轉(zhuǎn)發(fā)式測距設(shè)備時延中的溫度效應

武文俊，李志剛，李孝輝，楊旭海，陳亮，弓劍軍

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轉(zhuǎn)發(fā)式測距設(shè)備時延中的溫度效應

武文俊1,2,3，李志剛1,2，李孝輝1,2，楊旭海1,2，陳亮1,2，弓劍軍1,2,3

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院精密導航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院研究生院，北京 100039）

為實現(xiàn)高精度衛(wèi)星測距，測定了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距地面設(shè)備時延與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。利用已知發(fā)射通道和接收通道時延的調(diào)制解調(diào)器測定了待測調(diào)制解調(diào)器的接收通道和發(fā)射通道時延，使用轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距地面設(shè)備測定了地面站設(shè)備整體時延。由地面氣象儀器獲得環(huán)境溫度參數(shù)。利用測定的時延和溫度數(shù)據(jù)研究了設(shè)備時延與溫度之間的變化關(guān)系。統(tǒng)計分析表明：在自然溫度條件下，設(shè)備時延的變化與溫度的變化之間基本呈線性關(guān)系。對于高精度衛(wèi)星測距，溫度對設(shè)備時延的影響不能忽略。

轉(zhuǎn)發(fā)式測距；時延；溫度

0 引言

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞（TWSTFT）是當前世界上主要的遠距離時間比對技術(shù)之一[1]。從1999年開始，國際權(quán)度局（BIPM）采用該技術(shù)來歸算協(xié)調(diào)世界時（UTC）。目前，歐洲、美洲和亞洲的許多國家時頻基準實驗室都有TWSTFT系統(tǒng)，其準確度達500～750 ps，穩(wěn)定度可達200 ps[2]。中國科學院國家授時中心（NTSC）在國內(nèi)首先建立起了衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞系統(tǒng)并開展了相關(guān)的研究[3-4]，并于2009年與國際TWSTFT中心站德國物理技術(shù)研究院（PTB）正式建立了TWSTFT常規(guī)比對鏈路，通過幾個月的穩(wěn)定運行，NTSC—PTB鏈路被正式用于UTC的歸算。

從2003年開始，國家授時中心在TWSTFT的基礎(chǔ)上提出了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距新方法，并建立了轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距系統(tǒng)，其對衛(wèi)星的測距精度優(yōu)于1cm，相比常規(guī)的S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)測距精度提高了2個數(shù)量級[5]，該系統(tǒng)雙向時間同步的準確度優(yōu)于1ns，達到國內(nèi)外先進水平。轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距方法在測距過程中必須準確扣除電離層、對流層、Sagnac效應、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面站設(shè)備時延等因素的影響，其中設(shè)備時延與溫度變化密切相關(guān)[6-7]。本文主要通過原子鐘、擴頻通信調(diào)制解調(diào)器（Modem）、甚小口徑終端（VSAT）和室外氣象數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，測定轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距系統(tǒng)設(shè)備時延和設(shè)備所處環(huán)境的溫度變化的關(guān)系。通過對測量數(shù)據(jù)的計算分析，擬合歸算出設(shè)備時延和溫度的關(guān)系，從而可望提高轉(zhuǎn)發(fā)式系統(tǒng)衛(wèi)星測距的精度。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距原理

1.1 測距原理

轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測距觀測方法的原理是利用衛(wèi)星地面站的原子鐘產(chǎn)生的高精度時間信號，經(jīng)調(diào)制產(chǎn)生不同偽碼的時間信號，同時向同一顆衛(wèi)星以相同的載頻發(fā)射偽碼擴頻信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)向各衛(wèi)星地面站，因此，每個地面站在同一個頻點上可接收到所有臺站發(fā)送的時間信號，每個地面站接收機測定信號時延，最終各地面站到衛(wèi)星間的距離可被確定。圖1是轉(zhuǎn)發(fā)式測距網(wǎng)示意圖，不同信號的組合，形成不同模式的轉(zhuǎn)發(fā)器式衛(wèi)星測距觀測方法：各臺站接收自己臺站發(fā)射的信號，這種信號組合形成了自發(fā)自收轉(zhuǎn)發(fā)器式測距觀測方法；各臺站均接收同一臺站發(fā)射的信號，這種組合形成了一發(fā)多收轉(zhuǎn)發(fā)器式測距觀測方法；多站發(fā)多站接收信號，這種組合形成多發(fā)多收轉(zhuǎn)發(fā)器式測距觀測方法。本文主要研究自發(fā)自收模式下地面設(shè)備時延中的溫度效應。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式測距網(wǎng)示意圖

1.2 觀測方程

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距自發(fā)自收模式下觀測到信號傳播時延后，由式（1）可得到衛(wèi)星與地面站之間的偽距為

＝（×）/2。 （1）

式（1）中，為真空中光速。在上述得到的信號傳播時延中，它不僅包含了衛(wèi)星到地面站傳播所需的真距時延，還包括了電離層、對流層、Sagnac效應和設(shè)備時延等附加時延。因此，必須從實測值中準確扣除這些附加時延，才能實現(xiàn)真正的衛(wèi)星測距，具體觀測方程如下：

這些影響中，電離層影響可以通過常用的經(jīng)驗模型或雙頻求解技術(shù)予以消除或減弱，對流層也可以通過經(jīng)驗模型來消除或減弱[8]，Sagnac效應在自發(fā)自收模式下可以忽略不計，轉(zhuǎn)發(fā)器時延難以從觀測方程中分離出來，可以在衛(wèi)星軌道計算過程中作為未知參數(shù)來解算[4]；而地面站設(shè)備時延可以通過準實時測量得到，這將在第2節(jié)中進行討論。

2 地面設(shè)備時延與溫度的測定

轉(zhuǎn)發(fā)式測距地面站設(shè)備時延包括4部分：Modem發(fā)射通道時延、VSAT發(fā)射通道時延、VSAT接收通道時延和Modem接收通道時延。轉(zhuǎn)發(fā)式測距地面設(shè)備信號流如圖2所示，原子鐘信號為時延測定輔助信號。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)式測距地面設(shè)備信號流框圖

為測量地面設(shè)備時延，可以先分別測量各硬件單元的獨立時延，然后將各部分時延相加，也可以直接測量整個地面設(shè)備發(fā)射和接收通道的總時延。分別測量的方法有利于分析各單元模塊的性能，但步驟復雜，準確度較低；用整體測量的方法可以直接測得轉(zhuǎn)發(fā)式測距過程中所需扣除的全部地面設(shè)備時延，操作簡單，準確度高，但不利于分析各設(shè)備模塊的性能。

分別測量一般可以使用網(wǎng)絡矢量分析儀和示波器等進行[7]。但在轉(zhuǎn)發(fā)式測距設(shè)備中，Modem本身具有信號傳播時延測定、顯示與數(shù)據(jù)采集功能，測量Modem發(fā)射通道時延與接收通道時延時，可以利用一臺獨立于轉(zhuǎn)發(fā)式測距設(shè)備并已知發(fā)射通道時延與接收通道時延的Modem輔助測量轉(zhuǎn)發(fā)式測距設(shè)備中待測Modem的發(fā)射通道時延和接收通道時延，如圖3（a）和（b）所示的兩次測量得到的時延分別減去輔助Modem的已知發(fā)射時延或接收時延，就可以得到轉(zhuǎn)發(fā)式測距設(shè)備中待測Modem的發(fā)射通道時延或接收通道時延。測量時將待測設(shè)備置于溫度變化的環(huán)境中，輔助測量設(shè)備置于恒溫環(huán)境中。VSAT發(fā)射通道與接收通道時延可以通過網(wǎng)絡矢量分析儀或示波器等進行測定。

圖3 Modem發(fā)射與接收通道時延測量框圖

整體測量的方法是將原子鐘時間信號由調(diào)制解調(diào)器發(fā)射通道調(diào)制發(fā)射，然后輸出至VSAT天線系統(tǒng)發(fā)射通道發(fā)射，并直接由VSAT天線系統(tǒng)接收通道接收，VSAT天線系統(tǒng)將接收到的信號送給調(diào)制解調(diào)器的接收通道，最后信號經(jīng)調(diào)制解調(diào)器接收通道解調(diào)便可測得地面站整體設(shè)備的時延，如圖2所示，這樣測得的設(shè)備時延不再包括電離層、對流層等其他方面的影響。

溫度的測定比較簡單，在地面設(shè)備附近安裝一臺氣象監(jiān)測設(shè)備并由工業(yè)控制計算機對其溫度數(shù)據(jù)直接進行采集。

3 實驗結(jié)果分析

下面給出轉(zhuǎn)發(fā)式測距系統(tǒng)核心設(shè)備調(diào)制解調(diào)器（SATRE#）在2012年1月一次實驗中發(fā)射通道（TX）與接收通道（RX）時延分別隨溫度的變化關(guān)系，每3 min采集一次時延與溫度數(shù)據(jù)，如圖4和5所示，橫坐標表示溫度，縱坐標表示時延變化。該次測量利用兩臺調(diào)制解調(diào)器發(fā)射和接收通道通過電纜直接對接得到測量結(jié)果，如圖3（a）和（b）所示，測量過程中將待測調(diào)制解調(diào)器置于溫度變化的環(huán)境中，將輔助測量調(diào)制解調(diào)器和電纜置于恒溫環(huán)境中。由圖4和5可以看出，該臺調(diào)制解調(diào)器（SATRE#）的發(fā)射通道溫度系數(shù)約為-53 ps/℃，接收通道溫度變化系數(shù)約為110 ps/℃，（TX+RX）的溫度系數(shù)約為57 ps/℃。圖6和7分別為2005年6月6~19日整體測量法測量的兩個轉(zhuǎn)發(fā)式地面站的發(fā)射通道與接收通道時延和隨溫度的變化，實驗中每1 h分別取一次設(shè)備時延與溫度數(shù)據(jù)的平均值，橫坐標表示時間，左邊縱坐標表示時延，右邊縱坐標表示溫度。從這兩幅圖中，可以明顯地看出，設(shè)備時延與溫度具有很強的相關(guān)性，設(shè)備時延的變化隨溫度變化也顯現(xiàn)出周日變化的特征，但各站不同的設(shè)備，對溫度的依賴關(guān)系強弱不同。對兩個站的時延與溫度曲線做了擬合，擬合統(tǒng)計結(jié)果表明：一個站時延溫度系數(shù)大約為44 ps/℃，另一個站時延溫度系數(shù)大約為11 ps/℃，如圖8和9所示。從圖4至圖9可以看出，硬件設(shè)備時延基本與溫度的變化呈現(xiàn)線性關(guān)系。在衛(wèi)星地面站安裝過程中，地面站設(shè)備應該盡可能多地置于室內(nèi)可以控制的恒溫環(huán)境中，以便減小或避免溫度變化對其時延的影響。

圖4 SATRE#發(fā)射通道時延隨溫度的變化

圖5 SATRE#接收通道時延隨溫度的變化

圖6 地面A站發(fā)射通道與接收通道時延總和與溫度隨時間的變化

圖7 地面B站發(fā)射通道與接收通道時延總和與溫度隨時間的變化

圖8 地面A站發(fā)射通道與接收通道時延總和隨溫度的變化

圖9 地面B站發(fā)射通道與接收通道時延總和隨溫度的變化

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距系統(tǒng)是高精度的衛(wèi)星測距系統(tǒng)。在測距過程中包含了多方面的附加時延誤差影響，準確消除或減弱這些誤差影響，才能最大程度地得到準確的星地距離。地面設(shè)備時延誤差是轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測距過程中的一項重要誤差源，而該項與溫度的變化有著強烈的依賴關(guān)系。地面設(shè)備時延可以采用分別測量和整體測量這兩種方法來測定。前者便于單個硬件單元時延測定與性能分析，后者用于地面設(shè)備時延的整體準確扣除與性能分析。通過實驗分析表明：在自然溫度條件下，無論是單個硬件單元時延，還是整體地面設(shè)備時延，它們與溫度之間基本都呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。消除、減弱或避免溫度變化對設(shè)備時延的影響不僅對衛(wèi)星測距，而且對時頻及衛(wèi)星導航等其他領(lǐng)域也具有重要的意義。

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The effect of temperature on transfer ranging equipment delay

WU Wen-jun1,2,3, LI Zhi-gang1,2, LI Xiao-hui1,2, YANG Xu-hai1,2,CHEN Liang1,2, GONG Jian-jun1,2,3

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

For realizing satellite ranging with high-precision, the relationship between equipments delay and environmental temperature for satellite ranging earth-station was determined. The transmitting time delay and receiving time delay of the modem were measured by using the modem with known time delays. The time delay of whole equipments for the earth-station was measured by using the transfer ranging equipments of the earth-station. The temperature parameter was collected by using meteorographs. The relationship between the equipments delay and the temperature was studied based on the measurements. The statistic analyses indicate that the equipment delay changes linearly with the natural temperature. The influence of temperature on the equipments time-delay couldn′t be ignored for high-precision satellite-ranging.

transfer ranging; time delay; temperature

P228.41

A

1674-0637(2013)02-0113-07

2012-02-08

國家自然科學基金重點資助項目（11033004）；中國科學院研究生科技創(chuàng)新類資助項目；中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃西部博士資助項目（Y001YR5601）

武文俊，男，博士，助理研究員，主要從事衛(wèi)星測定軌與時間同步研究。