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

(北京衛星導航中心，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

(北京衛星導航中心，北京 100094)

摘要針對衛星發射天線相位中心、衛星接收天線相位中心與衛星質心三者不重合問題，推導了基于衛星姿態的衛星天線相位中心改正計算模型，利用實測數據分析了該改正項對GEO、IGSO和MEO這3類衛星星地無線電雙向時間比對結果的影響。結果表明，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，必須嚴格計算衛星發射與接收天線相位中心相對于衛星質心的改正項。

關鍵詞無線電時間比對；衛星；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

在衛星導航定位系統中，星地無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射天線相位中心到衛星接收天線相位中心之間的偽距觀測量，下行測距值為衛星發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星和測站的天線相位中心的，實際上，衛星接收天線相位中心和衛星發射天線相位中心不重合，這2個天線相位中心與衛星質心也都不重合[1]，而衛星軌道通常是指衛星質心的坐標，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，并且隨著衛星高度角和方位的變化而變化[2]。因此，要實現高精度的星地時間比對，必須嚴格計算衛星發射與接收天線相位中心相對于衛星質心的改正值。

文中推導了基于衛星姿態的衛星天線相位中心改正計算模型，利用實測數據分析了該誤差項對不同類型衛星星地雙向時間比對結果的影響，得出了一些具有實際應用價值的結論。

1衛星天線相位中心改正模型

(1)

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(3)

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(8)

(9)

綜上所述，衛星天線相位中心改正量的計算公式為：

(10)

2衛星天線相位中心偏差影響分析

根據星地無線電雙向時間比對的基本原理[4-6]可以得到：

(11)

3實測數據試驗分析

利用連續3天實測的GEO、IGSO和MEO衛星與北京站的雙向時間比對觀測數據，分析了衛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 評估衛星天線相位中心偏差對星地雙向時間比對結果的影響特性與量級。具體結果如表1、圖1、圖2和圖3所示。

表1　不同類型衛星天線相位中心偏差影響情況

圖1　衛星天線相位中心偏差對GEO衛星的影響

圖2　衛星天線相位中心偏差對IGSO衛星的影響

圖3　衛星天線相位中心偏差對MEO衛星的影響

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

結合星地無線電雙向時間比對基本原理和文中推導的衛星天線相位中心改正計算模型，利用GEO、IGSO和MEO這3類衛星實測數據驗證了衛星天線相位中心改正對不同類型衛星星地雙向時間比對結果的影響值均小于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：衛星導航與無線電時間比對技術方面研究。

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

作者簡介

基金項目：國家高技術研究發展計劃(“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.