CN110244332B - 一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统，方法包括：基于卫星导航系统，利用原子钟时间同步测量时间，在两地测量同一卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位；对第一载波相位及第二载波相位进行差分，得到载波相位单差数据；将载波相位单差数据与卫星的历元单差数据进行差分，得到载波相位双差数据；对载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据；根据两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正，在存在电离层对大气相位扰动时，分别计算不同频率的电离层及对流层对天线阵大气相位的相位扰动。该方法及系统克服了传统方法中校准源少或实时性差的缺点，实现了大气相位扰动的实时修正，修正精度高，适用范围广。

Description

一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统

技术领域

本发明涉及深空探测领域，尤其涉及一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统。

背景技术

天线阵的信号相关与合成性能取决于各天线的信噪比、信号间的相位差估计和相位修正精度。当目标信号强度足够高时，各天线单元之间的相位差可以通过短时相关即可实现相位差估计和修正。而当信号非常微弱时，为达到足够的信噪比，在相关时需要很长的积分时间；而由于地球对流层大气的扰动造成各天线信号的相位波动，导致天线信号间长时间相关性变差，从而严重影响信号的合成性能。尤其是在高频段以及恶劣天气情况下，将严重影响信号的相位估计精度和信号合成性能。

大气延迟可分为对流层延迟与电离层延迟，其中对流层延迟又可分为干延迟和湿延迟。电离层延迟和干延迟变化较为缓慢，且易于通过多频或修正模型进行修正。湿延迟随时间、空间的变化迅速，难以通过模型进行修正，是影响天线阵相位扰动的主要因素。

时域天文观测和深空探测，通常需要长时间的对准目标。同时由于大气相位扰动的短时相关性，大气相位修正的时间尺度应短至几分之一秒。所以无法利用射电天文中常用的短时偏开校正的模式，必须采用实时的相位修正方法。现有技术中，可利用同波束校准源观测进行修正，但可供使用的校准源非常少。利用GPS时延测量也可以实现信号传播的相位修正，且价格便宜，但传统的GPS测量方法的延迟时间过长，要达到毫米级及更高的精度，会有12小时的计算延迟，难以实现实时修正，目前主要应用于实时性要求不高的气象预报领域。DSN进行了水汽辐射计与校准天线时延测量的对比试验，表明水汽辐射计能够有效的探测大气湿延迟，是大气相位扰动修正测量的重点发展方向之一，但辐射计在阴雨天时存在失真和饱和的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种天线阵大气相位扰动修正方法，包括：S1、在两地测量同一导航卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位；S2、对第一载波相位及第二载波相位进行差分，得到载波相位单差数据；S3、将载波相位单差数据与导航卫星的历元单差数据进行差分，得到载波相位双差数据；S4、对载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据；S5、重复S1-S4，测量同一历元下的所有可见的导航卫星对应的两地大气相位差分数据，得到多个两地大气相位差分数据；S6，根据多个两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正。

可选地，根据两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正包括：在天线阵观测目标的方向上，对多个两地大气相位差分数据进行插值或拟合，获得天线阵观测目标方向的大气相位扰动修正值，根据大气相位扰动修正值对天线阵大气相位扰动进行修正。

可选地，根据多个两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正还包括：根据多个两地大气相位差分数据，在不同测量频率下，分别计算电离层对天线阵大气相位的相位扰动以及对流层对天线阵大气相位的相位扰动；根据电离层对天线阵大气相位的相位扰动以及对流层对天线阵大气相位的相位扰动对天线阵大气相位扰动进行修正。

可选地，在两地测量同一导航卫星的载波相位过程中，采用原子钟时间同步测量过程中的测量时刻及时间间隔。

可选地，基于卫星导航系统，在两地测量同一导航卫星的载波相位，其中卫星导航系统为全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统及伽利略卫星导航系统中的一种或多种组合。

可选地，对载波相位双差数据进行相位修正包括：根据导航卫星的轨道预报文件数据对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于导航卫星运行导致的相位；或利用星历修正方式对载波相位单差数据进行相位修正，以修正由于导航卫星运行导致的相位；或通过导航卫星的多普勒观测数据的长周期变化趋势对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于导航卫星运行导致的相位。

可选地，在两地测量同一导航卫星的载波相位之前，还包括：利用导航系统的时间对原子钟的时间进行对时。

本发明另一方面提供一种天线阵大气相位扰动修正系统，包括：导航系统测量装置，用于在两地测量同一导航卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位；单差模块，用于对第一载波相位及第二载波相位进行差分，得到载波相位单差数据；双差模块，用于对载波相位单差数据与导航卫星的历元单差数据进行差分，得到载波相位双差数据；修正模块，用于对载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据，根据两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正。

可选地，导航系统测量装置包括：导航数据接收设备、原子钟、同步计数器、频率综合器、原子钟模块及时间修正和钟差测量模块；其中，导航数据接收设备用于在两地测量同一导航卫星的载波相位，原子钟、同步计数器、频率综合器、原子钟模块及时间修正和钟差测量模块用于同步导航数据接收设备在两地测量同一导航卫星的载波相位过程中测量时刻及时间间隔。

可选地，导航数据接收设备采用全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统及伽利略卫星导航系统中的一种或多种组合进行数据接收。

(三)有益效果

本发明提出一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统，有益效果为：

本发明基于卫星导航系统，在不同地区测量同一导航卫星的载波相位，对测量的载波相位进行多次差分计算，并且测量过程中，利用原子钟时间和频率标准对测量的时刻及时间间隔进行严格同步，克服了传统方法中校准源少或实时性差的缺点，实现了大气相位扰动的实时修正，修正精度高，且成本低，在阴雨天等天气恶劣条件下同样适用，且不存在失真和饱和的问题。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例天线阵大气相位扰动修正的情景示意图。

图2示意性示出了本发明实施例天线阵大气相位扰动修正方法流程图。

图3示意性示出了本发明实施例导航系统测量设备示意图。

【附图标记】

1-天线 2-导航接收系统

3-云层 4-目标源

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出一种天线阵大气相位扰动修正方法及系统，该方法及系统基于卫星导航系统实现对大气相位扰动的修正。由于导航卫星在天区的广泛分布，充分利用多种导航系统卫星信号的差分测量，可以实现大气相位高精度的实时测量。将GPS或北斗等导航接收机的本振相位与高精度原子钟频标信号同步，消除由于接收机本振相位漂移产生的相位波动；将接收机伪距和载波相位测量的时刻与原子钟时间严格同步。并对天线组阵的特点，将接收的卫星信号在单差的基础上再进行不同历元间的差分，以消除两地原子钟差造成的相位误差，实现高精度大气相位扰动的测量。

时间精度和相位稳定性是进行大气相位扰动测量的关键性能指标，时间精度包含精确的时刻信息和精准的时间间隔两个方面。采用计数器对时钟脉冲个数进行计数可以获得精准的时间间隔。各导航系统数字接收机均采用该原子钟时间和频率标准，并在每个历元中的伪距、载波相位等数据测量中严格与原子钟时间同步，即均在同一时刻的上升沿或下降沿进行采样，并将原子钟时间作为时间戳打入记录的数据中，保证每个历元数据的相位稳定和时间精度。在每次观测开始前，先利用GPS时间对原子钟时间进行对时。

如图1所示，在进行天线组阵时，在天线1的附近安装卫星导航接收系统2，透过云层3对目标源4进行参数测量，通过对参数进行处理以修正大气相位扰动。导航接收系统可以对全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统(BDS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)等导航系统中的一种或多种进行组合接收。大气延迟可分为对流层延迟与电离层延迟，其中对流层延迟又可分为干延迟和湿延迟。电离层延迟和干延迟随距离、时间的变化较为缓慢，而湿延迟的变化则较为迅速。所以，一般情况下湿延迟对天线阵信号合成性能的影响要大于电离层延迟和干延迟。根据天线组阵信号合成的特点，对合成性能影响的因素是大气相位的扰动，而常量误差对合成性能没有影响。所以可以采用卫星信号单差的方式实现大气相位扰动差分的测量，并采用历元间的差分实现对原子钟钟差和频标初始相位的修正，最后作为天线阵相关前的大气相位扰动修正数据。下面进行详细介绍。

本发明实施例提出一种天线阵大气相位扰动修正方法，如图2所示，该方法包括：

S1，在两地测量同一导航卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位。

具体地，在天线附近安装导航数据接收设备，利用GPS、北BDS、伽Galileo、GLONASS等导航系统中的一种或多种进行组合接收，测量卫星的伪距和载波相位等参数。测量过程中，采用原子钟时间同步测量过程中的测量时刻及时间间隔。在两地测量同一导航卫星的载波相位之前，利用导航系统的时间对原子钟的时间进行对时。

S2，对第一载波相位及第二载波相位进行差分，得到载波相位单差数据。

在上述步骤S2中，对第一载波相位及第二载波相位进行差分的目的是为了消除由卫星钟差、卫星轨道误差等导致的载波相位误差。具体地：

设两个导航数据接收机的天线的相位中心位于k和m处，同时对导航卫星i进行载波相位测量。接收天线k和m对卫星i的载波相位测量值可分别表示为：

式中，

和

是接收机所测的随时间变化的载波相位，λ为载波的波长，

和

为星站几何距离，

和

为整周模糊度，τ_k和τ_m为接收机时钟误差，τⁱ为卫星时钟误差，

和

为电离层相位延迟，

和

为对流层相位延迟，

和

为相位测量误差。则针对卫星i两接收天线k和m信号的单差，即式(1)减去式(2)，可得：

式中，

为

和

的差分，即载波相位单差数据；

为

和

的差分；

为

和

的差分；τ_km(t)为τ_k和τ_m的差分；

为

种

的差分；

为

和的差分；

为

和

的差分。

可以由精密卫星星历计算或通过数据拟合对长周期规律进行修正；每颗卫星的接收机钟差τ_km都具有相同的数值，且由于接收机时间与原子钟频标同步，所以历元之间的时间间隔保持高度统一；整周模糊度

仍为未知数，但连续观测的时间内可认为是与时间无关的常数，不同历元之间的相位整周差值可通过载波相位的连续计数获得。

S3，将载波相位单差数据与导航卫星的历元单差数据进行差分，得到载波相位双差数据。

在上述步骤S3中，将载波相位单差数据与卫星的历元单差数据进行差分目的是为了消除整周模糊度和接收机钟差的影响，具体地：

历元间在t时刻历元与t₀时刻历元的相位差分可表示为

式中，d*均代表在t时刻历元与t₀时刻历元相应值的差。其中，

是已知量。

S4，对载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据。

在上述步骤S4中，根据卫星的轨道预报文件数据对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于卫星运行导致的相位；或利用精确星历修正方式对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于卫星运行导致的相位；或通过卫星的多普勒观测数据的长周期变化趋势对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于卫星运行导致的相位，从而得到两地大气相位差分数据。在实际计算中，修正的方式有多种，本发明不加以限制。设卫星接收天线的相位中心坐标已经过长时间测量获得，经修正后的大气相位扰动测量值可表示为：

式中，

为相位修正残差；

为在观测频率为f时的大气相位扰动，包含了电离层和对流层大气相位扰动。忽略测量误差，式(4)变为

S5，针对所有可见的导航卫星，重复S1-S4，测量同一历元下的所有导航卫星对应的两地大气相位差分数据，得到多个两地大气相位差分数据，即上述步骤遍历卫星i(i为可见导航卫星)。

S6，根据多个两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正。

在步骤S6中，由于测量距离选取的不同，若电离层对大气相位扰动的影响可忽略，则利用测量得到的同一历元下所有可见导航卫星方向的大气相位差分数据，在天线阵观测目标的方向上，对两地大气相位差分数据进行插值或拟合，获得天线阵观测目标方向的大气相位扰动修正值，根据大气相位扰动修正值对所述天线阵大气相位扰动进行修正。

若同时存在电离层和对流层大气扰动，则需要在不同的频率下，分别计算电离层和对流层大气扰动，再根据计算结果对大气扰动进行修正。具计算过程如下：

设观测的卫星频率为f₁和f₂，由于电离层引起的载波相位超前与频率成反比，根据步骤S4，则上述大气扰动可分别表示为：

根据电离层引起的载波相位超前与频率的关系，可得

带入式(7)，可得

由式(6)和式(8)联立，可解得频率f₁的电离层和对流层大气相位扰动分别为

所以，频率f_i时总的大气相位扰动可以表示为

在步骤S6中，充分考虑了包含电离层对大气相位的扰动和不包含电离层对大气相位扰动的情况，使得大气相位扰动的修正方法适用性更广。

本发明实施例另一方面提出一种天线阵大气相位扰动修正系统，包括：

导航系统测量装置，用于在两地测量同一卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位。导航系统测量装置可为两套或多套。如图3所示，每套导航系统测量装置包括导航数据接收设备、原子钟、频率综合器、同步计数器、原子钟模块、时间修正和钟差测量模块、测量数据存储与转发模块等。其中，导航数据接收设备用于在两地测量同一卫星的载波相位，原子钟、同步计数器、频率综合器、原子钟模块及时间修正和钟差测量模块相互结合作用，用于同步导航数据接收设备在两地测量同一卫星的载波相位过程中测量时刻及时间间隔。具体地：

导航数据接收设备，包括导航接收天线、低噪声放大器、下变频器、模数转换(ADC)、导航数字接收机等设备组成，实现导航卫星的伪距、载波相位、时间等参数的测量；导航数字接收机可以采用GPS、BDS、Galileo、GLONASS等导航系统中的一种或多种进行组合接收。

原子钟，用于提供10MHz高稳定度的频率标准和1pps信号，原子钟可采用高频率稳定度的氢钟、铷钟或铯钟等。

频率综合器，基于锁相频率综合技术，将输出的本振信号锁定到高精度的原子钟10MHz频标信号上，输出的频标信号提供给下变频器、ADC、导航数字接收机、时间修正和钟差测量模块作为频率标准。

同步计数器，用于实现输入频标的周期计数，输出原子钟时间1秒内的原子钟时间。

原子钟模块，用于实现原子钟时间的整秒累加和导航系统时间的钟差计算。

时间修正和钟差测量模块，用于在观测开始前利用导航系统时间对原子钟时间进行对时，在观测过程中计算原子钟时间与导航系统时间的时差；并将修正后的原子钟时间输入导航数字接收机。

测量数据存储与转发模块，用于实现各种导航系统中导航卫星的伪距、载波相位、时间等测量参数的记录和网络转发。

当导航系统测量到卫星的载波相位后，通过对载波相位的处理，根据处理结果即可修正天线阵大气相位扰动，具体的处理模块包括：

单差模块，用于对第一载波相位及第二载波相位进行差分，消除由卫星钟差、卫星轨道误差等导致的载波相位误差，得到载波相位单差数据。

双差模块，用于对载波相位单差数据与卫星的历元单差数据进行差分，消除整周模糊度和接收机钟差的影响，得到载波相位双差数据。

修正模块，用于对载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据，根据两地大气相位差分数据对天线阵大气相位扰动进行修正。

具体地，修正模块根据卫星的轨道预报文件数据对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于卫星运行导致的相位；或利用精确星历修正方式对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于卫星运行导致的相位；或通过卫星的多普勒观测数据的长周期变化趋势对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于卫星运行导致的相位，从而得到两地大气相位差分数据。

由于测量距离选取的不同，若电离层对大气相位扰动的影响可忽略，则利用测量得到的同一历元下所有可见导航卫星方向的大气相位差分数据，在天线阵观测目标方向上，对两地大气相位差分数据进行插值或拟合，获得天线阵观测目标方向的大气相位扰动修正值，根据大气相位扰动修正值对所述天线阵大气相位扰动进行修正；若同时存在电离层和对流层大气扰动，则需要在不同的频率下，分别计算电离层和对流层大气扰动，再根据计算结果对大气扰动进行修正。

通过修正模块的设计，充分考虑了包含电离层对大气相位的扰动和不包含电离层对大气相位扰动的情况，使得大气相位扰动的修正方法适用性更广。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，包括：

S1，在两地测量同一导航卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位；

S2，对所述第一载波相位及第二载波相位进行差分，得到载波相位单差数据；

S3，将所述载波相位单差数据与所述导航卫星的历元单差数据进行差分，得到载波相位双差数据；

S4，对所述载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据；

S5，重复S1-S4，测量同一历元下的所有可见的导航卫星对应的两地大气相位差分数据，得到多个两地大气相位差分数据；

S6，根据所述多个两地大气相位差分数据对所述天线阵大气相位扰动进行修正。

2.根据权利要求1所述的天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，所述根据所述多个两地大气相位差分数据对所述天线阵大气相位扰动进行修正包括：

在天线阵观测目标的方向上，对所述多个两地大气相位差分数据进行插值或拟合，获得天线阵观测目标方向的大气相位扰动修正值，根据所述大气相位扰动修正值对所述天线阵大气相位扰动进行修正。

3.根据权利要求1所述的天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，所述根据所述多个两地大气相位差分数据对所述天线阵大气相位扰动进行修正还包括：

根据所述多个两地大气相位差分数据，在不同测量频率下，分别计算电离层对天线阵大气相位的相位扰动以及对流层对天线阵大气相位的相位扰动；

根据所述电离层对天线阵大气相位的相位扰动以及对流层对天线阵大气相位的相位扰动所述天线阵大气相位扰动进行修正。

4.根据权利要求1所述的天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，基于卫星导航系统，在两地测量同一导航卫星的载波相位，其中所述卫星导航系统为全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统及伽利略卫星导航系统中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，在两地测量同一导航卫星的载波相位过程中，采用原子钟的时间同步测量过程中的测量时刻及时间间隔。

6.根据权利要求1所述的天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，所述对所述载波相位双差数据进行相位修正包括：

根据所述导航卫星的轨道预报文件数据对所述载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于所述导航卫星运行导致的相位；

或利用星历修正方式对所述载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于所述导航卫星运行导致的相位；

或通过所述导航卫星的多普勒观测数据的长周期变化趋势对载波相位双差数据进行相位修正，以修正由于所述导航卫星运行导致的相位。

7.根据权利要求5所述的天线阵大气相位扰动修正方法，其特征在于，在两地测量同一导航卫星的载波相位之前，还包括：

利用卫星导航系统的时间对所述原子钟的时间进行对时。

8.一种天线阵大气相位扰动修正系统，其特征在于，包括：

导航系统测量装置，用于在两地测量同一导航卫星的载波相位，得到第一载波相位及第二载波相位；

单差模块，用于对所述第一载波相位及第二载波相位进行差分，得到载波相位单差数据；

双差模块，用于对所述载波相位单差数据与所述导航卫星的历元单差数据进行差分，得到载波相位双差数据；

修正模块，用于对所述载波相位双差数据进行相位修正，得到两地大气相位差分数据，根据所述两地大气相位差分数据对所述天线阵大气相位扰动进行修正。

9.根据权利要求8所述的天线阵大气相位扰动修正系统，其特征在于，所述导航系统测量装置包括：

导航数据接收设备、原子钟、同步计数器、频率综合器、原子钟模块及时间修正和钟差测量模块；

其中，所述导航数据接收设备用于在两地测量同一导航卫星的载波相位，所述原子钟、同步计数器、频率综合器、原子钟模块及时间修正和钟差测量模块用于同步所述导航数据接收设备在两地测量同一导航卫星的载波相位过程中测量时刻及时间间隔。

10.根据权利要求9所述的天线阵大气相位扰动修正系统，其特征在于，所述导航数据接收设备采用全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统及伽利略卫星导航系统中的一种或多种组合进行数据接收。

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