时间同步领域数字多波束天线系统性能评估

刘魁星，齐 昕，冯晓超，尹继凯

(1.北京卫星导航中心，北京 100094;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星导航系统中，卫星和地面设施之间的时间同步性能对用户定位精度有决定性的影响[1-2]。导航系统通过卫星和地面站进行星地时间同步完成卫星和地面站之间的时钟同步，卫星钟差参数通过地面设备上行注入给卫星后广播给用户，实现卫星钟差的预报。星地时间同步系统中多采用桁架式、转台式等反射面天线实现。近年来，数字多波束天线广泛应用于卫星导航、航天测控等领域[3-5]。数字多波束天线在数字域实现波束形成和调制解调处理，能够同时产生多个工作波束，波束转换快、灵活性强，可以实现同时与多颗导航卫星进行星地时间同步[6]。由于其具备传统的桁架式、转台式等反射面天线所不具备的优点：多个波束同时工作，使数字多波束天线在卫星导航星座的星地时间同步领域中得到应用。

数字多波束天线阵列规模较大，系统指标测试也区别于反射面天线。在其测试验收评估时，提出了不同于传统天线的测试方法，但该测试方法有一定局限性，只能在微波暗室或者地形平坦的自由空间条件下进行测试[6-7]。数字多波束天线在测试安装完毕后，所在场区一般不具备复测条件，数字多波束天线的相位中心有无发生变化、各波束性能是否一致等无法验证，这些问题会直接导致应用数字多波束天线的星地时间同步系统性能恶化。数字多波束天线作为一个新兴设备，其天线阵元等设备故障更换或者检修后，其整体技术状态是否变化，是否影响星地时间同步性能，目前还没有全面统一的性能验证评估方法。

本文针对应用于星地时间同步领域的数字多波束天线系统在安装使用和系统维护中遇到的性能评估问题，结合数字多波束天线在星地时间同步应用时的特点，分别对波束的一致性和波束的星地时间同步性能做出评估，建立了星地时间同步系统性能评估方法。最后利用该方法对一种大型数字多波束天线系统的星地时间同步性能进行了评估，掌握了该数字多波束天线的星地时间同步性能。

1 数字多波束天线系统星地时间同步工作原理

1.1 星地时间同步基本原理

星地时间同步通常采用星地双向时间频率传递法，精度可达纳秒级，是国际上公认的精度较高的时间频率传递方法之一[8-9]。其基本原理是：卫星与地面站分别按各自时序发送扩频信号，地面站在本地钟面时t0时刻观测到卫星下行信号，伪距为ρs(t0)；卫星S在本地钟面时t1时刻观测到地面上行信号，伪距为ρe(t1)，该伪距值通过通信链路回传给地面站，地面站通过本地接收的卫星下行伪距ρs(t0)和回传的ρe(t1)可以得到卫星与地面之间的钟差Δt：

ρs(t0)=ρse+c(Δt+Δtse+ΔTse),

(1)

ρe(t1)=ρes+c(-Δt+Δtes+ΔTes)，

(2)

式中，ρse,ρes分别为信号发射时刻，其真实星地距离；c为光速；Δtse,Δtes分别为卫星发地面收与卫星收地面发的地球自转、电离层等造成的时延；ΔTse,ΔTes分别为卫星发地面收与卫星收地面发的设备时延。

由以上公式可以得出：

(3)

根据计算的钟差结果对卫星钟进行调整或者播发星地钟差参数，从而实现星地时间同步。

从公式可以看出，不同的星地时间同步系统在电离层、Sagnac效应方面并无太大区别，误差相当，不同的星地时间同步系统最大的区别是设备的时延。设备时延包括两方面内容，一是设备时延起始点的确定，即星地时间同步系统所使用的天线相位中心的确定，只有确定了相位中心，才能得到设备时延；二是星地时间同步系统的设备时延稳定性，设备时延若是不稳定，不能得到实际的星地钟差结果，卫星钟差预报精度也会下降。在实际应用中，计算得到的星地钟差为：

Δt=a0+a1T+a2T2，

(4)

式中，T为时间变量；a0是星地钟差常量部分，主要由设备时延决定，可以通过长期数据积累或者外部比对等方法确定，a1和a2分别为钟速和钟漂，a1和a2的不准确将会降低钟差的可预测性。导航领域对星地时间同步的评估主要侧重在钟差参数的估算。

1.2 数字多波束天线系统在星地时间同步中的应用

在以往的星地时间同步系统中，普遍采用转台式抛物面天线，关于其相位中心和设备时延的测试标定研究比较多，是一种比较成熟的解决方案[10-11]。由于转台式抛物面天线星地时间同步系统同一时间仅可与一颗导航卫星完成星地时间同步，若存在多颗导航卫星需要星地时间同步时，则一个转台式抛物面天线星地时间同步系统无法完成。因此，工程中使用数字多波束天线系统解决多星同时测控管理的问题。数字多波束天线系统通过在数字域中实现基带信号的加权和移相，完成对多通道的幅度和相位控制，使天线阵列在指定方向上信号能量最大，产生方向可变的波束，而不必使用多个相移器和衰减器对射频信号进行相移和加权。采用数字波束形成的方法实现多个波束的空分多址，即同一时间、同一载频上只用一副阵列天线形成多个波束。其理论依据是：射频信号的叠加等效于基带信号叠加后再进行射频变换，所以通过在基带对多个目标的处理和叠加，经过多通道信道变换，就可以在天线阵面形成携带不同信息的多个波束。控制这些波束的方向，可以使其指向不同的目标，实现多目标的星地时间同步，工作示意图如图1所示。

图1 数字多波束天线系统工作示意Fig.1 Working process of digital multi-beam antenna system

2 星地时间同步性能评估方法

数字多波束天线的相位中心与时延稳定性测试技术通常是在实验室条件下或者一定场区条件下得到，在系统安装后，所在场区条件经常不满足复测条件，而且在其后期维护过程中，更换或维修故障阵元等设备后，无法得知其星地时间同步性能的差异。

抛物面天线作为一种成熟设备在时间同步系统中得到广泛应用，其在相位中心的标定和时延的稳定性方面已有成熟技术保证，因此可以采用比对法，在一定条件下，完成数字多波束天线系统与抛物面天线在星地时间同步上的性能比对，开展应用于星地时间同步领域的数字多波束天线系统性能评估。

数字多波束天线系统的时间同步性能评估可以分为2个方面：① 其自身产生的多个波束时间同步性能的一致性；② 单个波束的星地时间同步性能。下面分别用不同的方法完成星地时间同步性能评估。

2.1 多波束一致性评估方法

数字多波束天线系统的优点是可以同时产生多个波束对不同的卫星同时进行星地时间同步，但不同波束的星地时间同步结果应该自洽，即不同的波束对同一颗卫星的星地时间同步结果应该一致，因此需要对其产生的不同波束的时间同步性能进行评估。考虑到该性能仅与数字多波束天线本身有关，因此可选择GEO卫星S作为星地时间同步参考卫星，尽可能避免其他误差的产生。具体方法为：数字多波束天线系统多个波束依次跟踪指定GEO卫星，每次跟踪0.5～1 h，计算以每个波束的跟踪弧段数据为输入条件的星地钟差a0，比较每个波束的星地钟差a0。由于跟踪时间较短，无法比较a1参数，可在下步进行。

2.2 单波束星地时间同步性能评估方法

对于单波束的星地时间同步性能评估，着重评估a0和a1参数，通过长时间可见弧段的星地时间同步结果比对完成，具体评估步骤如下：

(1)卫星接收通道时延差解算

由于卫星不同通道之间存在的时延差会对采用不同通道注入的上行观测值产生差异，因此在进行星地时间同步系统差解算时应首先对卫星不同通道一致性进行解算分析。使用转台式抛物面天线系统，分别跟踪卫星的2个接收通道，解算卫星2个接收通道时延差。

(2)星地时间同步结果比对

数字多波束天线系统单个波束的星地时间同步性能评估采用比对法，原理如图2所示。数字多波束天线系统与其同址的转台式抛物面天线系统同源，即两系统不存在时差，而且信号传输路径一致，公共误差可抵消。两系统同时跟踪同一颗卫星的不同接收通道，分别解算同一弧段的星地时间同步结果，并扣除卫星接收通道时延差。若没有同址的转台式抛物面天线系统，也可采用非同址的转台式抛物面天线系统作为比对系统，但需要扣除两地钟差。

图2 应用数字多波束天线的星地时间同步系统 性能评估原理Fig.2 Schematic diagram of performance evaluation of satellite-ground time synchronization system using digitalmulti-beam antenna system

3 评估实例

3.1 多波束一致性评估

某型数字多波束天线系统联试期间，开展多波束一致性评估，6个波束依次分时跟踪测量某GEO卫星，并分别计算每波束的星地钟差，结果如图3所示。从星地钟差结果图看，波束4与其他波束的星地钟差一致性存在较大差异，相差约45 ns。通过排查分析，发现波束4的伪码未与其他波束对齐，导致问题发生。修改设备参数后，重新进行波束一致性评估，结果如图4所示，从星地钟差结果图看，各波束星地钟差测量结果均保持在-9～7 ns，标准差<0.40 ns，波束一致性较好。

综上所述，数字多波束天线系统多个波束依次跟踪参考卫星的测试方法可以有效完成多波束天线系统的多波束一致性评估，评估精度达到纳秒级，与采用星地双向时间频率传递法得到的星地时间同步精度在同一量级，证明该方法具备有效评估运行环境下多波束天线系统多波束一致性的能力，对工程应用具有指导意义。

图3 修改前波束一致性评估结果Fig.3 Beam consistency results before modification

图4 修改后波束一致性评估结果Fig.4 Beam consistency results after modification

3.2 单波束星地时间同步性能评估

单个波束的星地时间同步性能评估可分为3项：① 单颗卫星连续弧段的星地时间同步结果性能评估，用于评估数字多波束天线系统星地时间同步性能准确性；② 单颗卫星连续多个弧段的星地时间同步结果性能评估，用于评估数字多波束天线系统星地时间同步性能的稳定性；③ 对不同类型卫星的星地时间同步结果性能评估，用于评估数字多波束天线系统适应不同类型卫星的能力。分别按上述场景，数字多波束天线系统与转台式抛物面天线系统同时对卫星进行星地时间同步。

图5给出单颗卫星连续弧段星地时间同步性能评估结果。

(a) A、B天线星地钟差测量结果

(b) A、B天线星地钟差二阶拟合结果图5 单颗卫星连续弧段星地时间同步性能评估结果Fig.5 Evaluation results of time synchronization performance of single satellite in continuous arc

结果分析：数字多波束天线系统结果用B曲线表示，转台式抛物面天线系统用A曲线表示，可以看出，A,B天线测量得到的星地钟差测量结果曲线基本一致，通过二阶残差拟合处理，可以看出A,B二阶拟合残差曲线走势基本重合，相差最大值约为0.5 ns，钟差测量精度<0.2 ns。可得结论，以抛物面天线为参照，多波束天线对单颗卫星连续弧段星地时间同步测量性能良好，稳定性较高。

图6给出单颗卫星连续多个弧段星地时间同步性能评估结果。

(a) 8月3日测量结果(均值：-8.26 ns，标准差：0.38 ns)

(b) 8月4日测量结果(均值：-8.58 ns，标准差：0.40 ns)

(c) 8月5日测量结果(均值：-8.47 ns，标准差：0.34 ns)

(d) 8月6日测量结果(均值：-8.07 ns，标准差：0.37 ns)

(e) 8月7日测量结果(均值：-8.13 ns，标准差：0.32 ns)

(f) 8月8日测量结果(均值：-8.33 ns，标准差：0.35 ns)图6 连续多个弧段星地时间同步性能评估结果Fig.6 Evaluation results of time synchronization performance of continuous multiple arcs

结果分析：经过6天比对分析，可以得出抛物面天线与多波束天线测量钟差差值稳定度在纳秒级，差值测量精度<0.40 ns。可得结论，以抛物面天线为参照，多波束天线对单颗卫星连续多个弧段星地时间同步测量性能良好，稳定性较高。

表1给出不同类型卫星的星地时间同步结果。表中数字多波束天线系统跟踪2号通道，转台式抛物面天线跟踪1号通道。

表1 不同类型卫星的星地时间同步结果

结果分析：通过不同类型卫星的星地时间同步结果可知，抛物面天线与多波束天线测量钟差差值在纳秒级，钟速变化缓慢，对GEO卫星钟速变化情况最优，变化量为0.019%，对MEO变化情况最差，变化量为0.164%，抛物面天线钟差稳定度<0.31 ns，多波束天线钟差稳定度<0.45 ns，二者总体差异较小，性能相当，证明多波束天线具备对多类型卫星的良好适应能力。

综上所述，该型数字多波束天线系统星地时间同步性能与转台式抛物面天线系统星地时间同步性能相当，稳定性较好，可以有效地跟踪不同类型的卫星进行星地时间同步。

4 结束语

本文结合应用于星地时间同步领域的数字多波束天线系统的工作特点，提出波束分时同步的方法评估各波束的一致性和利用转台式抛物面天线系统作为比对设备的数字多波束天线系统星地时间同步性能评估方法，并对某型数字多波束天线系统进行了星地时间同步性能的评估。实验结果表明，该方法可以有效地评估数字多波束天线系统的星地时间同步性能，具备工程可行性，在数字多波束天线系统安装或者维修后，可利用该方法快速地对其性能进行检核和评估。