衛星導航天線相位中心測量方法

張志華，秦順友

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

衛星導航天線相位中心測量方法

張志華，秦順友

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

相位中心是衛星導航天線最重要的性能指標之一，相位中心測量精度直接影響全球衛星導航系統的定位精度。簡述了天線相位中心的基本概念，系統總結了衛星導航天線相位中心的傳統測量方法，即微波暗室遠場檢測法和基線測量法，簡述了測量方法和程序，重點闡述了在微波暗室內由實測遠場相位方向圖確定天線相位中心的方法。對導航天線相位中心測量方法進行了比較和分析，指出了各自的優缺點和應用場合。為衛星導航天線相位中心測量提供了參考。

衛星導航天線；天線相位中心；相位中心測量

0 引言

隨著衛星導航技術的發展，全球導航衛星系統(GNSS)的應用不僅日益廣泛，而且導航系統的定位精度要求越來越高[1]。衛星導航系統一般由衛星、地面站和用戶終端組成[2]，衛星通過測量載波信號星地之間的傳輸時延進行測距解算，而時延校準參考點是導航天線相位中心，因此測量導航天線相位中心測量精度直接影響導航系統測距的解算精度[3]。通常情況下，人們把衛星導航天線的機械中心作為天線的相位中心，實際上由于機械加工和安裝誤差等因素的影響，使天線的相位中心與機械中心存在偏差，因此精確測量導航天線的相位中心是非常重要的[4]。

目前，確定天線相位中心的方法有理論仿真計算法和測量方法[5]。天線相位中心測量的方法又可細分為：遠場測量法、近場測量法和緊縮場測量法，但在全球衛星導航系統的應用領域，常采用基線測量法和微波暗室遠場法確定衛星導航天線的相位中心[6]。本文對這2種測量方法的原理進行論述，重點研究了實測相位方向圖確定相位中心的方法，分析了該方法測試中需要注意的事項以使得測試更加精確。

1 天線相位中心

天線相位中心定義為天線輻射電磁波的輻射源中心(即等效源點)；或描述為天線遠區輻射場的等相位面與通過天線的平面相交曲線的曲率中心[5]。

如果天線輻射的電磁波是一個球面波，在任意給定頻率下，使天線相位方向圖φ(θ,φ)與θ、φ無關的坐標原點,稱為球面波的相位中心，通常就是球心。

任意一個天線可能有相位中心，亦可能沒有相位中心，即天線輻射的無線電波可能是一個球面m波[10]，亦可能不是球面波，這完全取決于天線形式。在整個空間，具有唯一相位中心的天線實際上是不多的，而絕大多數天線只在主瓣某一范圍內或是以某點為參考點時，所關心天線主波束一部分的角度范圍內，天線的相位保持恒定，由此部分等相位面求出的相位中心叫做天線的視在相位中心[11]。天線視在相位中心一般通過實驗的方法確定，即通過測量天線相位方向圖，如果在測量角度范圍內，測量的天線相位方向圖近似為一條直線或測量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心點的一個最小半徑的球，這個球的球心稱為天線的視在相位中心。天線在不同切割面上可能有各自的相位中心，如果它們的相位中心不重合，說明天線有相散[12]。天線相位中心定義如圖1所示。圖中，O為天線相位中心，O′為相位中心偏移，φ(θ,φ)為相位方向圖函數。

圖1 天線相位中心定義示意

2 基線測量法

基線測量法就是在室外導航接收機觀測場上，采用載波相位觀測值[7]，通過測定天線不同方向兩天線間基線向量來測定天線相位中心偏差的方法[8]。基線測量法實際上是一種相對測量方法，需要一套經過標定的標準參考天線，其相位中心已知，在室外開闊無遮擋的場地上，利用安裝于5～10 m的超短基線上2臺接收機進行差分定位，以便盡量消除衛星軌道誤差、電離層延遲、對流層延遲和多徑效應等因素的影響[8]。

利用基線測量法測定衛星導航天線相位偏差的原理如圖2所示。一般采用旋轉天線法測量衛星導航天線相位中心的水平偏差；用交換天線法測量衛星導航天線相位中心的垂直偏差。

圖2 基線測量法確定導航天線相位中心原理

旋轉天線法測量衛星導航天線相位中心水平偏差的原理方法是：首先按照圖2建立測試系統，要求測試場為開闊場，把2臺接收機安裝在5～10 m的超短基線上，待測天線幾何中心與基線的一個端點重合，參考天線相位中心與基線的另一個端點重合，待測天線和參考天線精確調平，方向指向正北，觀測一個時段(一般45～90 min)；然后，將參考天線固定不動，待測天線依次旋轉90、180和270，分別觀測一個時段；最后，依據觀測結果，分別解算各時段基線的向量值，由此確定待測天線相位中心與其幾何中心的相對偏差。

交換天線法測量衛星導航天線相位中心垂直偏差的原理方法是：首先按照圖2所示的原理框圖建立測試系統，要求測試場為開闊場，把2臺接收機安裝在5～10 m的超短基線上，精確地對中調平，天線指向正北，精確地測量天線的高度，觀測一個時段(一般45～90 min)；然后，將待測天線和參考天線交換，精確地對中調平，天線指向正北，精確地測量天線的高度，再觀測一個時段(一般45～90 min)；最后，依據觀測結果，分別解算2個時段基線的向量值，由此確定待測天線相位中心垂直偏差。

3 微波暗室遠場測量法

在微波暗室內，衛星導航天線相位中心的測量是通過測量天線相位方向圖來實現的[9]。利用矢量網絡分析儀直接測量衛星導航天線相位中心方向圖的原理如圖3所示。

圖3 衛星導航天線相位中心測量的原理

圖3中，R為測試距離，R應滿足遠場測試距離條件，即R≥2D2/λ(D為待測天線最大尺寸，λ為工作波長)。圖3中待測天線安裝在測試轉臺上，且待測天線相對轉臺的方位軸可以前后或左右地移動，用來測量待測天線相位中心的位置；另外待測天線還可繞水平軸轉動，用于測量不同切割面的相位方向圖。

利用矢量網絡分析儀測量天線相位方向圖的原理方法是：首先按照圖1所示的原理，在微波暗室內安裝發射天線和待測天線。安裝時確保待測天線理論相位中心與轉臺的旋轉中心重合[13]，發射天線和待測天線等高，軸線重合，待測天線的口面垂直于地面，發射天線和待測天線之間的距離R滿足遠場測試距離要求，發射天線極化與待測天線極化匹配；系統儀器設備加電預熱，使系統儀器設備工作正常；然后將矢量網絡分析儀射頻輸出端口與發射天線聯接，接收機端口與待測天線聯接，合理設置矢量網絡分析儀的狀態參數，如測試頻率、掃描時間和工作模式等，對矢量網絡分析儀進行定標[14]；最后在關心的天線主波束范圍內轉動待測天線，矢量網絡分析儀實時測量天線的相位方向圖。

利用實測的天線相位方向圖，如何確定天線相位中心的位置呢？如果在測量角度范圍內，測量的天線相位方向圖近似為一條直線或測量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心點的一個最小半徑的球[15]，這個球的球心稱為天線的視在相位中心。此時天線測試轉臺的轉動中心與天線相位中心重合，利用機械的方法就可測量出天線相位中心的位置[5]。

如果在天線主波束范圍內，測量的相位方向圖特性不是等相位的[16]，依據天線相位方向圖，將待測天線前后或左右移動一定距離，重復測量天線相位方向圖，直到在所測量的天線主波束范圍內，測出的相位方向圖特性等相位為止，此時天線的相位中心與轉臺轉軸重合[17]。

圖4中虛線表示天線相位中心偏離轉臺旋轉中心不同位置時，測量天線主波束范圍內的相位方向圖。圖4(a)說明天線的相位中心在Y軸上；圖4(b)說明天線的相位中心在X軸上；圖4(c)說明天線的相位中心在第一、第二像限；圖4(d)說明天線的相位中心在第三、第四像限。依據測量相位方向圖可快速調整天線相位中心與測試轉臺旋轉中心重合。

圖4 相位中心偏離轉臺中心不同位置時的相位方向

4 測量方法的比較與分析

基線測量法和微波暗室遠場測量方法的比較如表1所示。

表1 衛星導航天線相位中心測試方法的比較

由表1可知：微波暗室遠場法測量衛星導航天線相位中心的顯著優點是測量精度高，且不受測試時間和測試環境的影響，且測量重復性和穩定性好，特別適合實驗室測量、天線廠家檢測和相位中心的高精度測量；缺點是測試設備昂貴、測量成本高。基線測量法優點是操作簡單方便、測量成本低等，但由于衛星位置時刻在變化，天氣環境不可預測，所以測量重復性和測試誤差遠不及微波暗室測量法。

總之，微波暗室遠場測量法和基線測量法的測量原理不同，各有其特點，可依據不同需要、測量的準確度和測量條件的不同，選擇合適的測量方法。

5 結束語

在高精度GNSS測量中，導航接收機天線相位中心是不可忽略的，天線相位中心測量精度及其變化直接影響GNSS的位置測量精度。本文系統地總結了衛星導航天線相位中心常用的測量方法，并對其進行了比較分析，為工程技術人員選擇合適的測量方法提供指導。文中詳細闡述了基于矢量網絡分析儀測量導航天線相位方向圖和相位中心的方法，指出了如何由實測相位方向圖快速調整天線相位中心的方法，可用于實際工程測量中。

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Methods of Phase Center Measurement forSatellite Navigation Antenna

ZHANG Zhi-hua,QIN Shun-you

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Phase center is a critical parameter for satellite navigation antennas.The measured accuracy of the antenna phase center has a great impact on the positioning accuracy of the Global Navigation Satellite System(GNSS).This paper briefly introduces the concept of antenna phase center,systemically summaries traditional measurement methods of satellite navigation antenna phase center,including far-field test method in anechoic chamber and baseline measurement method,and describes the corresponding measurement procedure.And the determination of the antenna phase center using the measured far-field phase patterns in anechoic chamber is presented in detail.Comparison and analysis between the measurement methods of navigation antenna phase center are made,and their advantages and disadvantages in application are discussed.The paper provides important reference for satellite navigation antenna phase centre.

satellite navigation antenna;antenna phase centre pattern;phase centre measurement

2017-03-09

河北省應用基礎研究計劃重點基礎研究基金資助項目(16960404D)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.11

張志華,秦順友.衛星導航天線相位中心測量方法[J].無線電工程,2017,47(6):45-47,60.[ZHANG Zhihua,QIN Shunyou.Methods of Phase Center Measurement for Satellite Navigation Antenna[J].Radio Engineering,2017,47(6):45-47,60.]

TN820

A

1003-3106(2017)06-0045-03

張志華 女，(1982—)，工程師。主要研究方向：微波與天線測量技術。

秦順友 男，(1964—)，碩士生導師，研究員。主要研究方向：微波與天線測量技術、微弱信號檢測、電磁干擾測量等。