劉魁星，齊 昕，馮曉超，尹繼凱

(1.北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，衛(wèi)星和地面設施之間的時間同步性能對用戶定位精度有決定性的影響[1-2]。導航系統(tǒng)通過衛(wèi)星和地面站進行星地時間同步完成衛(wèi)星和地面站之間的時鐘同步，衛(wèi)星鐘差參數(shù)通過地面設備上行注入給衛(wèi)星后廣播給用戶，實現(xiàn)衛(wèi)星鐘差的預報。星地時間同步系統(tǒng)中多采用桁架式、轉(zhuǎn)臺式等反射面天線實現(xiàn)。近年來，數(shù)字多波束天線廣泛應用于衛(wèi)星導航、航天測控等領域[3-5]。數(shù)字多波束天線在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)波束形成和調(diào)制解調(diào)處理，能夠同時產(chǎn)生多個工作波束，波束轉(zhuǎn)換快、靈活性強，可以實現(xiàn)同時與多顆導航衛(wèi)星進行星地時間同步[6]。由于其具備傳統(tǒng)的桁架式、轉(zhuǎn)臺式等反射面天線所不具備的優(yōu)點：多個波束同時工作，使數(shù)字多波束天線在衛(wèi)星導航星座的星地時間同步領域中得到應用。

數(shù)字多波束天線陣列規(guī)模較大，系統(tǒng)指標測試也區(qū)別于反射面天線。在其測試驗收評估時，提出了不同于傳統(tǒng)天線的測試方法，但該測試方法有一定局限性，只能在微波暗室或者地形平坦的自由空間條件下進行測試[6-7]。數(shù)字多波束天線在測試安裝完畢后，所在場區(qū)一般不具備復測條件，數(shù)字多波束天線的相位中心有無發(fā)生變化、各波束性能是否一致等無法驗證，這些問題會直接導致應用數(shù)字多波束天線的星地時間同步系統(tǒng)性能惡化。數(shù)字多波束天線作為一個新興設備，其天線陣元等設備故障更換或者檢修后，其整體技術(shù)狀態(tài)是否變化，是否影響星地時間同步性能，目前還沒有全面統(tǒng)一的性能驗證評估方法。

本文針對應用于星地時間同步領域的數(shù)字多波束天線系統(tǒng)在安裝使用和系統(tǒng)維護中遇到的性能評估問題，結(jié)合數(shù)字多波束天線在星地時間同步應用時的特點，分別對波束的一致性和波束的星地時間同步性能做出評估，建立了星地時間同步系統(tǒng)性能評估方法。最后利用該方法對一種大型數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的星地時間同步性能進行了評估，掌握了該數(shù)字多波束天線的星地時間同步性能。

1 數(shù)字多波束天線系統(tǒng)星地時間同步工作原理

1.1 星地時間同步基本原理

星地時間同步通常采用星地雙向時間頻率傳遞法，精度可達納秒級，是國際上公認的精度較高的時間頻率傳遞方法之一[8-9]。其基本原理是：衛(wèi)星與地面站分別按各自時序發(fā)送擴頻信號，地面站在本地鐘面時t0時刻觀測到衛(wèi)星下行信號，偽距為ρs(t0)；衛(wèi)星S在本地鐘面時t1時刻觀測到地面上行信號，偽距為ρe(t1)，該偽距值通過通信鏈路回傳給地面站，地面站通過本地接收的衛(wèi)星下行偽距ρs(t0)和回傳的ρe(t1)可以得到衛(wèi)星與地面之間的鐘差Δt：

ρs(t0)=ρse+c(Δt+Δtse+ΔTse),

(1)

ρe(t1)=ρes+c(-Δt+Δtes+ΔTes)，

(2)

式中，ρse,ρes分別為信號發(fā)射時刻，其真實星地距離；c為光速；Δtse,Δtes分別為衛(wèi)星發(fā)地面收與衛(wèi)星收地面發(fā)的地球自轉(zhuǎn)、電離層等造成的時延；ΔTse,ΔTes分別為衛(wèi)星發(fā)地面收與衛(wèi)星收地面發(fā)的設備時延。

由以上公式可以得出：

(3)

根據(jù)計算的鐘差結(jié)果對衛(wèi)星鐘進行調(diào)整或者播發(fā)星地鐘差參數(shù)，從而實現(xiàn)星地時間同步。

從公式可以看出，不同的星地時間同步系統(tǒng)在電離層、Sagnac效應方面并無太大區(qū)別，誤差相當，不同的星地時間同步系統(tǒng)最大的區(qū)別是設備的時延。設備時延包括兩方面內(nèi)容，一是設備時延起始點的確定，即星地時間同步系統(tǒng)所使用的天線相位中心的確定，只有確定了相位中心，才能得到設備時延；二是星地時間同步系統(tǒng)的設備時延穩(wěn)定性，設備時延若是不穩(wěn)定，不能得到實際的星地鐘差結(jié)果，衛(wèi)星鐘差預報精度也會下降。在實際應用中，計算得到的星地鐘差為：

Δt=a0+a1T+a2T2，

(4)

式中，T為時間變量；a0是星地鐘差常量部分，主要由設備時延決定，可以通過長期數(shù)據(jù)積累或者外部比對等方法確定，a1和a2分別為鐘速和鐘漂，a1和a2的不準確將會降低鐘差的可預測性。導航領域?qū)π堑貢r間同步的評估主要側(cè)重在鐘差參數(shù)的估算。

1.2 數(shù)字多波束天線系統(tǒng)在星地時間同步中的應用

在以往的星地時間同步系統(tǒng)中，普遍采用轉(zhuǎn)臺式拋物面天線，關于其相位中心和設備時延的測試標定研究比較多，是一種比較成熟的解決方案[10-11]。由于轉(zhuǎn)臺式拋物面天線星地時間同步系統(tǒng)同一時間僅可與一顆導航衛(wèi)星完成星地時間同步，若存在多顆導航衛(wèi)星需要星地時間同步時，則一個轉(zhuǎn)臺式拋物面天線星地時間同步系統(tǒng)無法完成。因此，工程中使用數(shù)字多波束天線系統(tǒng)解決多星同時測控管理的問題。數(shù)字多波束天線系統(tǒng)通過在數(shù)字域中實現(xiàn)基帶信號的加權(quán)和移相，完成對多通道的幅度和相位控制，使天線陣列在指定方向上信號能量最大，產(chǎn)生方向可變的波束，而不必使用多個相移器和衰減器對射頻信號進行相移和加權(quán)。采用數(shù)字波束形成的方法實現(xiàn)多個波束的空分多址，即同一時間、同一載頻上只用一副陣列天線形成多個波束。其理論依據(jù)是：射頻信號的疊加等效于基帶信號疊加后再進行射頻變換，所以通過在基帶對多個目標的處理和疊加，經(jīng)過多通道信道變換，就可以在天線陣面形成攜帶不同信息的多個波束?？刂七@些波束的方向，可以使其指向不同的目標，實現(xiàn)多目標的星地時間同步，工作示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字多波束天線系統(tǒng)工作示意Fig.1 Working process of digital multi-beam antenna system

2 星地時間同步性能評估方法

數(shù)字多波束天線的相位中心與時延穩(wěn)定性測試技術(shù)通常是在實驗室條件下或者一定場區(qū)條件下得到，在系統(tǒng)安裝后，所在場區(qū)條件經(jīng)常不滿足復測條件，而且在其后期維護過程中，更換或維修故障陣元等設備后，無法得知其星地時間同步性能的差異。

拋物面天線作為一種成熟設備在時間同步系統(tǒng)中得到廣泛應用，其在相位中心的標定和時延的穩(wěn)定性方面已有成熟技術(shù)保證，因此可以采用比對法，在一定條件下，完成數(shù)字多波束天線系統(tǒng)與拋物面天線在星地時間同步上的性能比對，開展應用于星地時間同步領域的數(shù)字多波束天線系統(tǒng)性能評估。

數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的時間同步性能評估可以分為2個方面：① 其自身產(chǎn)生的多個波束時間同步性能的一致性；② 單個波束的星地時間同步性能。下面分別用不同的方法完成星地時間同步性能評估。

2.1 多波束一致性評估方法

數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的優(yōu)點是可以同時產(chǎn)生多個波束對不同的衛(wèi)星同時進行星地時間同步，但不同波束的星地時間同步結(jié)果應該自洽，即不同的波束對同一顆衛(wèi)星的星地時間同步結(jié)果應該一致，因此需要對其產(chǎn)生的不同波束的時間同步性能進行評估。考慮到該性能僅與數(shù)字多波束天線本身有關，因此可選擇GEO衛(wèi)星S作為星地時間同步參考衛(wèi)星，盡可能避免其他誤差的產(chǎn)生。具體方法為：數(shù)字多波束天線系統(tǒng)多個波束依次跟蹤指定GEO衛(wèi)星，每次跟蹤0.5～1 h，計算以每個波束的跟蹤弧段數(shù)據(jù)為輸入條件的星地鐘差a0，比較每個波束的星地鐘差a0。由于跟蹤時間較短，無法比較a1參數(shù)，可在下步進行。

2.2 單波束星地時間同步性能評估方法

對于單波束的星地時間同步性能評估，著重評估a0和a1參數(shù)，通過長時間可見弧段的星地時間同步結(jié)果比對完成，具體評估步驟如下：

(1)衛(wèi)星接收通道時延差解算

由于衛(wèi)星不同通道之間存在的時延差會對采用不同通道注入的上行觀測值產(chǎn)生差異，因此在進行星地時間同步系統(tǒng)差解算時應首先對衛(wèi)星不同通道一致性進行解算分析。使用轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)，分別跟蹤衛(wèi)星的2個接收通道，解算衛(wèi)星2個接收通道時延差。

(2)星地時間同步結(jié)果比對

數(shù)字多波束天線系統(tǒng)單個波束的星地時間同步性能評估采用比對法，原理如圖2所示。數(shù)字多波束天線系統(tǒng)與其同址的轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)同源，即兩系統(tǒng)不存在時差，而且信號傳輸路徑一致，公共誤差可抵消。兩系統(tǒng)同時跟蹤同一顆衛(wèi)星的不同接收通道，分別解算同一弧段的星地時間同步結(jié)果，并扣除衛(wèi)星接收通道時延差。若沒有同址的轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)，也可采用非同址的轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)作為比對系統(tǒng)，但需要扣除兩地鐘差。

圖2 應用數(shù)字多波束天線的星地時間同步系統(tǒng) 性能評估原理Fig.2 Schematic diagram of performance evaluation of satellite-ground time synchronization system using digitalmulti-beam antenna system

3 評估實例

3.1 多波束一致性評估

某型數(shù)字多波束天線系統(tǒng)聯(lián)試期間，開展多波束一致性評估，6個波束依次分時跟蹤測量某GEO衛(wèi)星，并分別計算每波束的星地鐘差，結(jié)果如圖3所示。從星地鐘差結(jié)果圖看，波束4與其他波束的星地鐘差一致性存在較大差異，相差約45 ns。通過排查分析，發(fā)現(xiàn)波束4的偽碼未與其他波束對齊，導致問題發(fā)生。修改設備參數(shù)后，重新進行波束一致性評估，結(jié)果如圖4所示，從星地鐘差結(jié)果圖看，各波束星地鐘差測量結(jié)果均保持在-9～7 ns，標準差<0.40 ns，波束一致性較好。

綜上所述，數(shù)字多波束天線系統(tǒng)多個波束依次跟蹤參考衛(wèi)星的測試方法可以有效完成多波束天線系統(tǒng)的多波束一致性評估，評估精度達到納秒級，與采用星地雙向時間頻率傳遞法得到的星地時間同步精度在同一量級，證明該方法具備有效評估運行環(huán)境下多波束天線系統(tǒng)多波束一致性的能力，對工程應用具有指導意義。

圖3 修改前波束一致性評估結(jié)果Fig.3 Beam consistency results before modification

圖4 修改后波束一致性評估結(jié)果Fig.4 Beam consistency results after modification

3.2 單波束星地時間同步性能評估

單個波束的星地時間同步性能評估可分為3項：① 單顆衛(wèi)星連續(xù)弧段的星地時間同步結(jié)果性能評估，用于評估數(shù)字多波束天線系統(tǒng)星地時間同步性能準確性；② 單顆衛(wèi)星連續(xù)多個弧段的星地時間同步結(jié)果性能評估，用于評估數(shù)字多波束天線系統(tǒng)星地時間同步性能的穩(wěn)定性；③ 對不同類型衛(wèi)星的星地時間同步結(jié)果性能評估，用于評估數(shù)字多波束天線系統(tǒng)適應不同類型衛(wèi)星的能力。分別按上述場景，數(shù)字多波束天線系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)同時對衛(wèi)星進行星地時間同步。

圖5給出單顆衛(wèi)星連續(xù)弧段星地時間同步性能評估結(jié)果。

(a) A、B天線星地鐘差測量結(jié)果

(b) A、B天線星地鐘差二階擬合結(jié)果圖5 單顆衛(wèi)星連續(xù)弧段星地時間同步性能評估結(jié)果Fig.5 Evaluation results of time synchronization performance of single satellite in continuous arc

結(jié)果分析：數(shù)字多波束天線系統(tǒng)結(jié)果用B曲線表示，轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)用A曲線表示，可以看出，A,B天線測量得到的星地鐘差測量結(jié)果曲線基本一致，通過二階殘差擬合處理，可以看出A,B二階擬合殘差曲線走勢基本重合，相差最大值約為0.5 ns，鐘差測量精度<0.2 ns。可得結(jié)論，以拋物面天線為參照，多波束天線對單顆衛(wèi)星連續(xù)弧段星地時間同步測量性能良好，穩(wěn)定性較高。

圖6給出單顆衛(wèi)星連續(xù)多個弧段星地時間同步性能評估結(jié)果。

(a) 8月3日測量結(jié)果(均值：-8.26 ns，標準差：0.38 ns)

(b) 8月4日測量結(jié)果(均值：-8.58 ns，標準差：0.40 ns)

(c) 8月5日測量結(jié)果(均值：-8.47 ns，標準差：0.34 ns)

(d) 8月6日測量結(jié)果(均值：-8.07 ns，標準差：0.37 ns)

(e) 8月7日測量結(jié)果(均值：-8.13 ns，標準差：0.32 ns)

(f) 8月8日測量結(jié)果(均值：-8.33 ns，標準差：0.35 ns)圖6 連續(xù)多個弧段星地時間同步性能評估結(jié)果Fig.6 Evaluation results of time synchronization performance of continuous multiple arcs

結(jié)果分析：經(jīng)過6天比對分析，可以得出拋物面天線與多波束天線測量鐘差差值穩(wěn)定度在納秒級，差值測量精度<0.40 ns?？傻媒Y(jié)論，以拋物面天線為參照，多波束天線對單顆衛(wèi)星連續(xù)多個弧段星地時間同步測量性能良好，穩(wěn)定性較高。

表1給出不同類型衛(wèi)星的星地時間同步結(jié)果。表中數(shù)字多波束天線系統(tǒng)跟蹤2號通道，轉(zhuǎn)臺式拋物面天線跟蹤1號通道。

表1 不同類型衛(wèi)星的星地時間同步結(jié)果

結(jié)果分析：通過不同類型衛(wèi)星的星地時間同步結(jié)果可知，拋物面天線與多波束天線測量鐘差差值在納秒級，鐘速變化緩慢，對GEO衛(wèi)星鐘速變化情況最優(yōu)，變化量為0.019%，對MEO變化情況最差，變化量為0.164%，拋物面天線鐘差穩(wěn)定度<0.31 ns，多波束天線鐘差穩(wěn)定度<0.45 ns，二者總體差異較小，性能相當，證明多波束天線具備對多類型衛(wèi)星的良好適應能力。

綜上所述，該型數(shù)字多波束天線系統(tǒng)星地時間同步性能與轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)星地時間同步性能相當，穩(wěn)定性較好，可以有效地跟蹤不同類型的衛(wèi)星進行星地時間同步。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合應用于星地時間同步領域的數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的工作特點，提出波束分時同步的方法評估各波束的一致性和利用轉(zhuǎn)臺式拋物面天線系統(tǒng)作為比對設備的數(shù)字多波束天線系統(tǒng)星地時間同步性能評估方法，并對某型數(shù)字多波束天線系統(tǒng)進行了星地時間同步性能的評估。實驗結(jié)果表明，該方法可以有效地評估數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的星地時間同步性能，具備工程可行性，在數(shù)字多波束天線系統(tǒng)安裝或者維修后，可利用該方法快速地對其性能進行檢核和評估。