微米级微波测距系统时延稳定性的测试研究①

焦仲科，王登峰，刘 玄，任 帅，杨姗姗，钟兴旺

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

地球重力场是地球基础物理场之一，反映地球物质分布与运动、地球表层及内部密度分布，决定着大地水准面的起伏和变化，是国家重要的战略资源，在地球物理学、大地测量学、海洋学和冰川学等领域的科学研究具有重要的价值及意义[1-5]。

低低卫-卫跟踪重力测量卫星是快速获取全球中长波重力场数据、反演高精度地球重力场模型、测定全球时变重力场的重要系统，其天基部分是由运行在500 km高度近圆轨道、星间距离约200 km左右的两颗卫星组成，搭载微米级微波测距系统、加速度计、GNSS接收机等主要载荷，分别完成双星之间距离变化、非保守力的测量、精密轨道确定及精密定时。其中，微米级微波测距系统是低低卫-卫跟踪重力场探测卫星的核心载荷，是反演地球重力场的主要数据来源，主要任务是测量两颗卫星之间的距离变化，要求距离变化的测量精度达微米量级。微米级的测量精度几近达微波测量的极限水平，对微波测距系统的要求十分严苛。为满足微米量级的测量精度，需严格控制并精确测量微米级微波系统的时延稳定性，要求达几十微米/摄氏度[6-10]。

文章概述了星载微米级微波测距系统，设计了有源组件时延稳定性测试方案，搭建了测试平台，对有源组件进行时延稳定性试验，得到微米级微波系统有源组件部分的时延稳定性指标，并结合无源组件的时延稳定性，验证了卫星轨道谐波误差及测距系统测量精度，为高精度测距载荷的研制提供支撑。

1 微米级微波测距系统

微米级微波测距系统组成由两套测距系统组成，共同建立双向收发测量链路，实现距离变化的精密测量，双星系统的组成如图1所示。

图1 微米级精度的测距系统双星组成示意图

除链路频点稍有不同外，A、B系统的原理、设计、结构等完全一致，单星系统由有源组件、无源组件组成，有源组件包括频率参考、频率综合、收发通道及信号处理单元、生产射频信号、中频信号、信号处理等，无源组件包括收发天线、波导网络组件，实现射频信号的发射及接收，组成及工作原理如图2所示。

图2 微米级微波测距系统单星组成及原理示意图

微米级微波测距系统采用双单向测量体制，测量原理如图3所示，系统A和系统B分别向对方发射K单频微波信号，每个系统连续记录接收信号相对于本地参考信号的相位变化，获得单向相位测量值，再通过双单向测量体制实现高精度的相位测量，从而得到星间的距离变化[10-15]。

图3 基于双单向测量体制的测量原理示意图

在指定的标称时刻t，系统i获取的单向相位测量值可以表示为

φij(t+Δti)=φi(t+Δti)-φj(t+Δti)+Eij，

i,j=A,B

(1)

式(1)是接收信号相位和本地参考信号相位的差，Δti是卫星i实际采样时刻和标称采样时刻的差，称为时标误差。Eij是测量误差的和，包括整数模糊度、电离层误差以及其他测相误差。

DOWR体制双单向相位测量值组合可表示为

(2)

那么DOWR计算得出的星间距离测量值R(t)≡λΘ(t)，λ=c/(fA+fB)，则

R(t)=ρ(t)+ρerr(t)

(3)

其中，第一项是t时刻的瞬时相位中心之间的有偏距离，第二项是系统的测量误差，要求ρerr(t)小于5 μm。

2 地面测试系统

通过分析，有源组件的时延稳定性直接影响微米级微波测距系统距离变化的测量精度，在系统研制过程中，对时延稳定性的测试进行了针对性设计，设计了满足试验需求的高稳定度、大范围可控的温控环境，振动幅度小于1 μm的隔振环境，同时对有线联试中的电缆进行高稳定度的温度控制，彻底消除外界因素引入微米级微波测距系统中的测距误差，之后对有源组件进行时延稳定性的测试，建立了如图4所示的地面测试系统。

有源组件的时延稳定性测试系统由可控恒温恒湿洁净系统、超高精度复合隔振平台、高精度电缆控温系统、微米级微波测距系统、数据采集及处理系统等组成，整体组成框图如图4所示。将微米级微波测距系统A、B的有源组件放置于超高精度复合隔振平台上，之间有隔热工装，以免隔振平台上表面的温度影响被测产品温度；2个超高精度复合隔振平台分别放置于可控恒温恒湿洁净系统的2个恒温室室内，数据采集及处理系统、桌面电源等放置于实验室桌面，避免其他热源、振动等对被测产品产生温度影响。

图4 有源组件时延稳定性测试系统示意图

A、B系统之间通过高精度电缆温控系统进行有线连接且相对静止，建立有线微波链路，通过改变有源组件的温度，观测微米级微波测距系统测量值，得到精密测距系统A、B有源组件的时延稳定性指标。

可控恒温恒湿洁净系统能够实现室内温度的大范围、高稳定度控制，温度控制范围达50 ℃，温度稳定性控制精度达0.1 ℃，通过控制被测系统所处的温度环境，从而实现被测有源组件的温度变化。

超高精度复合隔振平台可实现良好的隔振效果，台面的振动优于1 μm，因此，可避免被测有源组件受外界振动环境的影响。

高精度电缆控温系统通过主动控温的方式对测距系统之间的射频电缆进行高精度的温度控制，温度稳定度可达0.1 ℃，因此可消除射频电缆引入的测距误差。

3 时延稳定性测试

有源组件的时延稳定性的测试方法为：建立有线微波链路后，对被测产品进行高低温试验，要求高温阶段、低温阶段保持较长时间，使测距系统的距离变化测量值稳定，即不受温度的影响；同时，连续不间断采集有偏距离测量值，求得温度循环过程中测距系统有偏距离测量值的变化量，基于前期大量试验结果，有偏距离测量值变化基本呈现线性趋势，如图5所示。利用有偏距离测量值的变化量除以对应温度变化量，得到单位温度下测距系统有偏距离测量值的变化量，即有源设备时延稳定性系数δ，如公式(4)所示。

图5 温度变化引起的测距系统有偏距离变化示意图

(4)

依上述测试方法，对微米级微波测试系统进行有源组件的时延稳定性测试，环境温度、产品温度、测距系统测量数据结果如图6～图8所示。

图6 控温室内环境的温度

图7 被测产品的温度

图8 微米级微波测距系统测距值(0.2 Hz)

在温度稳定阶段，取0.5小时微米级微波测距系统的静态数据，距离变化测量精度如图9～图10所示。

图9 环境温度为10 ℃时的测距值(0.2 Hz)

图10 环境温度为40 ℃时的测距值(0.2 Hz)

该次升温过程中，微米级微波测距系统的距离变化量为523 μm，该变化量除以有源组件温度变化平均值(27.5 ℃)，分别得到双星有源组件的时延稳定性系数DeltaR_K = 19.02 μm/K，单星的时延稳定性系数是双星的一半。

4 分析及结论

结合双星天线的时延系数约为40 μm/K，双星波导开关网络时延系数为48 m/K，通过该试验得到的有源设备时延稳定性系数，分析微米级微波测距系统的时延稳定性。10个轨道周期的温度稳定段仿真数据如图11，表明了微米级微波测距系统天线喇叭、波导网络以及有源设备的工作环境温度，稳定度优于±0.1 ℃。

图11 10个轨道周期的温度稳定性数据

在上述的温度环境中，引入天线喇叭、波导网络、有源设备的时延稳定性系数，得到因系统时延稳定性引入微米级微波测距系统的距离变化测量误差结果，在在时域范围内为3.746 7 μm，在频域范围内为1.567 3 μm，分别如图12、图13所示。

图12 微米级微波测距系统的时延稳定性测距测速误差

图13 微米级微波测距系统的时延稳定性测距误差频域特性

根据卫星轨道分析结果，卫星的轨道谐波误差主要由时延稳定性引入，即上图所示的时延稳定性测距误差优于系统要求4 μm，地面验证了微米级微波测距系统距离变化的测量精度优于5 μm，为星间精密测量系统的研制提供技术支撑。