相位中心偏差对无线电时间比对的影响分析

朱陵凤，李　超，唐　波，刘　利，郭　睿

(北京卫星导航中心，北京 100094)



相位中心偏差对无线电时间比对的影响分析

朱陵凤，李超，唐波，刘利，郭睿

(北京卫星导航中心，北京 100094)

摘要针对卫星发射天线相位中心、卫星接收天线相位中心与卫星质心三者不重合问题，推导了基于卫星姿态的卫星天线相位中心改正计算模型，利用实测数据分析了该改正项对GEO、IGSO和MEO这3类卫星星地无线电双向时间比对结果的影响。结果表明，在纳秒量级的无线电时间比对中，该误差项不需要特别考虑；在高于纳秒量级的无线电时间比对中，必须严格计算卫星发射与接收天线相位中心相对于卫星质心的改正项。

关键词无线电时间比对；卫星；天线相位中心；偏差

The Impact of Phase Center Offset on Wireless Time Transfer

ZHU Ling-feng,LI Chao,TANG Bo,LIU Li,GUO Rui

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

AbstractAs the satellite centroid differs from the phase center of satellite transmitting antenna and receiving antenna,this paper deduces a satellite antenna phase center correction model based on satellite attitude.The impact of the model on two-way radio time transfer for GEO,IGSO,MEO satellites is analyzed with actually observed data,the result indicates that the error can be ignored in the case of the accuracy of wireless time transfer at level 1 ns.When the accuracy better than 1 ns,the satellite antenna phase center offsets must be calculated accurately.

Key wordsradio time transfer;satellite;antenna phase center;offset

0引言

在卫星导航定位系统中，星地无线电双向时间比对所采用的观测量是上下行双向测距值，上行测距值为测站发射天线相位中心到卫星接收天线相位中心之间的伪距观测量，下行测距值为卫星发射天线相位中心到测站接收天线相位中心之间的伪距观测量。也就是说，星地双向时间比对观测量是相对于卫星和测站的天线相位中心的，实际上，卫星接收天线相位中心和卫星发射天线相位中心不重合，这2个天线相位中心与卫星质心也都不重合[1]，而卫星轨道通常是指卫星质心的坐标，三者不重合带来的偏差在星地双向时间比对过程中不能抵消，并且随着卫星高度角和方位的变化而变化[2]。因此，要实现高精度的星地时间比对，必须严格计算卫星发射与接收天线相位中心相对于卫星质心的改正值。

文中推导了基于卫星姿态的卫星天线相位中心改正计算模型，利用实测数据分析了该误差项对不同类型卫星星地双向时间比对结果的影响，得出了一些具有实际应用价值的结论。

1卫星天线相位中心改正模型

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综上所述，卫星天线相位中心改正量的计算公式为：

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2卫星天线相位中心偏差影响分析

根据星地无线电双向时间比对的基本原理[4-6]可以得到：

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3实测数据试验分析

利用连续3天实测的GEO、IGSO和MEO卫星与北京站的双向时间比对观测数据，分析了卫星天线相位中心偏差对星地双向时间比对的影响。具体方案如下：① 评估卫星天线相位中心偏差对下行测距值的影响特性与量级；② 评估卫星天线相位中心偏差对上行测距值的影响特性与量级；③ 评估卫星天线相位中心偏差对星地双向时间比对结果的影响特性与量级。具体结果如表1、图1、图2和图3所示。

表1　不同类型卫星天线相位中心偏差影响情况

图1　卫星天线相位中心偏差对GEO卫星的影响

图2　卫星天线相位中心偏差对IGSO卫星的影响

图3　卫星天线相位中心偏差对MEO卫星的影响

由图1、图2和图3可见：① 卫星天线相位中心偏差对GEO卫星下行测距影响值在-3.713～-3.705 ns的范围内呈类正弦曲线波动，波动最大幅度为0.008 ns；对GEO卫星上行测距影响值在-3.059～-3.045 ns的范围内呈类正弦曲线波动，波动最大幅度为0.014 ns；对GEO卫星星地钟差影响值在-0.330～-0.327 ns的范围内呈类正弦曲线波动，波动最大幅度为0.003 ns。② 卫星天线相位中心偏差对IGSO卫星下行测距影响值在-4.236～-3.840 ns的范围内呈天周期波动，波动最大幅度为0.396 ns；对IGSO卫星上行测距影响值在-4.921～-3.670 ns的范围内呈天周期波动，波动最大幅度为1.251 ns；对IGSO卫星星地钟差影响值在-0.085～0.343 ns的范围内呈天周期波动，波动最大幅度为0.428 ns。③ 卫星天线相位中心偏差对MEO卫星下行测距影响值在-4.137～-3.321 ns的范围内呈不规则波动，波动最大幅度为0.816 ns；对MEO卫星上行测距影响值在-5.522～-2.333 ns的范围内呈不规则波动，波动最大幅度为3.189 ns；对MEO卫星星地钟差影响值在-0.494～0.695 ns的范围内呈不规则波动，波动最大幅度为1.189 ns。④ 3种不同类型卫星中，GEO卫星受卫星天线相位中心偏差影响值波动范围最小；IGSO卫星受其影响值与GEO卫星相当，但是波动范围较GEO卫星大；MEO卫星受卫星天线相位中心偏差影响量级最大，影响值波动范围也最大。

4结束语

结合星地无线电双向时间比对基本原理和文中推导的卫星天线相位中心改正计算模型，利用GEO、IGSO和MEO这3类卫星实测数据验证了卫星天线相位中心改正对不同类型卫星星地双向时间比对结果的影响值均小于1 ns，由此可见，该误差项对纳秒量级的无线电双向时间比对影响不明显，但若时间比对精度高于纳秒量级，则必须严格计算无线电双向测距中的卫星天线相位中心改正项。

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朱陵凤 女，(1983—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航与无线电时间比对技术方面研究。

李超 男，(1981—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航用户终端算法研究。

作者简介

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122402；2014AA123102)。

收稿日期：2015-12-18

中图分类号P228.9

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-54-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.15

引用格式：朱陵凤,李超,唐波,等.相位中心偏差对无线电时间比对的影响分析[J].无线电工程,2016,46(3):54-57.