作者簡介

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122402；2014AA123102)。

收稿日期：2015-12-18

中圖分類號P228.9

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-54-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.15

引用格式：朱陵鳳,李超,唐波,等.相位中心偏差對無線電時間比對的影響分析[J].無線電工程,2016,46(3):54-57.