CN102636790A - 一种导航卫星星间链路天线绝对时延标定系统 - Google Patents

Abstract

一种导航卫星星间链路天线绝对时延标定系统，包括基准频率源、星间链路发射机、星间链路接收机、时间间隔计数器、控制和处理计算机、衰减器、矢量网络分析仪以及至少三个待标定星间链路天线。待标定星间链路天线相互两两配对，与星间链路发射机、星间链路接收机、衰减器以及之间的电缆组成收发链路。时间间隔计数器测量星间链路发射机和星间链路接收机各自产生的秒信号之间的时间差。控制和处理计算机读取星间链路接收机和时间间隔计数器的测量值，通过数据处理后得到各待标定星间链路天线的绝对时延。本发明的标定系统采用与星间链路传输信号体制一致的测试信号，测试结果能反映真实的星间链路信号传输时延，具有较高的测量精度。

Description

一种导航卫星星间链路天线绝对时延标定系统

技术领域

本发明涉及一种导航卫星星间链路天线绝对时延的标定系统，可用于导航卫星系统星间链路天线的绝对时延标定。

背景技术

在全球卫星导航系统中，维持较高的卫星轨道确定精度和钟差确定精度是确保导航接收终端获得大系统要求的定位或授时精度的关键。获得精确轨道和钟差参数通常需要在全球范围布设大量地面站进行连续观测，目前我国不具备这样的全球性战略地理资源，因此我国在研的全球卫星导航系统将采用星间链路技术，其中一个重要功能是在仅配置少数监测站的情况下通过星间链路的精密测量获得轨道上其它弧段的测量信息，从而达到获得精密轨道参数的能力。

导航卫星通过星间链路，播发和接收扩频测距信号进行卫星之间的精密测距，精确的星间距离值的获取需要扣除卫星星间链路收发电路本身的时延，才能得到卫星之间的真实距离，卫星星间链路收发电路本身时延的测量精度将直接影响卫星之间的测距精度。导航卫星的星间链路天线是星间链路收发电路的重要组成部分，因此，导航卫星星间链路收发天线的绝对时延值是导航卫星系统的一个关键指标参数，收发天线的绝对时延标定的精度将影响卫星之间的星间测距精度。

目前，天线时延绝对时延标定系统主要有两种类型：

(1)一种是采用零距转发器和校零天线的天线时延标定系统。具体可参见2007年第33卷第4期无线电通信工程，由黄旭峰、秦顺友发表的《圆口径测距天线时延测量方法》一文。这种类型的天线时延标定系统中，零距转发器和校零天线本身绝对时延的精密标定也是测试难题，它们的标定精度将严重影响被测天线时延的标定精度，零距转发器的使用与星间链路天线的实际工作情况不同，标定结果与星间链路天线真实工作状态情况下的时延值存在差异。

(2)另一种是采用矢量网路分析仪器的天线绝对时延标定系统。具体可参见2009年第1期空间电子技术，由吴春邦、杨文丽、刘波发表的《导航卫星天线相位中心及时延测试》一文。该时延标定系统采用了标准天线作为测试参考，对于导航卫星星间链路ka频段天线，很难得到一个用于测试时延的标准天线，其次，收发天线满足远场条件下，通过矢量网路分析仪测试时，测试连接电缆或波导长，在Ka频段工作情况下，长测试电缆或波导的本身时延校准要保证稳定、高精度十分困难。一个最重要的是：采用矢量网路分析仪测试的时延值为一个频段的各测试频率点的群时延，不能正确反映星间链路传输某个特定信号体制的扩频测距信号的时延情况。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种导航卫星星间链路天线绝对时延标定系统，能正确反映星间链路电路传输测距信号情况下星间链路天线绝对时延的真实状态，得到星间链路天线的高精度时延标定值。

本发明的技术解决方案是：一种导航卫星星间链路天线绝对时延标定系统，包括基准频率源、星间链路发射机、星间链路接收机、时间间隔计数器、控制和处理计算机、衰减器、矢量网络分析仪以及至少三个待标定星间链路天线，其中：

基准频率源：产生与导航卫星的卫星钟频率相同的基准频率信号，为星间链路发射机和星间链路接收机提供频率参考；

星间链路发射机：利用基准频率源提供的频率参考产生星间链路传输的测距信号，并向外提供一个秒脉冲信号作为时间间隔计数器的一个输入；

星间链路接收机：接收星间链路测距信号，输出扩频测距的伪距值，并向外提供一个秒脉冲信号作为时间间隔计数器的另一个输入；

时间间隔计数器：测量星间链路发射机产生的秒脉冲信号与星间链路接收机产生的秒脉冲信号之间的时间差；

衰减器：有线连接在星间链路发射机与星间链路接收机之间，对星间链路发射机的输出信号电平进行衰减；

待标定星间链路天线：两两构成一个测试组合，任意一个测试组合测试时，其中一个待标定星间链路天线与星间链路发射机连接，另一个待标定星间链路天线与星间链路接收机连接，任意一个测试组合中两个待测量天线之间的距离R保持相同且两个待测量天线的波束相互瞄准，其中

λ为待测频率信号中心频率对应的波长，D为待测天线的直径；

矢量网路分析仪：对衰减器、用于有线连接的测试电缆或波导的时延进行标校，得到测量通道的零值；

控制和处理计算机：在各秒时刻读取星间链路接收机的伪距测量结果及与该秒时刻对应的时间间隔计数器所测量的秒脉冲信号时间差，将距离R折算为自由空间传播时延，将加入待测量天线后的测距信号收发之间的组合时延扣除测量通道的零值以及自由空间传播时延后，得到任意一个测试组合中两个待测量天线各自绝对时延的和，然后通过解方程组的形式获取各待标定星间链路天线的绝对时延。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明标定系统中，测试信号由星间链路发射机生成，测试信号的工作频段、信号体制与星间链路在轨传输信号体制一致，利用星间链路接收机进行扩频测距方式，进行伪距测量，能真实反映星间链路天线收发星间链路信号时的时延；

(2)本发明标定系统利用星间链路配置有多天线条件，进行天线的相互配对测量，不需要专门的标准天线，避免了标准天线设计参数不够标准所带来的测量误差问题；

(3)本发明标定系统的时延标定过程和测试通道的零值标定都在星间链路发射机和星间链路接收机之间进行，所用的长射频电缆为秒脉冲信号线、基准频率信号线，均为低频信号，这些电缆时延标定简单，标定精度和时延稳定高。不需要使用ka频段长电缆或长波导，避免了ka频段长电缆或长波导本身时延标定容易受弯曲、温度、形变等影响而出现的大误差和不稳定的情况；

(4)本发明标定系统不需要使用零值转发器，避免了零值转发器精密时延标定的技术实现难题，也消除了零值转发器本身时延标定误差对星间链路天线时延标定精度影响。

附图说明

图1为本发明标定系统的组成原理框图；

图2为本发明标定系统的各组成部分时延关系图；

图3为本发明时间计数器测量星间链路发射机和星间链路接收机秒信号差值的工作原理图；

图4为本发明测试通道零值校准原理图；

图5为本发明控制与处理计算机工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明标定系统的组成结构图，由基准频率源、星间链路发射机、星间链路接收机、时间间隔计数器、控制和处理计算机、衰减器，输出测试电缆、输入测试电缆、天线安装支架、矢量网络分析仪以及至少三个待标定星间链路天线组成。各组成部分的功能如下：

基准频率源：产生与导航卫星的卫星钟频率相同的基准频率信号，为星间链路发射机和星间链路接收机提供频率参考。

星间链路发射机：产生星间链路传输的测距信号，并向外提供一个秒脉冲信号，作为时间间隔计数器的一个输入。

星间链路接收机：用于正确接收模拟的星间链路发射信号，输出扩频测距的伪距值，并向外提供一个秒脉冲信号，作为时间间隔计数器的一个输入，其测量伪距值通过RS232串口送到控制与处理计算机。

时间间隔计数器：用于测量星间链路发射机产生的秒脉冲信号(1PPS1Pulse Per Second)与星间链路接收机产生的秒脉冲信号之间的秒差，其测量值通过RS232串口送到控制与处理计算机，这里时间间隔计数器设备型号可以选定为SR620。

输出测试电缆：星间链路发射机输出与待测发射天线或衰减器输入相连接的电缆。

输入测试电缆：星间链路接收机输入与待测接收天线或衰减器输出相连接的电缆。

衰减器：用于星间链路发射与星间链路接收有线连接时的通道零值标校，星间链路发射机输出通过测试电缆或波导连接衰减器输入，衰减器输出通过测试电缆或波导连接星间链路接收机输入，衰减器对星间链路发射机输出信号的电平进行衰减，确保星间链路接收机的入口电平在合适的工作范围。

天线安装支架：用于测试天线的安装和天线波束瞄准调整，天线测试过程中，两个支架之间的距离固定为R，两个待测量天线的波束相互瞄准。为了满足天线的远场测试要求，λ为待测频率信号中心频率对应的波长，D为待测天线的直径。

矢量网路分析仪：对衰减器、测试电缆或波导的时延进行标校。

控制和处理计算机：通过RS232串口，每秒时刻读取星间链路接收机的伪距测量结果及该秒时刻对应的时间间隔计数器所测量的星间链路发射机和星间链路接收机秒信号之间法人秒差，进行数据处理得到星间链路收发整个通道的绝对时延，从而得到各待标定星间链路天线的绝对时延。

图2给出了本发明标定系统的各时延关系，星间链路发射机在各秒时刻开始发射特定的伪随机码，在某个秒时刻，星间链路发射机生成的某个伪随机码序列信号，经过调制、放大、信道传输，到达星间链路接收机，正确接收恢复对应秒时刻开始的伪随机序列，这时星间链路接收机对应时刻的秒信号与星间链路接收机恢复的伪随机序列起始点之间的时间间隔就是星间链路接收机扩频测距的伪距值，由于星间链路接收机和星间链路发射机的秒脉冲信号不一致，因此，星间链路接收机的伪距值与实际的扩频信号在整个通道中的绝对时延存在一个误差量，该误差量就是星间链路发射机与星间链路接收机之间秒信号的时间差。

假定星间链路接收机产生的秒信号比星间链路发射机的秒脉冲信号超前。控制和处理计算机读取各秒时刻的星间链路接收机测量伪距值和星间链路发射机与星间链路接收机之间的秒差，计数得到该通道的绝对时延值。

整个收发通道的绝对时延为：

$T_{\mathrm{ch}}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{Pi}}-T_{\mathrm{PPSi}}),i=1,\·\·\·,N---\left(1\right)$

式中：

为星间链路接收机扩频测距t₀秒时刻开始的第i秒时刻的伪距值；

T_chi为t₀秒时刻开始的第i秒时刻整个收发通道的绝对时延；

T_PPSi为t₀秒时刻开始的第i秒时刻星间链路发射机与接收机秒信号之间的时间差。

图3为时间间隔计数器测量星间链路发射机与星间链路接收机秒信号之间时间差的工作原理。星间链路接收机的秒信号通过电缆接入时间间隔计数器的一个通道，该信号的上升沿作为时间间隔计数器计数启动，星间链路发射机的秒信号通过电缆接入时间间隔计数器的另一个通道，该信号的上升沿作为时间间隔计数器计数停止，星间链路发射机与星间链路接收机的秒信号之间时间差为：

T_PPS＝T_CR+T_C-T_CT                        (2)

式中：T_CR为星间链路接收机秒信号的输出电缆时延；

T_C为时间间隔计数器的测量值；

T_CT为星间链路发射机秒信号的输出电缆时延；

图4所示标定系统测试通道零值校准的原理，测量通道零值是指星间链路扩频信号在星间链路发射机、输出测试电缆、输入测试点电缆、星间链路接收机构成通道中传输的绝对时延。在测试通道的零值校准过程中，星间链路发射机通过输出测试电缆、衰减器、输入测试点电缆、星间链路接收机构成一个零值校准通道，控制和处理计算机读取各秒时刻的星间链路接收机测量伪距值和星间链路发射机与星间链路接收机之间的秒差，计数得到该通道绝对时延值；测量通道的零值可以按如下公式计算：

T_Z＝T_Z1-T_Z2                (3)

式中T_Z1为零值校准通道的绝对时延；

T_Z2为衰减器的绝对时延，用矢量网路分析仪进行标定来获得。

天线标定的一个前提是测试天线的安装。两个待测天线安装在支架上，两个支架之间的距离固定，两个待测量天线的波束相互瞄准，两个天线之间的距离固定为R，为了满足天线的远场测试要求，

λ为待测星间链路扩频信号中心频率对应的波长，D为待测天线的直径。精密测量两待测天线之间的直线距离R，折算为无线电波在自由空间传播时延T_D，即：

T_D＝c/R                (4)

式中c为光速；

图5为控制与处理计算机标定处理工作流程。用天线1作为发射天线与星间链路发射机连接，天线2作为接收天线与星间链路接收机连接，控制和处理计算机进行天线1和天线2配对的组合时延标定。

控制与处理计算机通过RS232串口，读取一定时间内各时刻星间链路接收机的伪距值和对应时刻时间间隔计数器数据测量值，根据标定的秒信号传输电缆时间计算各时刻的星间链路发射机和星间链路接收机之间的秒差，计算各时刻整个收发通道的时延，然后求均值，得到收发整个通道的绝对时延，扣除测量通道零值、再扣除自由空间传播时延量，得到天线1绝对时延T₁和天线2绝对时延T₂的组合时延值。即：

T₁+T₂＝T_C1-T_Z-T_D            (5)

用天线3作为发射天线，天线2作为接收天线，控制和处理计算机进行天线2和天线3配对的组合时延标定。得到天线3绝对时延T₃和天线2绝对时延T₂的组合时延值。

T₃+T₂＝T_C2-T_Z-T_D            (6)

式中T_C2为收发之间的组合时延测量值。

用天线3作为发射天线，天线1作为接收天线，控制和处理计算机进行天线1和天线3配对的组合时延标定。得到天线3绝对时延T₃和天线1绝对时延T₁的组合时延值。

T₃+T₁＝T_C3-T_Z-T_D            (7)

式中T_C3为收发之间的组合时延测量值。

三个天线的相互配对，互为收发，进行测量得到的三个组合时延值方程的线性方程组：

$\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 0& 1& 1\\ 1& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_{C1}-T_Z-T_D\\ T_{C2}-T_Z-T_D\\ T_{C3}-T_Z-T_D\end{array}\right]---\left(8\right)$

计算机求解方程组，得到各天线的收发绝对时延：

$T_1=\frac{1}{2}(T_{C1}-T_{C2}+T_{C3}-T_Z-T_D)---\left(9\right)$

$T_2=\frac{1}{2}(T_{C1}+T_{C2}-T_{C3}-T_Z-T_D)---\left(10\right)$

$T_3=\frac{1}{2}({-T}_{C1}+T_{C2}+T_{C3}-T_Z-T_D)---\left(11\right)$

由此可以解算各天线的绝对时延。

当天线数目多于三个时，新增的天线与上述的三个天线中任意一个天线作为参考天线配对，互为收发，进行测量得到组合时延值，扣除参考天线的绝对时延、自由空间传播时延及测量通道零值，得到新增天线的绝对时延，假设用天线1作为参考天线，控制和处理计算机进行天线1和新增天线配对的组合时延标定，得到新增天线绝对时延T_n和天线1绝对时延T₁的组合时延值。

T_n+T₁＝T_Cn-T_Z-T_D                (12)

式中T_Cn为天线1与新增天线收发之间的组合时延测量值。

因此，新增天线的绝对时延为：

T_n＝T_Cn-T₁-T_Z-T_D                (13)

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种导航卫星星间链路天线绝对时延标定系统，其特征在于包括：基准频率源、星间链路发射机、星间链路接收机、时间间隔计数器、控制和处理计算机、衰减器、矢量网络分析仪以及至少三个待标定星间链路天线，其中：

基准频率源：产生与导航卫星的卫星钟频率相同的基准频率信号，为星间链路发射机和星间链路接收机提供频率参考；

星间链路发射机：利用基准频率源提供的频率参考产生星间链路传输的测距信号，并向外提供一个秒脉冲信号作为时间间隔计数器的一个输入；

星间链路接收机：接收星间链路测距信号，输出扩频测距的伪距值，并向外提供一个秒脉冲信号作为时间间隔计数器的另一个输入；

时间间隔计数器：测量星间链路发射机产生的秒脉冲信号与星间链路接收机产生的秒脉冲信号之间的时间差；

衰减器：有线连接在星间链路发射机与星间链路接收机之间，对星间链路发射机的输出信号电平进行衰减；

待标定星间链路天线：两两构成一个测试组合，任意一个测试组合测试时，其中一个待标定星间链路天线与星间链路发射机连接，另一个待标定星间链路天线与星间链路接收机连接，任意一个测试组合中两个待测量天线之间的距离R保持相同且两个待测量天线的波束相互瞄准，其中

λ为待测频率信号中心频率对应的波长，D为待测天线的直径；

矢量网路分析仪：对衰减器、用于有线连接的测试电缆或波导的时延进行标校，得到测量通道的零值；

控制和处理计算机：在各秒时刻读取星间链路接收机的伪距测量结果及与该秒时刻对应的时间间隔计数器所测量的秒脉冲信号时间差，将距离R折算为自由空间传播时延，将加入待测量天线后的测距信号收发之间的组合时延扣除测量通道的零值以及自由空间传播时延后，得到任意一个测试组合中两个待测量天线各自绝对时延的和，然后通过解方程组的形式获取各待标定星间链路天线的绝对时延。

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