北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系

謝 軍，張建軍，王 崗

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；2. 中國空間技術(shù)研究院，北京100094；3. 中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安710000)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。按照“質(zhì)量、安全、應(yīng)用、效益”的總要求，以及“自主、開放、兼容、漸進(jìn)”的發(fā)展原則，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略和工程建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，提供亞太地區(qū)全天候的位置、速度和時(shí)間信息，在軍事和民用上顯現(xiàn)出越來越重要的用途，其應(yīng)用前景遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象[1-2]。

北斗系統(tǒng)主要包括空間星座部分、地面控制部分和用戶終端部分，定位基本原理是用戶同時(shí)接收不少于4顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，從而測(cè)得4個(gè)以上偽距觀測(cè)量，在衛(wèi)星坐標(biāo)、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星不同頻點(diǎn)間相對(duì)設(shè)備時(shí)延偏差已知的情況下，計(jì)算自己的三維坐標(biāo)和鐘差[3-5]。

偽距是通過將接收到的信號(hào)與接收機(jī)自身產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比較，得到時(shí)間差或相位差，進(jìn)一步計(jì)算而得到的。因此，從概念上講，偽距是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最基本的觀測(cè)量，測(cè)量精度直接決定了系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度。當(dāng)前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但在偽距測(cè)量仍存在一些誤差源[6-10]，需要全面研究和深刻理解這些誤差，在北斗全球系統(tǒng)研制，以及未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)論證中有針對(duì)性的削弱這些誤差影響，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的能力。

本文圍繞北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的偽距測(cè)量誤差，全面分析了系統(tǒng)的測(cè)量原理，從系統(tǒng)誤差指標(biāo)體系的構(gòu)建流程、原始核心指標(biāo)篩選、系統(tǒng)誤差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面構(gòu)建北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)。結(jié)合實(shí)例，從導(dǎo)航衛(wèi)星下行鏈路絕對(duì)時(shí)延的測(cè)試需求，引出了絕對(duì)時(shí)延的測(cè)試問題，根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的特點(diǎn)，為了完成通道絕對(duì)時(shí)延的測(cè)試，必須確定衛(wèi)星時(shí)間的零點(diǎn)，因此，定義星載導(dǎo)航任務(wù)處理單元對(duì)外1PPS信號(hào)的輸出口作為衛(wèi)星的時(shí)間零點(diǎn)，作為導(dǎo)航衛(wèi)星下行鏈路絕對(duì)時(shí)延指標(biāo)的測(cè)試開始，給出需要測(cè)試的絕對(duì)時(shí)延的路徑組成。同時(shí)，根據(jù)每一段路徑的測(cè)試誤差，求出整個(gè)通道絕對(duì)時(shí)延的測(cè)量誤差。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量原理

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的原理主要是根據(jù)空間幾何以及物理知識(shí)的相關(guān)原理，利用衛(wèi)星在空間的分布以及衛(wèi)星與地球表面之間的距離交會(huì)坐標(biāo)，算出地面點(diǎn)的具體位置。

與地面光電測(cè)距法不同，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)偽距測(cè)量，原理上需要兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)稱為衛(wèi)星鐘，一個(gè)稱為用戶接收機(jī)鐘(本地時(shí)鐘)。由于衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘存在時(shí)鐘誤差，因而距離測(cè)量值稱為偽距。為了方便分析各種誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，通常將誤差源都?xì)w屬于衛(wèi)星的偽距參數(shù)測(cè)量中，并可以看成是偽距值的等效誤差。

本文從碼偽距的物理定義和梳理出來的各種誤差源參數(shù)著手，圍繞測(cè)量誤差重新進(jìn)行分析，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)碼偽距的測(cè)量原理如圖1所示。假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻ts稱為發(fā)射時(shí)間，用戶接收信號(hào)的時(shí)刻tu稱為接收時(shí)間。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)碼偽距的測(cè)量原理Fig.1 Measurement principle of Beidou satellite navigation system code pseudorange

通常，用戶時(shí)鐘與北斗衛(wèi)星時(shí)鐘不完全同步，假設(shè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間(BDT)實(shí)際上等于t，那么t時(shí)刻用戶接收機(jī)時(shí)間為tu(t)，并將此刻用戶接收機(jī)時(shí)間和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間的差值記為δtu(t)，即

tu(t)=t+δtu(t)

(1)

同理，

ts(t)=t+δts(t)

(2)

偽距ρ(t)定義為信號(hào)接收時(shí)刻與發(fā)射時(shí)刻之間所經(jīng)過的距離，即

ρ(t)=c(tu(t)-ts(t-τ))

(3)

其中，τ表示信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到接收機(jī)接收所需的實(shí)際傳播時(shí)間

將式(1)代入式(3)，得

ρ(t)=cτ+c(δtu(t)-δts(t-τ))

(4)

導(dǎo)航信號(hào)實(shí)際傳播時(shí)間由兩部分組成：一部分為信號(hào)傳播幾何距離的時(shí)間，另一部分為由大氣層引起的傳播延遲，即

(5)

其中，大氣傳播延時(shí)又可以分解成電離層延時(shí)I(t)和對(duì)流層延時(shí)T(t)兩部分，將式(5)代入式(4)，得

ρ(t)=r(t-τ,t)+c(δtu(t)-δts(t-τ))+

cI(t)+cT(t)+ερ(t)

(6)

式中:ρ(t)表示偽距觀測(cè)值,r(t-τ,t)為衛(wèi)星到接收機(jī)的真實(shí)距離,ερ(t)表示噪聲誤差。式(6)就是常說的偽距觀測(cè)方程式，它是用戶接收機(jī)利用偽距實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)絕對(duì)定位的基本方程式。

如果北斗用戶接收機(jī)能夠同時(shí)接收到不少于四顆衛(wèi)星，那么式(4)便可求得此時(shí)用戶接收機(jī)的坐標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位服務(wù)，如圖2所示。

圖2 北斗用戶接收機(jī)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位解算示意圖Fig.2 Schematic diagram of satellite navigation and positioning solution by Beidou user receiver

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位是基于被動(dòng)式測(cè)距原理。即北斗用戶接收機(jī)終端不需要發(fā)出信號(hào)，僅被動(dòng)地接收信號(hào)，測(cè)得接收機(jī)天線相位中心和北斗衛(wèi)星發(fā)射天線相位中心之間的距離，進(jìn)而將它和北斗衛(wèi)星在軌位置進(jìn)行聯(lián)合解算，即可得出北斗用戶接收機(jī)的三維位置坐標(biāo)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差定位精度與空間位置幾何精度因子和測(cè)量誤差因子相關(guān)：

Mp=PDOP×Up

(7)

式中:PDOP為空間位置幾何精度因子,Up為測(cè)量誤差因子。

2 北斗系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系構(gòu)建流程

為了精確地構(gòu)建北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系，需要建立一套全面嚴(yán)格的評(píng)估規(guī)范、評(píng)估程序、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星星座、介質(zhì)傳播、用戶接收機(jī)以及大系統(tǒng)地面運(yùn)控和測(cè)控系統(tǒng)等方面提供測(cè)試依據(jù)和保障。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系構(gòu)建流程包括從設(shè)計(jì)到結(jié)果確認(rèn)的全過程，其過程模型如圖3所示，即為指標(biāo)設(shè)計(jì)→測(cè)試→評(píng)估→完善修改→確認(rèn)的全過程。測(cè)量誤差指標(biāo)的最終確認(rèn)，一般需要經(jīng)過以下四個(gè)驗(yàn)證過程：原始核心指標(biāo)的篩選、指標(biāo)層次架構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)物模擬仿真測(cè)試和試驗(yàn)衛(wèi)星測(cè)試。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)偽距觀測(cè)量的測(cè)量數(shù)據(jù)中包含的多種誤差，按其產(chǎn)生的來源、性質(zhì)、大小及對(duì)測(cè)量值的影響等進(jìn)行原始核心指標(biāo)的篩選。在構(gòu)建指標(biāo)層次架構(gòu)設(shè)計(jì)要體現(xiàn)其多因素性、完整性以及科學(xué)合理性、可控可測(cè)量等特點(diǎn)，即在綜合考慮影響北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差所有因素的前提下，科學(xué)合理地選擇具有代表性的各因素指標(biāo)，使所選擇的指標(biāo)參數(shù)能夠系統(tǒng)地、完整地反映被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的誤差水平。

實(shí)物模擬測(cè)試是在室內(nèi)用導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生模擬器和用戶接收機(jī)來模擬衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差產(chǎn)生、接收和處理過程，實(shí)現(xiàn)評(píng)估測(cè)量誤差的方法。試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證是通過發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，由試驗(yàn)衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，在地面用實(shí)際接收機(jī)來接收處理導(dǎo)航信號(hào)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量與服務(wù)性能的方法。

在這四種驗(yàn)證手段中，后期的驗(yàn)證手段可信度更高，但驗(yàn)證周期也越長(zhǎng)，資源代價(jià)較大。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，而且有些因素是不可重復(fù)和預(yù)見的，一方面包括衛(wèi)星播發(fā)信號(hào)的實(shí)際特征(如信號(hào)調(diào)制偏差和發(fā)射天線增益變化)，信號(hào)在空間的傳播方式(包括多徑影響)和各種不同形式的RF干擾等因素；另一方面用戶接收機(jī)包含不同的應(yīng)用模式，其在不同的時(shí)間和地點(diǎn)時(shí)接收與測(cè)試特性可能有所不同。除非是在導(dǎo)航衛(wèi)星星座實(shí)際運(yùn)行中，否則北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差在上述情景中是不能一一被用戶接收機(jī)驗(yàn)證的，這自然限制了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其權(quán)衡和評(píng)價(jià)的效用。

圖3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差設(shè)計(jì)到確認(rèn)的過程Fig.3 The process of designing and confirming the measurement error of the Beidou satellite navigation system

在未確定最終指標(biāo)和狀態(tài)之前，必須按照?qǐng)D3構(gòu)建過程，完成參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)，進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，完善修改和最終確認(rèn)，同時(shí)進(jìn)行誤差控制。一般來講誤差指標(biāo)的變化都將會(huì)帶來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品軟硬件上較大的影響，需要修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

因此，系統(tǒng)誤差指標(biāo)測(cè)試通常是在地面實(shí)物仿真測(cè)試的環(huán)境下進(jìn)行，根據(jù)需要模擬出真實(shí)工作環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)并達(dá)到科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)估各項(xiàng)性能指標(biāo)的目的。在此前提下，依據(jù)規(guī)范的測(cè)試方法，科學(xué)合理且可重復(fù)使用和各種因素影響可控制的測(cè)試場(chǎng)景，提供有用的設(shè)計(jì)結(jié)果。

地面試驗(yàn)強(qiáng)調(diào)在接近實(shí)際工作場(chǎng)景的條件下開展，指標(biāo)體系的建立要在研究未來系統(tǒng)構(gòu)建問題基礎(chǔ)上，綜合考慮系統(tǒng)空間段、傳輸段和地面段的使命任務(wù)，不同應(yīng)用需求，以及使用環(huán)境等多種因素。因此，需要明確指標(biāo)體系建立方法，使不同的設(shè)計(jì)人員圍繞關(guān)鍵問題開展試驗(yàn)，避免設(shè)計(jì)偏差，同時(shí)試驗(yàn)使空間試驗(yàn)既能滿足實(shí)戰(zhàn)化要求，同時(shí)又能降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

2.2 系統(tǒng)測(cè)量誤差層次分解方法

1)系統(tǒng)測(cè)量誤差原始核心指標(biāo)篩選

根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量原理，依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各個(gè)組成部分及其相互關(guān)系，可知偽距測(cè)量中存在著接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)、多徑效應(yīng)以及噪聲干擾等誤差，為了使誤差分析的層次和角度保持一致，主要從衛(wèi)星、信號(hào)傳播介質(zhì)和地面接收段等三個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量誤差指標(biāo)的篩選，其角度劃分定義和內(nèi)涵如表1所示。

表1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)篩選Table 1 Selection of measurement error indicators for Beidou satellite navigation system

2)層次分析法

層次分析法是將要評(píng)價(jià)系統(tǒng)的各種指標(biāo)分解成若干層次，并比較同一層次的多種關(guān)聯(lián)因素，為分析和預(yù)測(cè)事物的發(fā)展提供定量依據(jù)。根據(jù)層次分析法，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量誤差元素分解成系統(tǒng)目標(biāo)、準(zhǔn)則、要素和方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析。把復(fù)雜系統(tǒng)測(cè)量誤差問題表示為一個(gè)有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，層次分析結(jié)構(gòu)如圖4所示。最上層為系統(tǒng)目標(biāo)層，最下層為方案層，中間有一個(gè)或幾個(gè)層次為指標(biāo)層，同一層的因素對(duì)上層因素有影響，同時(shí)又支配著下一層的因素。

導(dǎo)航衛(wèi)星、信號(hào)傳播環(huán)境、地面接收設(shè)備的能效狀態(tài)直接反映整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量誤差的來源和能效水平。因此，將導(dǎo)航衛(wèi)星、信號(hào)傳播環(huán)境、地面接收設(shè)備(包括北斗用戶接收機(jī)和地面運(yùn)控北斗接收裝置)，以及上述三者(導(dǎo)航衛(wèi)星、信號(hào)傳播環(huán)境、地面接收設(shè)備)不同段耦合難以界定清楚的誤差作為第2層，即作為準(zhǔn)則層指標(biāo)。

同時(shí)，衛(wèi)星時(shí)延誤差、衛(wèi)星鐘誤差、其電離層、對(duì)流層，以及北斗用戶接收機(jī)噪聲誤差、多徑誤差等諸多要素狀況對(duì)測(cè)量誤差能效有很大的影響，將其按準(zhǔn)則層細(xì)分到第3層，即作為要素指標(biāo)層，偽距偏差為導(dǎo)航衛(wèi)星、信號(hào)傳播環(huán)境和地面接收設(shè)備不同段的耦合誤差，此類誤差不再單獨(dú)列出，逐步分解在要素層內(nèi)。

3)系統(tǒng)誤差測(cè)量指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距性能的分析，在層次分解方法基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)量誤差分類，構(gòu)建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距性能，從縱向角度按照目標(biāo)層→系統(tǒng)層→準(zhǔn)則層→要素層→基礎(chǔ)指標(biāo)層等5個(gè)層次進(jìn)行分類，如表2所示。

圖4 層次分析法確定測(cè)量誤差指標(biāo)示意圖Fig.4 The measurement error indicator determined by analytic hierarchy process

(1)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系構(gòu)建的總體目標(biāo)是通過測(cè)量誤差指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)與管理，根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量原理，將工程誤差的不利影響降到最低程度，實(shí)現(xiàn)高精度偽距測(cè)量。

(2)系統(tǒng)層是從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段、地面控制段和用戶段整體角度考慮，根據(jù)碼相位偽距測(cè)量公式分析可知，實(shí)際應(yīng)用中觀測(cè)值不可避免的存在各種誤差。為了分析與控制各種誤差對(duì)觀測(cè)精度的影響，假設(shè)可以將這些誤差源歸屬到各顆衛(wèi)星的偽距中，并看成是偽距值中的等效距離誤差，把等效距離誤差定義為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)層次誤差。

(3)準(zhǔn)則層表征實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，在此從與衛(wèi)星相關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播介質(zhì)有關(guān)的誤差、與地面接收段有關(guān)的誤差三個(gè)角度設(shè)計(jì)。

(4)要素層相對(duì)準(zhǔn)則層的客觀要素，每個(gè)要素包含若干具體指標(biāo)。

(5)基礎(chǔ)指標(biāo)層為可解決問題的直接可度量因子，在此主要指單機(jī)設(shè)備中的主要指標(biāo)參數(shù)。

表2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)誤差測(cè)量指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)Table 2 Hierarchy structure of Beidou satellite navigation system error measurement index system

2.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系構(gòu)建

按照系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系構(gòu)建流程，結(jié)合層次分析法，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系準(zhǔn)則層包括北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、信號(hào)傳播環(huán)境和地面接收段三部分，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系如圖5所示。

1)導(dǎo)航衛(wèi)星的要素層主要包括衛(wèi)星時(shí)延誤差、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差和相對(duì)論效應(yīng)。從衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間零點(diǎn)到信號(hào)變換電路輸出端的時(shí)延、從信號(hào)變換電路輸出端到微波調(diào)制器輸出端的時(shí)延、從微波調(diào)制器輸出端到功率放大器輸出端時(shí)延、從功率放大器輸出端到天線相位中心點(diǎn)時(shí)延，以及信號(hào)間誤差、發(fā)射天線相位中心偏差和星地雙向時(shí)間比對(duì)星上誤差屬于導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)延誤差。衛(wèi)星鐘誤差包括星鐘參數(shù)更新率、鐘差預(yù)報(bào)模型精度、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度和頻率漂移率等。星歷誤差主要從廣播星歷和精密星歷兩方面體現(xiàn)。

2)信號(hào)傳播環(huán)境主要有電離層延遲誤差、對(duì)流層折射誤差兩方面。電離層延遲誤差包括碼延遲、載波相位超前、多普勒頻移、信號(hào)波衰減、相位閃爍效應(yīng)和磁暴效應(yīng)。對(duì)流層折射誤差包括干燥天氣附件延遲、濕潤(rùn)大氣或水蒸氣效應(yīng)。

3)地面接收段分為接收機(jī)誤差、多路徑或遮擋誤差和地面運(yùn)控誤差等。用戶接收機(jī)測(cè)量誤差包括接收機(jī)鐘差和各部分電子器件的熱噪聲、信號(hào)量化誤差、偽距測(cè)量誤差、信號(hào)互相關(guān)誤差、軟件計(jì)算誤差、接收天線相位中心偏差。地面運(yùn)控系統(tǒng)誤差包括地面接收時(shí)延誤差、星歷誤差和潮汐誤差。地面運(yùn)控系統(tǒng)時(shí)延誤差體現(xiàn)在星地雙向時(shí)間比對(duì)地面誤差，星歷誤差一般為地面產(chǎn)生的，來源為地面運(yùn)控系統(tǒng)；如果為自主運(yùn)行狀態(tài)，星歷誤差來自星上和地面運(yùn)控共同產(chǎn)生，潮汐誤差包括固體潮、海潮和極潮對(duì)臺(tái)站誤差等。

圖5 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系Fig.5 The measurement error index system of the Beidou satellite navigation system

3 實(shí)物模擬測(cè)試研究

導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，從產(chǎn)生、調(diào)制放大、濾波、最后從天線口面發(fā)射送出形成，供地面用戶使用的單頻或多頻導(dǎo)航信號(hào)。地面利用至少4顆衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)實(shí)時(shí)獲取星地之間的距離，完成地面用戶的定位等功能。地面接收機(jī)測(cè)得的衛(wèi)星到地面之間的距離測(cè)量值包含衛(wèi)星下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延、星地之間距離、地面接收設(shè)備的接收通道時(shí)延。

為了得到準(zhǔn)確的星地距離，需要從距離測(cè)量值中扣除衛(wèi)星下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延和地面接收設(shè)備的接收通道時(shí)延。衛(wèi)星下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延必須在衛(wèi)星發(fā)射之前測(cè)量獲取；地面接收設(shè)備的接收通道時(shí)延由地面接收設(shè)備自行獲取。同時(shí)，也可以在星地距離確定已知(精度達(dá)到要求)的情況下，通過地面接收機(jī)得到衛(wèi)星發(fā)射通道和地面接收通道的組合絕對(duì)時(shí)延，這樣比單獨(dú)測(cè)試各自時(shí)延方便許多。但是由于每顆衛(wèi)星面對(duì)的地面接收設(shè)備很多，很難也不可能測(cè)試出各種組合情況下的組合時(shí)延。從地面接收機(jī)得到的組合時(shí)延中扣除地面接收設(shè)備時(shí)延和星地實(shí)際距離(可以通過激光測(cè)距得到)得到衛(wèi)星下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延，此種方法受電離層和對(duì)流層的影響比較大，精度難以達(dá)到納秒級(jí)。

3.1 衛(wèi)星時(shí)延零點(diǎn)確定

衛(wèi)星下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延是指從衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)零點(diǎn)到發(fā)射天線口面相位中心點(diǎn)的路徑時(shí)延。不同衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)零點(diǎn)的位置各不相同，有的衛(wèi)星把整個(gè)衛(wèi)星的基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出口作為零點(diǎn)，有的把下行天線相位中心點(diǎn)作為零點(diǎn)，有的把衛(wèi)星下行信號(hào)對(duì)應(yīng)的秒信號(hào)作為零點(diǎn)。在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)零點(diǎn)定義為：導(dǎo)航任務(wù)處理單元產(chǎn)生的1PPS信號(hào)作為整個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間零點(diǎn)。

3.2下行鏈路絕對(duì)時(shí)延的定義及組成

在早期的導(dǎo)航衛(wèi)星中，整個(gè)下行鏈路由導(dǎo)航任務(wù)處理單元、導(dǎo)航信號(hào)的信號(hào)變換、微波調(diào)制器、濾波器、功率放大器、發(fā)射天線以及它們之間的高低頻電纜組成。

本文以早期的下行鏈路為例，分析衛(wèi)星下行絕對(duì)時(shí)延的測(cè)試方法，對(duì)下行鏈路的時(shí)延構(gòu)成，進(jìn)行清晰的描述，下行發(fā)射鏈路絕對(duì)時(shí)延測(cè)試流程如圖6所示。當(dāng)前的新一代導(dǎo)航衛(wèi)星下行鏈路的數(shù)字化程度得到很大提高，與圖6相比微波調(diào)制器改為變頻器，前端全用數(shù)字實(shí)現(xiàn)，時(shí)延測(cè)量采用高速采樣接收機(jī)解調(diào)時(shí)標(biāo)信號(hào)的原理進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試誤差更小。

下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延指：從衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)零點(diǎn)到下行發(fā)射天線相位中心點(diǎn)的信號(hào)路徑時(shí)延，即從圖6中的Z點(diǎn)到V點(diǎn)的時(shí)延。圖6中，Z為衛(wèi)星系統(tǒng)零點(diǎn)，1PPS信號(hào)輸出點(diǎn)；S為六路導(dǎo)航信號(hào)的雙極性輸出點(diǎn)；T為微波QPSK調(diào)制器的信號(hào)輸出點(diǎn)；U為行波管放過大器的輸出點(diǎn)；V為下行發(fā)射天線相位中心點(diǎn)。

圖6 下行發(fā)射鏈路絕對(duì)時(shí)延測(cè)試框圖Fig.6 Block diagram of absolute delay for downlink transmission links

3.3 下行鏈路的測(cè)量方法

根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星下行鏈路的特點(diǎn)，把下行時(shí)延的絕對(duì)時(shí)延的測(cè)量組成，分為四個(gè)部分進(jìn)行測(cè)量。這四部分分別為：從衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間零點(diǎn)到信號(hào)變換電路輸出端的時(shí)延(Z→S)，從極性變換電路輸出端到微波調(diào)制器輸出端的時(shí)延(S→T)，從微波調(diào)制器輸出端到功率放大器輸出端時(shí)延(T→U)，從功率放大器輸出端到天線相位中心點(diǎn)時(shí)延(U→V)。

1)從衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間零點(diǎn)到信號(hào)變換電路輸出端的時(shí)延(Z→S)

這一段的電路以數(shù)字電路為主，在信號(hào)變換電路之前，所有的信號(hào)(含1PPS信號(hào))為3.3 V的CMOS電平，信號(hào)變換電路也是把單極性的CMOS數(shù)字信號(hào)變?yōu)殡p極性的數(shù)字信號(hào)。

數(shù)字信號(hào)的時(shí)延可以用數(shù)字示波器精確測(cè)量，現(xiàn)有的數(shù)字示波器的采樣率可以到20 GHz。具體測(cè)量連接如圖7所示。系統(tǒng)時(shí)間零值Z點(diǎn)1PPS信號(hào)上升沿對(duì)應(yīng)的極性變換后輸出的信號(hào)為導(dǎo)航電文的引導(dǎo)段巴克碼(11100011010)的第一個(gè)信息所對(duì)應(yīng)的在其上調(diào)制的擴(kuò)頻碼初相(1111111111)第一位的上升沿。用示波器測(cè)量這兩個(gè)信號(hào)上升沿之間的相差(扣除示波器兩個(gè)探頭間的零值)即為Z→S間的絕對(duì)時(shí)延，由于示波器的測(cè)量精度為(20 GHz/4)：0.2 ns，示波器零值的測(cè)量精度為0.2 ns，則Z→S間的絕對(duì)時(shí)延的測(cè)量精度為：0.283 ns。

2)從信號(hào)極性變換電路輸出端到微波調(diào)制器輸出端的時(shí)延(S→T)

圖7 Z-S間的絕對(duì)時(shí)延測(cè)試框圖Fig.7 Block diagram of absolute delay between Z-S

這一段的電路以調(diào)制器為主，數(shù)字雙極性信號(hào)與射頻載波進(jìn)行混頻，產(chǎn)生導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送給所有用戶的無線電信號(hào)。假設(shè)微波調(diào)制器為QPSK調(diào)制，I支路和Q支路的信號(hào)在混頻器中所走的路徑不同，因此它們?cè)谡{(diào)制器中的時(shí)延也有差異，因此在測(cè)試方法中，分別單獨(dú)測(cè)量I支路和Q支路的時(shí)延，調(diào)制器時(shí)延的測(cè)量方法可使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量方法如圖8所示。

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試時(shí)，I支路的信號(hào)和Q支路的信號(hào)時(shí)延分別進(jìn)行測(cè)試。在作I支路測(cè)試時(shí)，Q支路的輸入端加50 Ω負(fù)載，反之亦然。調(diào)制器1為上變頻器，調(diào)制器2為下變頻器，兩個(gè)調(diào)制器采用同一種同一批次器件，測(cè)試時(shí)默認(rèn)兩個(gè)調(diào)制器的時(shí)延一致。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)各自的頻點(diǎn)，測(cè)出：1′，2′，3′之間的時(shí)延，從1′的時(shí)延中減去2′和3′的時(shí)延除以2，即得到調(diào)制器S→T間的絕對(duì)時(shí)延，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量精度為：0.1 ns，則采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S→T間的絕對(duì)時(shí)延的測(cè)量精度為：0.173 ns。

圖8 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法測(cè)量S-T間的絕對(duì)時(shí)延的測(cè)試框圖Fig.8 Test block diagram for measuring the absolute delay between S and T by the vector network analyzer method

3)從微波調(diào)制器輸出端到功率放大器輸出端時(shí)延(T→U)

這一段的電路沒有頻率變化環(huán)節(jié)，整個(gè)電路信號(hào)在一個(gè)頻率上工作，可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得整個(gè)鏈路的時(shí)延。測(cè)量精度為0.1 ns，

4)從功率放大器輸出端到天線相位中心點(diǎn)時(shí)延(U→V)

這一段時(shí)延為饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端口到天線相位中心傳輸所需的時(shí)延。測(cè)試時(shí)延時(shí)，測(cè)試場(chǎng)地需要滿足天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件，測(cè)試環(huán)境無電磁干擾(減小環(huán)境引起的時(shí)延測(cè)試誤差)，在測(cè)試過程中應(yīng)特別注意測(cè)試電纜的連接可靠性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用力矩扳手保證每次連接的一致性。測(cè)試步驟如下：

(1)Tf為自由空間的電磁波傳播時(shí)延為已知量，Tf=d/c,d為天線相位中心間的距離(可以精確測(cè)量)，c為光速；T1為狀態(tài)一測(cè)試的總時(shí)延；由此推算出標(biāo)準(zhǔn)天線的絕對(duì)時(shí)延Ts=(T1-Tf)/2。

(2)T2表示狀態(tài)二測(cè)試的總時(shí)延；由此推算出U→V的絕對(duì)時(shí)延Ta,Ta=T2-Tf-Ts。

圖9 天線時(shí)延測(cè)試示意圖Fig.9 Antenna delay test

圖10 天線時(shí)延測(cè)試示意圖二Fig.10 Antenna delay test schematic II

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B進(jìn)行時(shí)延測(cè)試，時(shí)延測(cè)試精度見表3。

對(duì)于L頻段信號(hào)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相位測(cè)量隨溫度變化約為±0.2°/℃，測(cè)試帶寬為4 MHz時(shí)，時(shí)延測(cè)試隨溫度變化根據(jù)±0.2°/[360×帶寬(Hz)]，計(jì)算約為0.14 ns。

表3 時(shí)延測(cè)試精度Table 3 Delay test accuracy

5)下行時(shí)延測(cè)量精度分析

把測(cè)得的上述四段時(shí)延值方差平方相加、開根號(hào)計(jì)算，其結(jié)果即為導(dǎo)航信號(hào)下行鏈路的絕對(duì)時(shí)延。20 G示波器測(cè)試的為小數(shù)部分，一般示波器測(cè)試的為整數(shù)部分，為1/10.23 MHz的整數(shù)倍(見圖11)。示波器的通道1測(cè)試結(jié)果為1PPS，通道2測(cè)試結(jié)果為巴格碼的上升沿，時(shí)間差值為1/10.23 M。數(shù)字開關(guān)矩陣對(duì)數(shù)字信號(hào)的延遲為：2*1/10.23 M。信號(hào)波形同上，為輸入和輸出巴克碼上升沿的時(shí)間差。

圖11 20 G示波器測(cè)試示意圖Fig.11 20 G oscilloscope test schematic

20 G示波器測(cè)試的為小數(shù)部分是整個(gè)測(cè)試方法的主要誤差來源，在實(shí)際的測(cè)試中：加上天線的測(cè)量誤差。此測(cè)試方法的測(cè)試精度為：0.374 ns。

4 結(jié) 論

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)系統(tǒng)的服務(wù)精度要求，對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整并仿真計(jì)算系統(tǒng)定位精度，最終給出在滿足精度指標(biāo)條件下符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的各項(xiàng)誤差的指標(biāo)分配，并以此指導(dǎo)工程研制過程中各環(huán)節(jié)的誤差控制。由于在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的各組成部分中，測(cè)量誤差大小直接影響著衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度，指標(biāo)關(guān)系的復(fù)雜性和交叉性影響制約定量分析測(cè)量誤差指標(biāo)關(guān)系。本文圍繞約束衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量性能實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)要素，提出系統(tǒng)誤差指標(biāo)體系的構(gòu)建流程，構(gòu)建基于誤差層次分解方法的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量誤差指標(biāo)體系，在下一步的研究工作中，擬結(jié)合系統(tǒng)實(shí)施情況，對(duì)指標(biāo)體系合理性進(jìn)一步深化論證，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未來發(fā)展提供更為方便的支撐作用。