转发式测距设备时延中的温度效应

武文俊，李志刚，李孝辉，杨旭海，陈亮，弓剑军



转发式测距设备时延中的温度效应

武文俊1,2,3，李志刚1,2，李孝辉1,2，杨旭海1,2，陈亮1,2，弓剑军1,2,3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院研究生院，北京 100039）

为实现高精度卫星测距，测定了转发式卫星测距地面设备时延与环境温度之间的关系。利用已知发射通道和接收通道时延的调制解调器测定了待测调制解调器的接收通道和发射通道时延，使用转发式卫星测距地面设备测定了地面站设备整体时延。由地面气象仪器获得环境温度参数。利用测定的时延和温度数据研究了设备时延与温度之间的变化关系。统计分析表明：在自然温度条件下，设备时延的变化与温度的变化之间基本呈线性关系。对于高精度卫星测距，温度对设备时延的影响不能忽略。

转发式测距；时延；温度

0 引言

卫星双向时间频率传递（TWSTFT）是当前世界上主要的远距离时间比对技术之一[1]。从1999年开始，国际权度局（BIPM）采用该技术来归算协调世界时（UTC）。目前，欧洲、美洲和亚洲的许多国家时频基准实验室都有TWSTFT系统，其准确度达500～750 ps，稳定度可达200 ps[2]。中国科学院国家授时中心（NTSC）在国内首先建立起了卫星双向时间频率传递系统并开展了相关的研究[3-4]，并于2009年与国际TWSTFT中心站德国物理技术研究院（PTB）正式建立了TWSTFT常规比对链路，通过几个月的稳定运行，NTSC—PTB链路被正式用于UTC的归算。

从2003年开始，国家授时中心在TWSTFT的基础上提出了转发式卫星测距新方法，并建立了转发式卫星测距系统，其对卫星的测距精度优于1cm，相比常规的S波段统一测控系统测距精度提高了2个数量级[5]，该系统双向时间同步的准确度优于1ns，达到国内外先进水平。转发式卫星测距方法在测距过程中必须准确扣除电离层、对流层、Sagnac效应、卫星转发器和地面站设备时延等因素的影响，其中设备时延与温度变化密切相关[6-7]。本文主要通过原子钟、扩频通信调制解调器（Modem）、甚小口径终端（VSAT）和室外气象数据采集器等设备，测定转发式卫星测距系统设备时延和设备所处环境的温度变化的关系。通过对测量数据的计算分析，拟合归算出设备时延和温度的关系，从而可望提高转发式系统卫星测距的精度。

1 转发式卫星测距原理

1.1 测距原理

转发器式卫星测距观测方法的原理是利用卫星地面站的原子钟产生的高精度时间信号，经调制产生不同伪码的时间信号，同时向同一颗卫星以相同的载频发射伪码扩频信号，经卫星转发器转向各卫星地面站，因此，每个地面站在同一个频点上可接收到所有台站发送的时间信号，每个地面站接收机测定信号时延，最终各地面站到卫星间的距离可被确定。图1是转发式测距网示意图，不同信号的组合，形成不同模式的转发器式卫星测距观测方法：各台站接收自己台站发射的信号，这种信号组合形成了自发自收转发器式测距观测方法；各台站均接收同一台站发射的信号，这种组合形成了一发多收转发器式测距观测方法；多站发多站接收信号，这种组合形成多发多收转发器式测距观测方法。本文主要研究自发自收模式下地面设备时延中的温度效应。

图1 转发式测距网示意图

1.2 观测方程

转发式卫星测距自发自收模式下观测到信号传播时延后，由式（1）可得到卫星与地面站之间的伪距为

＝（×）/2。 （1）

式（1）中，为真空中光速。在上述得到的信号传播时延中，它不仅包含了卫星到地面站传播所需的真距时延，还包括了电离层、对流层、Sagnac效应和设备时延等附加时延。因此，必须从实测值中准确扣除这些附加时延，才能实现真正的卫星测距，具体观测方程如下：

这些影响中，电离层影响可以通过常用的经验模型或双频求解技术予以消除或减弱，对流层也可以通过经验模型来消除或减弱[8]，Sagnac效应在自发自收模式下可以忽略不计，转发器时延难以从观测方程中分离出来，可以在卫星轨道计算过程中作为未知参数来解算[4]；而地面站设备时延可以通过准实时测量得到，这将在第2节中进行讨论。

2 地面设备时延与温度的测定

转发式测距地面站设备时延包括4部分：Modem发射通道时延、VSAT发射通道时延、VSAT接收通道时延和Modem接收通道时延。转发式测距地面设备信号流如图2所示，原子钟信号为时延测定辅助信号。

图2 转发式测距地面设备信号流框图

为测量地面设备时延，可以先分别测量各硬件单元的独立时延，然后将各部分时延相加，也可以直接测量整个地面设备发射和接收通道的总时延。分别测量的方法有利于分析各单元模块的性能，但步骤复杂，准确度较低；用整体测量的方法可以直接测得转发式测距过程中所需扣除的全部地面设备时延，操作简单，准确度高，但不利于分析各设备模块的性能。

分别测量一般可以使用网络矢量分析仪和示波器等进行[7]。但在转发式测距设备中，Modem本身具有信号传播时延测定、显示与数据采集功能，测量Modem发射通道时延与接收通道时延时，可以利用一台独立于转发式测距设备并已知发射通道时延与接收通道时延的Modem辅助测量转发式测距设备中待测Modem的发射通道时延和接收通道时延，如图3（a）和（b）所示的两次测量得到的时延分别减去辅助Modem的已知发射时延或接收时延，就可以得到转发式测距设备中待测Modem的发射通道时延或接收通道时延。测量时将待测设备置于温度变化的环境中，辅助测量设备置于恒温环境中。VSAT发射通道与接收通道时延可以通过网络矢量分析仪或示波器等进行测定。

图3 Modem发射与接收通道时延测量框图

整体测量的方法是将原子钟时间信号由调制解调器发射通道调制发射，然后输出至VSAT天线系统发射通道发射，并直接由VSAT天线系统接收通道接收，VSAT天线系统将接收到的信号送给调制解调器的接收通道，最后信号经调制解调器接收通道解调便可测得地面站整体设备的时延，如图2所示，这样测得的设备时延不再包括电离层、对流层等其他方面的影响。

温度的测定比较简单，在地面设备附近安装一台气象监测设备并由工业控制计算机对其温度数据直接进行采集。

3 实验结果分析

下面给出转发式测距系统核心设备调制解调器（SATRE#）在2012年1月一次实验中发射通道（TX）与接收通道（RX）时延分别随温度的变化关系，每3 min采集一次时延与温度数据，如图4和5所示，横坐标表示温度，纵坐标表示时延变化。该次测量利用两台调制解调器发射和接收通道通过电缆直接对接得到测量结果，如图3（a）和（b）所示，测量过程中将待测调制解调器置于温度变化的环境中，将辅助测量调制解调器和电缆置于恒温环境中。由图4和5可以看出，该台调制解调器（SATRE#）的发射通道温度系数约为-53 ps/℃，接收通道温度变化系数约为110 ps/℃，（TX+RX）的温度系数约为57 ps/℃。图6和7分别为2005年6月6~19日整体测量法测量的两个转发式地面站的发射通道与接收通道时延和随温度的变化，实验中每1 h分别取一次设备时延与温度数据的平均值，横坐标表示时间，左边纵坐标表示时延，右边纵坐标表示温度。从这两幅图中，可以明显地看出，设备时延与温度具有很强的相关性，设备时延的变化随温度变化也显现出周日变化的特征，但各站不同的设备，对温度的依赖关系强弱不同。对两个站的时延与温度曲线做了拟合，拟合统计结果表明：一个站时延温度系数大约为44 ps/℃，另一个站时延温度系数大约为11 ps/℃，如图8和9所示。从图4至图9可以看出，硬件设备时延基本与温度的变化呈现线性关系。在卫星地面站安装过程中，地面站设备应该尽可能多地置于室内可以控制的恒温环境中，以便减小或避免温度变化对其时延的影响。

图4 SATRE#发射通道时延随温度的变化

图5 SATRE#接收通道时延随温度的变化

图6 地面A站发射通道与接收通道时延总和与温度随时间的变化

图7 地面B站发射通道与接收通道时延总和与温度随时间的变化

图8 地面A站发射通道与接收通道时延总和随温度的变化

图9 地面B站发射通道与接收通道时延总和随温度的变化

4 结语

转发式卫星测距系统是高精度的卫星测距系统。在测距过程中包含了多方面的附加时延误差影响，准确消除或减弱这些误差影响，才能最大程度地得到准确的星地距离。地面设备时延误差是转发式卫星测距过程中的一项重要误差源，而该项与温度的变化有着强烈的依赖关系。地面设备时延可以采用分别测量和整体测量这两种方法来测定。前者便于单个硬件单元时延测定与性能分析，后者用于地面设备时延的整体准确扣除与性能分析。通过实验分析表明：在自然温度条件下，无论是单个硬件单元时延，还是整体地面设备时延，它们与温度之间基本都呈现线性变化关系。消除、减弱或避免温度变化对设备时延的影响不仅对卫星测距，而且对时频及卫星导航等其他领域也具有重要的意义。

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The effect of temperature on transfer ranging equipment delay

WU Wen-jun1,2,3, LI Zhi-gang1,2, LI Xiao-hui1,2, YANG Xu-hai1,2,CHEN Liang1,2, GONG Jian-jun1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

For realizing satellite ranging with high-precision, the relationship between equipments delay and environmental temperature for satellite ranging earth-station was determined. The transmitting time delay and receiving time delay of the modem were measured by using the modem with known time delays. The time delay of whole equipments for the earth-station was measured by using the transfer ranging equipments of the earth-station. The temperature parameter was collected by using meteorographs. The relationship between the equipments delay and the temperature was studied based on the measurements. The statistic analyses indicate that the equipment delay changes linearly with the natural temperature. The influence of temperature on the equipments time-delay couldn′t be ignored for high-precision satellite-ranging.

transfer ranging; time delay; temperature

P228.41

A

1674-0637(2013)02-0113-07

2012-02-08

国家自然科学基金重点资助项目（11033004）；中国科学院研究生科技创新类资助项目；中国科学院“西部之光”人才培养计划西部博士资助项目（Y001YR5601）

武文俊，男，博士，助理研究员，主要从事卫星测定轨与时间同步研究。