衛星導航天線相位中心精確測量分析

王蘭貴，于少飛，于衛東，李 勇

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.江蘇省常州外國語學校，江蘇 常州 213000)

0 引言

在進行衛星導航定位和測距時，衛星導航天線相位中心的標定準確度是其測量準確度的重要因素。一般衛星導航天線在出廠時都給出了相位中心位置。天線相位中心的測量方法在不少研究中有所介紹[1-3]，但它們大多由于收發天線距離不夠遠、測試環境的電磁波反射不夠小以及測試轉臺和相位中心標定裝置不夠精確等原因，天線相位中心的測量普遍存在精度低的問題。

影響天線相位中心測量準確度的因素主要有以下幾點：① 要有符合測量條件的測試環境，這個環境要求有足夠的“無限遠距離”和足夠小的電磁波反射；② 要有精確的測試轉臺、相位中心標定裝置；③ 要有性能穩定的測試設備。

本文重點解決天線相位中心精確測量環境的問題，使其既要滿足室內遠場測量條件，又要電磁波反射足夠小，還要有電平幅度和相位均勻性滿足測試要求的靜區。同時，對測試轉臺的精度、多功能性和相位中心的標定裝置提出了特殊要求。

1 天線測量暗室的測量原理

為了實現衛星導航天線的精確測量，發射天線發出的電磁波應以均勻平面波的形式照射被測天線，這樣就要求測試距離為無窮大，但在實際測量時，發射天線到被測天線的距離總是有限的，這樣就會引起測試誤差。為了保證測量數據滿足測量要求，有必要規定一個最小測試距離R。根據測量準確度的要求,可規定在被測天線中心到邊緣入射波應滿足的相位條件，據此來確定最小測試距離，從而確定微波暗室的結構尺寸。

源天線與接收天線的空間位置示意如圖1所示。

圖1 源天線與接收天線的空間位置示意Fig.1 Schematic diagram of the spatial position of the source antenna and the receiving antenna

在微波暗室里測量時，發射天線發出的電波為球面波，由圖1可知測試距離：

(1)

式中，R為發射天線到接收天線之間的距離；D為接收天線最大有效尺寸；Δ為從O點發出的電磁波到達接收天線中心與到達天線邊緣的路程差。

式(1)展開后：

忽略高階量Δ2,則：

(2)

以上計算未考慮發射天線的有效尺寸。在考慮發射天線有效尺寸的情況下，式(2)變為：

(3)

式中，d為發射天線最大有效尺寸。

當D?d(或d?D)時，采用式(2)即可；但當D與d相當時，必須同時考慮2個天線的有效尺寸。

根據計算出的最小測量距離R值，以及環境干擾情況、吸波材料性能等一些條件就可設計出所需要的微波暗室[4-11]。

2 導航暗室設計特點和計算方法

目前，衛星導航測距準確度可達毫米級，包括天線相位中心的標定精度和載波相位的精確測定。以在微波暗室中精確測量衛星導航接收天線的相位中心為例計算微波暗室的結構尺寸。

假定天線相位中心標定準確度為2 mm，北斗使用頻率B3=1 340.13 MHz，λ=c/f=0.223 m=223 mm，2 mm偏差折算為相位差：

要保證此精確度，則式(3)中的Δ應小于λ/110，式(3)變為：

(4)

設D=d=0.3 m,R=14×(0.3+0.3)2/0.223≈22.6 m,根據暗室結構圖2可知：

暗室長度：R暗室=R+5 m+2 m=29.6 m，設計值：R暗室=30 m。

圖2 暗室結構Fig.2 Structure of darkroom

吸波材料的吸波性能與電波入射角有密切關系，垂直入射時最好，吸波性能目前可達40 dB；斜射時性能降低，在45°入射時性能降低6 dB左右；入射角度大于45°后吸收性能惡化程度迅速增加。為了保證暗室的整體性能，保證發射波入射到四周墻壁并反射到被測天線時的入射角不大于60°，對暗室的長、寬、高要統籌考慮。

根據公式計算和設計經驗，結構尺寸一般設計為30 m×20 m×16 m。新建設的暗室應盡可能保證測試精度要求。如果是舊建筑改造成暗室，其結構尺寸可做適當調整，但不能偏差太多，以免影響測量準確度。

一般所說的天線遠場測量條件：

(5)

其實就是令式(2)中的Δ為λ/16 而得出。用式(5)算出的發射天線到被測天線的距離是滿足遠場測量條件的最小距離，而且發射波到達被測天線幾何中心和邊緣的相位差為22.5°。顯然這一距離對于一般工程測量來說是可以的，但對于一些高精度天線，尤其是衛星導航天線相位中心的測量還是遠遠不夠的。

用于衛星導航天線相位中心測量的微波暗室在滿足一般天線測試暗室要求的基礎上，用測量準確度要求來精準設計測量距離，以便使發射電磁波到達被測天線幾何中心和邊緣的相位差滿足測量準確度的要求。

該種用途的微波暗室的主要特點是：

① 有足夠長的測量距離。主要是為了滿足發射電磁波到達被測天線中心和邊緣的相位差要求。

② 對測量轉臺的要求。衛星導航天線相位中心測量轉臺除要求具有水平旋轉軸、俯仰旋轉軸外，還要求具有X,Y,Z三坐標移動裝置。對其轉軸定位準確度和X,Y,Z三個坐標方向移動準確度都有特定的要求。

③ 電磁屏蔽要求。

④ 暗室可以分級。不是所有暗室都必須達到這一要求，國家級檢測中心和特定需要精確標定相位中心的實驗室要按照一級要求，嚴格設計、施工和標定。一般用途實驗室或工廠可根據自身的需要自行設計，以節約成本。

3 測量結果分析

為了精準測量北斗導航天線相位中心及其幅度性能，設計的某一微波暗室尺寸為：30 m×20 m×16 m，測試靜區 0.3 m×0.3 m×0.3 m。收發距離22 mm時的主要性能指標如表1所示。

表1 靜區主要性能指標要求

微波暗室靜區性能測試[12-16]比較復雜，工作量較大。本文僅以靜區中心沿發射波X軸方向的性能為例來介紹。表2給出了頻率f=2 GHz時，某衛星導航天線相位中心精確測量結果。圖3給出了頻率f=2 GHz時所測的靜區中心位置X軸方向的相位均勻性和電平均勻性曲線。從測量結果可以看出，相位中心相位均勻性小于±0.8°，電平均勻性小于±0.5 dB,優于傳統測量方法。

表2 天線相位中心測量結果

(a) 相位均勻性

導航暗室的實景如圖4所示。

圖4 導航暗室實景Fig.4 Photo of a microwave darkroom for satellite navigation antenna

4 結束語

在高精度的衛星導航測量中，導航天線相位中心準確度是不容忽視的重要因素。天線相位中心的測量和標定準確度直接影響衛星導航定位和測距的準確度。微波暗室是保障衛星導航天線相位中心準確測量的基本條件，不但能夠保證全天候的穩定測量，還能實現量值復現，滿足不同測量認證的需要。

影響衛星導航天線相位中心測量和標定精度的因素是多方面的。本文提出了利用微波暗室進行衛星導航天線相位中心測量的思路和方法。實踐證明,該設計思路及計算方法是有效、正確的。這一設計思路是多年測量經驗的總結和歸納，同時也為讀者在建造同樣用途的微波暗室時提供了參考。