轉發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設備時延測量方法

黃承強,楊旭海,3,成 璇,李志剛 ,李偉超 ,曹 芬

(1.中國科學院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600;3.中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 100012)

0 引言

轉發(fā)式衛(wèi)星測軌方法是我國自主創(chuàng)新的高精度衛(wèi)星測軌技術，被廣泛應用于中國區(qū)域定位系統(tǒng)和其他C波段轉發(fā)測距系統(tǒng)[1-3]。通過該技術，中國科學院國家授時中心建立了轉發(fā)式衛(wèi)星測軌系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對地球同步軌道(Geosynchronous orbit，GEO)衛(wèi)星的精密測定軌，目前該系統(tǒng)已成功支持GEO衛(wèi)星軌道位置保持及快速恢復、衛(wèi)通公司GEO衛(wèi)星漂移控制、空間信號精度與性能評估、國家無線電干擾源探測等多個重大項目[1]。

對于轉發(fā)式測軌系統(tǒng)，其測軌數(shù)據(jù)中包含地面設備時延誤差、衛(wèi)星轉發(fā)器時延誤差、對流層時延誤差、電離層時延誤差等多個測距系統(tǒng)誤差[4-8],這都制約著GEO衛(wèi)星的定軌精度。在衛(wèi)星定軌解算中，通常認為衛(wèi)星轉發(fā)器時延變化很小，可將其作為待估參數(shù)與軌道參數(shù)一并求解[2];對流層時延誤差可使用并址的IGS站解算對流層天頂延遲，然后通過映射函數(shù)投影至衛(wèi)星方向，得到對流層延遲進行改正;電離層時延誤差可以使用電離層網(wǎng)格模型進行改正[1];剩余的系統(tǒng)誤差中地面設備時延是主要誤差源。地面設備時延的精確測量是提高轉發(fā)式衛(wèi)星定軌精度以及導航定位服務性能的關鍵[9-10]。

轉發(fā)式衛(wèi)星測軌方法是在雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞(Two Way Satellite Time and Frequency Tr-ansfer，TWSTFT)技術的基礎上提出的，在轉發(fā)式測軌系統(tǒng)中，其地面站不僅可以實現(xiàn)對GEO衛(wèi)星的精密測定軌，還可以實現(xiàn)高精度的衛(wèi)星雙向時間比對功能[11-13]。在TWSTFT系統(tǒng)中，對于地面設備時延，可以通過衛(wèi)星模擬器、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)校準和移動站等方法進行測量。衛(wèi)星模擬器法由荷蘭的G.D.Jong最早提出，是一種絕對時延測量方法。GPS校準和移動站是一種相對時延測量方法，要求用于測量的基準設備在搬移前后具有較高的時延穩(wěn)定性[14-16]。本文在衛(wèi)星模擬器法的基礎上，設計了一種外環(huán)設備時延測量方法，用于測量轉發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設備時延，著重說明了該方法的基本原理和硬件實現(xiàn)，對測量結果進行了統(tǒng)計分析，在解算衛(wèi)星軌道時，將測量結果用于改正地面設備時延誤差，以便提高衛(wèi)星定軌精度。

1 轉發(fā)式衛(wèi)星測軌原理

轉發(fā)式衛(wèi)星測軌方法的原理是將各地面站原子鐘產(chǎn)生的高精度時間信號使用不同的偽碼調制生成相同載波頻率的偽碼擴頻信號,同時向同一顆衛(wèi)星發(fā)射。經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)后下發(fā)至各地面站,每個地面站接收所有站發(fā)射的時間信號,測定信號路徑的時延,從而確定地面站到衛(wèi)星之間的距離。信號的不同組合,形成不同模式的轉發(fā)式衛(wèi)星測軌觀測方法。各站僅接收衛(wèi)星轉發(fā)自己站發(fā)射的信號,這種信號組合形成了自發(fā)自收模式觀測方法；各站接收同一站發(fā)射的信號,這種組合形成了一發(fā)多收模式觀測方法；多站發(fā)多站接收各站信號,這種組合形成了多發(fā)多收模式觀測方法[3]。自發(fā)自收模式觀測方法在轉發(fā)式衛(wèi)星測軌應用上比較成熟，目前也是轉發(fā)式衛(wèi)星測軌主用的觀測模式。本文主要研究了自發(fā)自收模式下的轉發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設備時延測量方法。

圖1所示為自發(fā)自收模式的轉發(fā)式衛(wèi)星測軌原理圖。對于自發(fā)自收模式下的轉發(fā)式衛(wèi)星測軌，i站發(fā)射的信號經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)后，被i站接收，則信號傳遞關系為：

圖1 自發(fā)自收模式的轉發(fā)式衛(wèi)星測軌原理圖Fig.1 Schematic diagram of satellite orbit observation for transfer ranging system in self-transmit self-receive mode

(1)

2 外環(huán)設備時延測量模型

2.1 外環(huán)設備時延測量原理

圖2所示為外環(huán)設備時延測量原理圖。在圖2中，假設S1為衛(wèi)星天線相位中心，S2為衛(wèi)星模擬器天線相位中心，A為衛(wèi)星模擬器底端在大天線主發(fā)射面上的投影點，B為地面大天線相位中心，O為大天線三軸交點，M為調制解調器。

圖2 外環(huán)設備時延測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of outer loop equipment time delay measurement

定義發(fā)射設備時延起點為原子鐘產(chǎn)生的時間信號到達調制解調器的時刻，終點為信號經(jīng)大天線相位中心發(fā)射出去的時刻，則發(fā)射設備時延測量路徑為M-O-B。定義接收設備時延起點為大天線相位中心接收到下行信號的時刻，終點為調制解調器解算出環(huán)路時延值的時刻，則接收設備時延測量路徑為B-O-M。地面設備收發(fā)組合時延測量路徑為M-O-B-B-O-M。

外環(huán)設備時延測量方法可用于測量地面設備收發(fā)組合時延，測量原理如下：在地面站大天線主發(fā)射面邊緣裝置一個衛(wèi)星模擬器，用于模擬遠距離的衛(wèi)星，與地面站形成環(huán)路。地面站調制解調器輸出的70MHz中頻測距信號經(jīng)上變頻器變頻為6GHz射頻信號，通過功率放大器放大后經(jīng)由大天線發(fā)出。衛(wèi)星模擬器接收地面大天線發(fā)出的6GHz射頻信號，并將該信號與其本振信號混頻變?yōu)?GHz信號發(fā)射出去。地面大天線接收衛(wèi)星模擬器發(fā)射的4GHz信號，經(jīng)低噪聲放大器放大和下變頻器變頻處理后，變?yōu)?0MHz中頻信號輸入到調制解調器中，用于解算環(huán)路時延[2]。外環(huán)設備時延測量路徑為M-O-B-A-S2-S2-A-B-O-M，外環(huán)設備時延測量值中包含地面設備收發(fā)組合時延。星地距離測量原理與外環(huán)設備時延測量原理類似，星地距離測量路徑為M-O-B-A-S1-S1-A-B-O-M。

在進行定軌解算時，為了改正地面設備時延誤差，將星地距離測量值扣除外環(huán)設備時延測量值，但是這樣多扣除了衛(wèi)星模擬器天線相位中心點S2到衛(wèi)星模擬器底端在大天線主發(fā)射面上投影點A之間的路徑時延以及衛(wèi)星模擬器的轉發(fā)時延。由于點S2到點A的距離是常量，衛(wèi)星模擬器的轉發(fā)時延變化很小，將多扣除的部分時延融合到衛(wèi)星轉發(fā)器時延的求解當中。

2.2 硬件實現(xiàn)

衛(wèi)星模擬器是外環(huán)設備時延測量的核心設備，由天線模塊和變頻模塊組成。天線模塊包括一對圓極化收發(fā)天線，由振子完成信號的收發(fā)，由于地面站大天線為線極化，將衛(wèi)星模擬器的天線設計成了圓極化以保證大天線轉動到任意極化角處均能與衛(wèi)星模擬器天線進行正常信號收發(fā)[17]。變頻模塊在收發(fā)天線之間，包括混頻器、衰減器和濾波器，由地面站室內(nèi)設備模擬轉發(fā)器為混頻器提供頻率為2227MHz的本振信號，低通濾波器用來過濾2227MHz本振信號，高通濾波器用來過濾6GHz射頻信號。圖3所示為衛(wèi)星模擬器部件框圖，圖4所示為衛(wèi)星模擬器實物圖。

圖3 衛(wèi)星模擬器部件框圖Fig.3 Block diagram of satellite simulator components

圖4 衛(wèi)星模擬器實物圖Fig.4 Picture of satellite simulator

衛(wèi)星模擬器使用的本振信號頻率為2227MHz，與常用的C波段通信衛(wèi)星轉發(fā)器使用的本振信號頻率2225MHz相差2MHz。若地面站發(fā)射的上行信號頻率為6047MHz，則地面站收到的下行信號中，頻率為3822MHz的信號為衛(wèi)星轉發(fā)的信號，頻率為3820MHz的信號為衛(wèi)星模擬器轉發(fā)的信號，通過不同的下行信號頻率區(qū)分星地距離測量和外環(huán)時延測量。轉發(fā)式測軌系統(tǒng)使用的調制解調器有1個發(fā)射通道和3個接收通道，在進行自發(fā)自收模式觀測時，對于已精確標定3個接收通道時延差的調制解調器，可以設置第1個接收通道收衛(wèi)星信號，第2個接收通道收衛(wèi)星模擬器信號，這樣便可實現(xiàn)星地距離和外環(huán)設備時延的實時測量，便于定軌解算時對地面設備時延誤差進行改正。

3 測量結果及分析

2018年4月29日～31日，使用轉發(fā)式測軌系統(tǒng)的西安站、喀什站、三亞站對亞太7號衛(wèi)星進行連續(xù)自發(fā)自收觀測。亞太7號衛(wèi)星為亞太公司的GEO通信衛(wèi)星，載有C頻段和Ku頻段轉發(fā)器，星下點經(jīng)度為東經(jīng)76.5°。本次觀測使用亞太7號衛(wèi)星的C頻段轉發(fā)器，地面站大天線上行信號發(fā)射頻率為6047MHz，調制解調器使用的擴頻偽碼速率為20MChip/s。

設置各地面站調制解調器第1個接收通道接收亞太7號衛(wèi)星轉發(fā)的信號進行星地距離測量，第2個接收通道接收衛(wèi)星模擬器轉發(fā)的信號進行外環(huán)設備時延測量。圖5～圖7所示分別為各地面站外環(huán)設備時延測量結果。

圖5 西安站外環(huán)設備時延測量結果Fig.5 Results of outer loop equipment time delay measurement of Xi’an station

圖6 喀什站外環(huán)設備時延測量結果Fig.6 Results of outer loop equipment time delay measurement of Kashgar station

圖7 三亞站外環(huán)設備時延測量結果Fig.7 Results of outer loop equipment time delay measurement of Sanya station

表1所示為各地面站外環(huán)設備時延測量值的統(tǒng)計結果，包括最大值、最小值、平均值以及標準差。

表1 各地面站外環(huán)設備時延測量值統(tǒng)計結果Tab.1 Statistical results of outer loop equipment time delay measurement of each ground station

由圖5～圖7和表1可知，各地面站外環(huán)設備時延測量值的標準差均小于0.3ns，測量得到的設備時延具有較高的穩(wěn)定性。對比統(tǒng)計結果中的最大值和最小值可以看出，西安站、喀什站外環(huán)設備時延的波動范圍(最大值減去最小值)比三亞站要大1ns左右，這主要是由環(huán)境溫度變化引起，觀測期間三亞站晝夜溫差在7℃左右，喀什站和西安站晝夜溫差在18℃左右。

衛(wèi)星軌道重疊弧段是評估衛(wèi)星軌道精度的重要指標，在計算重疊弧段時，使用1.5d數(shù)據(jù)進行定軌，第二個軌道在第一個軌道定軌時間的基礎上向后滑動0.5d進行計算，然后對2個軌道中1d重疊的部分進行作差比較,統(tǒng)計軌道差的均方根(Root Mean Square，RMS)值作為該次定軌的軌道精度。圖8所示為衛(wèi)星軌道重疊弧段計算示意圖。

圖8 重疊弧段計算示意圖Fig.8 Diagram of overlap arc calculation

進行衛(wèi)星重疊弧段的軌道差解算時，若不扣除地面設備時延，每個地面站就相當于加入了幾十米(300ns約90m)的誤差，綜合到衛(wèi)星軌道上就會偏離幾百米或幾千米，所以必須要進行設備時延誤差的改正。在計算亞太7號衛(wèi)星重疊弧段的軌道差時，將以上地面站外環(huán)設備時延測量結果用于改正地面設備時延誤差。

表2所示為亞太7號衛(wèi)星重疊弧段軌道差的RMS值統(tǒng)計結果，分別包含徑向、切向、法向和三維方向。

表2 亞太7號衛(wèi)星重疊弧段軌道差RMS值統(tǒng)計結果Tab.2 RMS value statistical result of overlap arc orbit difference of satellite APSTAR-7

由表2可知，改正地面設備時延誤差后的亞太7號衛(wèi)星的重疊弧段軌道差RMS值能夠優(yōu)于2m。但亞太7號衛(wèi)星在3個定軌弧段內(nèi)法向軌道差RMS值差異較大，這主要是因為4月30日12:00(UTC)以后調制解調器解調的衛(wèi)星信號載噪比較弱，星地距離觀測資料不佳導致。

圖9所示為2018年4月30日 12:00(UTC)～2018年4月31日12:00(UTC)期間亞太7號衛(wèi)星重疊弧段的軌道差RMS值計算結果，其中DR、DT、DN和DP分別指重疊弧段軌道差的徑向、切向、法向和三維方向。

圖9 重疊弧段的軌道差RMS值計算結果Fig.9 RMS value calculation result of overlap arc orbit difference

4 結論

1)轉發(fā)式測軌系統(tǒng)包含多個測距系統(tǒng)誤差，地面設備時延誤差是其中主要的誤差源，對其精確測量是提高轉發(fā)式衛(wèi)星定軌精度的關鍵；

2)本文在轉發(fā)式衛(wèi)星測軌原理的基礎上，分析了自發(fā)自收模式下外環(huán)設備時延測量方法，使用該方法對轉發(fā)式測軌系統(tǒng)地面設備時延進行測量，并將設備時延測量結果用于衛(wèi)星定軌解算時的誤差改正；

3)試驗結果表明：測量得到的設備時延穩(wěn)定度能夠優(yōu)于0.3ns(由標準差衡量)，改正地面設備時延誤差后的衛(wèi)星重疊弧段的軌道差RMS值優(yōu)于2m，地面設備時延的測量精度較高，對提高衛(wèi)星定軌精度具有重要作用。同時，轉發(fā)式測軌系統(tǒng)為轉發(fā)式導航定位提供精密的衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星定軌精度的提高有助于導航定位性能的提升。

在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)溫度變化對地面設備時延影響較大，后續(xù)將針對地面設備時延與環(huán)境溫度之間的變化關系展開研究，采取有效的措施進一步減弱或避免環(huán)境溫度變化對地面設備時延的影響，以提高地面設備時延的測量精度。