衛星傳送標頻的多譜勒效應

黃志雄

福建省廣播電視傳輸發射中心，福建 泉州 362000

0 引言

中波同步廣播臺為了保證同步效果，要求進入同步網的中波發射機的頻差小于0.015Hz，各臺通常接收各地電視發射臺轉播的中央臺電視信號，根據激勵器的類型，選用電視信號中的行同步、色副載波、插入行1MHz信號作標頻。各地中央電視臺信號的來源，一是通過微波網傳送，二是通過全國聯網的光纖網傳送，三是通過同步衛星傳送。由于衛星攝動的多譜勒效應，同步衛星傳送的標頻和微波或光纖網傳送的標頻相比，存在0.05Hz左右的誤差。如果各同步臺分別采用微波(光纖)和衛星傳送的電視信號校頻。各臺維護人員都以為進入同步狀態，實際上頻差已超過同步廣播的要求，同步狀態名存實亡。同步狀態的消失，使離臺較遠的中間地帶的收聽效果明顯變壞。但離發射臺較近的地方，收聽效果卻沒有變化，因而衛星攝動多譜勒效應對同步廣播的影響，往往不容易引起各轉播臺和管理部門的注意。本文分析了衛星攝動的規律及多譜勒效應所引起的頻差，給出測量該頻差的辦法和實驗數據，提出衛星作標頻源實現同步廣播的具體做法。

1 同步衛星的攝動

從地球上觀察同步軌道衛星，其位置似乎是固定不變的。所以，習慣上把同步衛星稱為靜止衛星。然而，由于地球并非是理想球體，實際形狀近似一個在赤道部分有些鼓脹的扁平旋轉橢圓體，粗看上去像一只梨，而且地球表面的山巒起伏不平，因此地球四周等高度外的引力不是一個常數。此外存在著太陽引力、月球引力、太陽輻射壓力和地球引力梯度的影響，其結果是衛星的定點位置發生漂移，這種漂移稱之為攝動。

在同步軌道上運行的衛星，太陽對它的引力是地球引力的1/37，月球對它的引力是地球引力的1/6800。這些引力作用的結果，使衛星軌道位置矢徑發生微小擺動，另外還有太陽輻射壓力的影響等。這些因素衛星運行的軌道平面產生偏離赤道平面的傾斜，對應星下點投影發生南北方向的周期性漂移。如果站在星下點望去，可以“看到”衛星以24小時為周期，在天空中描繪出一個8字形的軌道(稱為副軌)。它的中心恰好位于正確軌道平面上，每天星下點太陽時的午夜零點和12點，通過這個中心，其他時間半天在北半球，半天在南半球，并且分別在上午6點和下午18點處于南北漂移的兩個頂點。

由于地球自身不是理想球體，在圓形同步軌道中會存在一定的引力梯度。此外，太陽的輻射力也會使軌道圓弧產生一定的偏心率。這兩種外力使衛星的運行速度發生變化，對應的星下點投影發生東西方向的漂移，東西經度方向上的漂移雖然緩慢，平均速度大約為0.8°/年，但卻不斷積累，越漂越遠。為了校正攝動行起的位置偏差，衛星上設有軌道校正系統。通常每隔幾十天就要開動星上離子小火箭，用反沖力進行一次經度方向的校正。直到今天，人們還沒有辦法完全消除同步衛星的攝動，通常根據實際需要和技術上的可能，確定相應的位置，并保持在容限允許范圍內，目前國內外已投入實際運行的C波段衛星，在東西、南北方向上，其位置容限都已達正負0.1°～0.5°以內，而K波段衛星控制在0.1°以內。

由于同步衛星距地面35786km，因而僅僅±0.1°的偏差，就會使衛星產生相對正確位置±74km的位移。這種運動是每天一個周期的南北8字形攝動和幾十天一個周期的東西漂移的疊加，南北方向的攝動速度比東西方向上的漂移速度快得多。

由于靜止衛星并非靜止，它的攝動產生了多譜勒效應，它所傳輸的同步廣播標頻的頻率也隨之產生偏差。這個頻差稱多譜勒頻差。

2 衛星攝動多譜勒頻差的理論分析

無線電波的多譜勒效應表達式為：

多譜勒效應相對頻偏的表達式可由上式導出：

f0：觀測頻率（Hz）；

fs：信號源頻率（Hz）；

V：信號源相對于觀測者的速度（m/s）；

C：光速 3×108m/ s。

衛星攝動的速度：我們國家發射的衛星一晝夜里的漂移基本上是±0.1°，對應于±0.1°衛是偏離正確位置的距離為±74km，如果以勻速直線運動計真，則其速度為3.4m/s，代入式（2），多譜勒相對頻偏為1.1×10-8，已超過同步廣播的容限，況且標頻由上行站傳給星體，再由星體傳給地球站，星體的攝動使上行和下行過程都存在多譜勒頻差，這兩個頻差疊加在一走，表現為下行地球站接收的標頻和上行站所傳標頻的頻差。實際上，衛星攝動時的軌道不是直線，速度也不是均勻的，因而攝動時的最大速度會比3.4m/s高一些，而且不同時間攝動速度不一樣，方向也不一樣。因而，多譜勒頻差是時間的函數。攝動時的瞬時速度決定了頻率偏移值，不同時間的速度差決定了頻率的穩定度。對于兩個衛是地球站來說，由于地理位置不同，相對速度也不一樣，因而多譜勒頻差是地點的函數。也就是說，多譜勒頻差是時間和地點的多元函數，但是同步衛星離地面的髙度為35786km，而實行同步廣播且因場強相近，存在干擾失真區的兩個發射臺之間的距離通常不會大于1000km，即兩個地球站和衛星之間的夾角小于1.6°，他們觀察到的衛星攝動的速度應該是很小的，其多譜勒頻差應當很接近。

3 衛是攝動多譜勒效應的測試

上文對多譜勒頻差進行了理論分析，現給出多譜勒頻差的實測方法測試時考慮的主要問題如下：

1）微波和衛星傳送的標頻頻差究竟有多大？

2）衛星攝動是24小時為周期的8字形運動和東西經上漂移的疊加，前者速度快，后者速度較，多譜勒頻差是否呈現以24小時為周期的變化規律？

3）兩個相距數百公里的同步臺，同時接收衛星傳送的標頻，其頻差是否很接近？

從這幾個問題入手進行測試，下面是測試方法和測試結果：

1）微波和衛星標頻的頻差

用兩路同步激勵器分別同時接收微波和衛星傳送的標頻，然后將輸出的標頻加到示波器的X、Y軸，觀察李沙育圖形翻轉一周的秒數，然后換算出兩機的頻差。

按照上述方法進行5次測量，其頻差分別為0.061、0.055、0.050、0.056、 0.047Hz。從測試結果可以看出，通過微波傳送的標頻和通過衛星傳送的標頻的頻差約為0.05Hz，已超出同步廣播的容限。

2）多譜勒頻差的時間特性

同步激勵器用衛星傳送的標頻進行校頻，每隔2個小時校頻1次并記錄壓控電壓值，15～19日連續五天進行測試，結果如表1。

表1 校頻壓控電壓值(V)

上述測試結果表明，多譜勒頻差呈現24小時為周期的規律，且最大值約在19點左右出現。壓控電壓的變化幅度為100mV，該同步激勵器的壓控特性為0.00022Hz/mV，換算成頻差，頻差最大值為0.022Hz。8時以前未作測試。

3）同步臺間多譜勒頻差

一路同步激勵器接受本臺衛星站收到的中央電視信號的同步。距本臺300km的另一個臺將衛星站接收的中央電視信號通過微波送到本臺，另一路同步激勵器與其同步，將兩臺同步激勵器的標頻信號送到的頻差信號送到示波器看李沙育圖形。多次測試的結果表明，兩個標頻的頻差很小，其最大值僅為0.003Hz。可見，相距300km的兩個轉播臺，所接收的標頻的多譜勒頻差很小。

4 結論

由上述理論分析和測試結果可以得出如下結論：

1）由于衛星攝動產生多譜勒頻差，微波和衛星傳送的標頻頻差已超出同步廣播的容限。因此，同步臺間不能有的用微波接收標頻，有的用衛星接收標頻。

2）各臺同時采用微波或光纖網信號接收標頻是一種可行方案。

3）各同步臺都采用衛星作標頻源，如果采用校頻制而校頻時間不同，也不能實現真正的同步，但用GPS作標頻源實時鎖相、無須校頻，卻也是一種可行方案，而且是一種比較理想的方案。

[1]徐家斌.衛星攝動對地面站天線指向精度的影響.