大氣擾動對深空通信天線組陣性能的影響

朱慶林 孫方 王紅光 田耀佳 劉琨 張利軍

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

大氣擾動對深空通信天線組陣性能的影響

朱慶林 孫方 王紅光 田耀佳 劉琨 張利軍

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

大氣結構常數;大氣擾動;對流層延遲;精密單點定位;深空通信;天線組陣;相位誤差

引 言

隨著深空甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)探測技術的發展,深空任務中向更遠行星探測的需求越來越迫切,任務要求傳輸的探測數據量也越來越大,用于深空探測的頻段已從S、X頻段全面升級到Ka頻段[1]．與此同時,遠距離、高頻段的系統指標導致信號傳輸路徑損失極大,這就要求地面站采用大口徑拋物面天線,盡量增加接收面積以提高信噪比,然而天線口徑越大/波束越窄,探測器下行信號的捕獲越難．美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)深空網的70 m口徑大天線已達目前的工程極限,要進行深空更遠距離的探測必須采用天線組陣技術．天線組陣是指在一定地域范圍內多個天線組成陣列,將各天線接收到的同一信源的信號合成,提高接收信噪比[2]．在各天線噪聲不相關的條件下,理論上N個天線組陣接收信號的信噪比是單個天線的N倍．若用體積小、重量輕、波束寬的中小口徑天線組陣,則對信號捕獲跟蹤更為有利．另外,在能力擴展、可靠性、靈活性、多目標通信和成本等方面,天線組陣比單個大天線的優勢更加明顯[3]．

組陣信號的合成主要考慮信號相位,而影響信號相位的最顯著因素是地球對流層底部大氣擾動導致的水蒸汽波動．通過長期的測量誤差源統計分析,NASA等科研機構普遍認為:由擾動造成的大氣隨機噪聲將會成為VLBI深空測控通信系統中最大的相位誤差源之一．表1給出了美國NASA深空網天線陣在Ka頻段的相位誤差精度分配指標[4-6].

表1 NASA測控站誤差源精度分配指標

1 PPP解算對流層天頂延遲

20世紀70年代初,Anderle利用衛星多普勒觀測值確定單站的位置,首次引入PPP的概念．隨著幾十年的技術發展,90年代GNSS國際地球動力學服務局(International GNSS Service,IGS)成立,并向全球播發高精度的精密衛星軌道和鐘差產品,此后還發展成等級不同的事后、快速和預報三種星歷以及相應的精密衛星鐘差產品,為精密單點定位提供了解決思路．隨后,美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的研究人員Zumberge等提出利用IGS提供的精密星歷,同時用一個GPS跟蹤站網的數據確定5 s間隔的衛星鐘差,基于單點定位方程估計出對流層參數、接收機鐘差和測站坐標的精密單點定位研究思路,確定了利用非差相位觀測值進行精密單點定位的可行性．

傳統的精密單點定位一般通過GPS實現,近十幾年來,隨著我國北斗導航衛星系統BDS工作突飛猛進的發展與逐步完善,也使其具備了PPP技術實現的可能．IGS產品中的對流層天頂延遲是基于JPL開發的GIPSY軟件的解算結果,其被公認為目前精度最高的GNSS單點定位軟件之一．田耀佳、朱慶林[9-12]等人利用自研模型軟件進行了基于北斗系統的天頂延遲解算．圖1給出了分別利用BDS和GPS系統解算的西沙站天頂延遲隨時間的變化．

圖1 西沙站基于BDS和GPS解算的天頂延遲

由圖1可以看出,基于北斗系統的精密單點定位方法估計的天頂延遲精度與基于GPS系統的解算精度相當,整體趨勢基本保持一致,大小也基本在同一范圍內．BDS的建立將會為整個亞洲太平洋地區提供更大量的觀測值,確保對現有的GNSS氣象學有重大的推進．

GNSS信號穿過大氣層進入地面,經過了整個的對流層,“攜帶”了大量的對流層信息,因此GNSS精密單點定位除了可以進行精確定位之外,還能用于探測對流層信息,其方法是利用非差觀測方程,將對流層延遲看作未知數進行求解:

(1)

式中:P和φ分別為碼偽距和相偽距觀測值;ρ為衛星至接收機的幾何距離;c為真空中的光速; dt為接收機鐘差; dT為衛星鐘差;Ttrop為對流層延遲;Tiono為電離層延遲;Tmult為多路徑延遲;εP和εφ分別為碼觀測值和相位觀測值的測量噪聲;N為衛星和接收機之間的整周模糊度;λ為載波信號波長．圖2給出了PPP估計對流層天頂延遲的工作流程．

圖2 PPP估計對流層天頂延遲框圖

2 大氣結構常數估計

發生擾動時,我們可以將大氣折射率寫成以下形式:

由表4可知，第一次浮選精煤平均灰分14.70%，精礦加清水稀釋后再浮選，浮選精煤灰分降低到8.68%，最終精煤產率34.54%。二次浮選工藝可燃體回收率57.26%，煤泥在二次浮選工藝下的可浮性為難浮。考慮到工業生產時一次浮選精礦的稀釋水為循環水，以及高灰細泥的影響，一般情況下，二次浮選精煤灰分比一次浮選精煤灰分低2%～3%，可達10.5%左右。

(2)

(3)

根據經典的Kolmogorov-Obukhov“2/3”擾動理論和隨機場理論,用來描述不同位置ri、rj上的空間大氣折射的結構函數定義為[8]

Dn(δr) =〈[δn(ri)-δn(rj)]2〉

(4)

n(z',t0+t)]2〉+〈[n(z,t0+t)-

n(z',t0)]2〉-〈[n(z,t0)-

n(z',t0)]2〉-〈[n(z,t0+t)-

z')2+v2t2]1/3-|z-

(5)

式中:t0代表統計平均的起始時刻;τ為統計時間段;H為擾動大氣的有效高度,一般取H=2 km．

(6)

3 大氣隨機相位誤差

在大氣擾動作用下,深空天線陣元間的大氣相位差φatm是隨機變量,會直接導致天線陣實際的合成增益低于理想值．根據天線陣元間干涉相位結構函數與大氣結構常數之間的關系,與時間相關的相位結構函數可以寫成[13]

=〈|ΔS(t)-ΔS(t+Δt)|2〉．

(7)

(8)

式中:v‖為平行于基線的平均風速;k為波數;H為擾動層的有效特性高度,一般取2 km;β為Kolmogorov能量定律常數,一般取5/3．則對流層大氣隨機相位誤差的統計平均值可以用下式計算:

(9)

式中:d為基線距離;

(10)

(11)

(12)

式中:T為特性時間,可由干涉儀基線距離與水平風速求解; Γ為伽馬函數．隨著深空通信頻率的升高,大氣隨機相位誤差的起伏程度會成倍增加,使得在惡劣大氣環境下工作的天線組陣通信性能很不穩定．以NASA深空網的X頻段為例,惡劣環境下的大氣隨機相位誤差可達近50°,引入的合成增益損失將高達3 dB[14-16]．圖3給出了天線陣合成增益損失與擾動大氣造成的相位誤差關系曲線,這里誤差指均方根誤差．

圖3 天線陣合成增益損失與相位誤差關系曲線

4 計算結果分析

IGS產品中的對流層天頂延遲是基于JPL開發的GIPSY軟件的解算結果,其被公認為目前精度最高的GNSS單點定位軟件之一．圖4～7中的大氣天頂延遲利用項目組自主研發的軟件生成．自研軟件與IGS提供的GIPSY軟件解算的對流層產品之間的偏差、標準偏差及均方根誤差均在毫米量級,解算精度與GIPSY解算對流層的精度相當．自研軟件采用的是IGS發布的事后15 min間隔的精密軌道產品和30 s間隔的精密鐘差產品．

表2給出利用圖4～7中的大氣延遲標準偏差統計估算出的不同深空站在典型月份中一天內的大氣結構常數值．

圖4 北京24 h內大氣延遲變化量

圖5 上海24 h內大氣延遲變化量

圖6 昆明24 h內大氣延遲變化量

圖7 烏魯木齊24 h內大氣延遲變化量

統計時間北京上海昆明烏魯木齊2011.01.151.6×10-151.2×10-147.8×10-151.6×10-152011.04.153×10-141.2×10-132.9×10-141×10-142011.07.158×10-142.8×10-142.2×10-141.9×10-142011.10.151.8×10-144.5×10-142.5×10-149.3×10-15

表3 X/Ka頻段的大氣相位誤差 (°)

由統計結果可知:大氣結構常數越大,天線陣的大氣相位誤差越大,精度越低; 尤其是在Ka頻段,上海4月和北京7月的相位誤差均達到50°以上．由圖3可知,這個量級的誤差對于高頻段天線陣通信系統來說,其增益損失是非常巨大的,會嚴重影響地面站與深空探測器之間的大容量通信．因此,長期統計深空站當地的大氣擾動參數,準確評估大氣擾動對天線陣通信系統工作性能的影響,可以有效地減輕、規避惡劣天氣對系統造成的相位誤差,使系統發揮更佳的通信性能．

5 結 論

作為目前深空通信天線陣系統中最大的誤差源之一,對流層大氣擾動隨機相位誤差已成為科研人員無法回避和容忍的影響因素．為了能夠準確實時地反映不同深空站在不同時刻的大氣擾動特性,通過利用單站GNSS接收機進行PPP解算天頂延遲,基于對流層天頂延遲與大氣折射率的時變相關性獲得了大氣結構常數Cn,并統計了我國四個深空站典型月份一天24 h內的擾動特性和大氣相位誤差．統計結果表明,除了北京、烏魯木齊在1月份的大氣誤差相對較小外,各站其他時間的大氣擾動對深空站天線組陣高頻段通信的影響都較為嚴重,尤其是上海的春季和北京的夏季．因此非常需要對我國不同區域、不同時間段的對流層大氣擾動特性進行準確的量化統計,為我國向更遠行星執行深空通信任務提供有效的環境信息服務保障．

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Impact of atmospheric turbulence on the antenna array for deep space communication

ZHU Qinglin SUN Fang WANG Hongguang TIAN Yaojia LIU Kun ZHANG Lijun

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

atmospheric structure constant; atmospheric turbulence; troposphere delay; PPP; Deep space communications; antenna arraying; phase error

10.13443/j.cjors.2016090801

2016-09-08

國家自然科學基金(41305024)

TN011.3

A

1005-0388(2016)06-1067-07

朱慶林 (1981-),男,河南人,博士,中國電波傳播研究所高級工程師,主要從事大氣遙感、GNSS技術以及環境監測等工作．

孫方 (1982-),女,山東人,中國電波傳播研究所高級工程師,主要從事電波傳播、電波折射修正等方面的工作．

王紅光 (1980-),男,河南人,博士,中國電波傳播研究所高級工程師,主要從事對流層電波傳播計算、大氣波導、海雜波特性分析等方面的工作．

朱慶林, 孫方, 王紅光, 等. 大氣擾動對深空通信天線組陣性能的影響[J]. 電波科學學報,2016,31(6):1067-1073.

ZHU Q L, SUN F, WANG H G, et al. Impact of atmospheric turbulence on the antenna array for deep space communication[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1067-1073.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016090801

聯系人： 朱慶林 E-mail: 185730117@qq.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016090801