衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)式系統(tǒng)地面站設(shè)備時延測量方法

蘇 瑜，荊文芳，宋 靜

（1.中國科學(xué)院國家授時中心，陜西西安 710600；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

2011 年，衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)在中國區(qū)域定位系統(tǒng)（China Area Positioning System，CAPS）的基礎(chǔ)上開始建設(shè)，其為BDS（北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，BeiDou Navigation Satellite System）的技術(shù)驗證平臺。經(jīng)過5年的努力，BOTP 系統(tǒng)于2016 年建成，并進行了測試。評估驗收工作于2017 年8 月底完成[1]。目前認(rèn)為CAPS 系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的初期階段。衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)作為BDS 的測試平臺，具有獨立的導(dǎo)航、定位和定時功能，是我國自主研發(fā)的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。與GPS、BDS、GLONASS 和GELILEOG之類的傳統(tǒng)GNSS 系統(tǒng)相比，衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)不需要在衛(wèi)星上安裝原子鐘，并且由于導(dǎo)航信號是在地面控制站產(chǎn)生的，因此可以在地面站中使用更高穩(wěn)定性的原子鐘[3]。衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號從衛(wèi)星上的產(chǎn)生不同，衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)導(dǎo)航信號由地面主控站產(chǎn)生，發(fā)送給衛(wèi)星，因此信號傳輸多了一條從地面到衛(wèi)星的上行鏈路，并且經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，用戶接收到類似于GPS的直發(fā)信號[4]。從BOPT 系統(tǒng)信號的傳輸物理過程來看，信號經(jīng)過了地面站上行設(shè)備、空間傳播鏈路到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后經(jīng)過下行空間傳播鏈路到用戶接收機，直至用戶接收機解算輸出[5]。無論對于用戶接收機還是主控站綜合基帶來說，多了一條上行鏈路，因此對其測量的星地距離都會產(chǎn)生誤差，對于授時、定位、測速都是不可忽略的誤差項。所以對于地面站上行設(shè)備時延和下行設(shè)備時延的測量至關(guān)重要。

對于地面站設(shè)備時延的測量校準(zhǔn)，文獻[6]通過專用時延測量設(shè)備對天線以下的設(shè)備時延進行準(zhǔn)確測量，可以溯源到標(biāo)準(zhǔn)儀器，便于不同時間、不同位置的設(shè)備來進行比對，但其沒有考慮天線的時延。文獻[7]設(shè)計了一種外環(huán)設(shè)備時延測量方法，但是其中用到的模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的時延不能很好地扣除。一般GPS 校準(zhǔn)和移動站是一種相對時延測量方法，要求用于測量的基準(zhǔn)設(shè)備在搬移前后具有較高的時延穩(wěn)定性[8-10]。文中詳細(xì)闡述了BOPT 系統(tǒng)地面站設(shè)備時延的概念，采用具有輸入駐波小、噪聲底、頻帶寬、頻率穩(wěn)定性高的梳狀譜發(fā)生器（SMC+PHASE）來校準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(簡稱矢網(wǎng))，并且采用校準(zhǔn)過的矢網(wǎng)來進行一部分設(shè)備時延測量。地面站鏈路設(shè)備時延通過一部分設(shè)備時延根據(jù)儀器提前標(biāo)定和一部分根據(jù)設(shè)備本身結(jié)構(gòu)計算相結(jié)合來確定?；跍y量和計算相結(jié)合的方法進行了設(shè)備時延測量有效性驗證和不確定度分析。實驗結(jié)果表明了該方法的有效性，并計算出一天的不確定度為0.2 ns。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)構(gòu)成

BOPT 系統(tǒng)的組成與傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如BDS、GPS、GLONASS、GELILEOG 等類似，包括空間星座段、地面控制段和用戶接收段[11]，系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示?？臻g星座段主要包含不同衛(wèi)星組成的定位測距源。地面控制段主要由地面衛(wèi)星高精度測控及定軌系統(tǒng)、導(dǎo)航信號主控系統(tǒng)以及時頻基準(zhǔn)系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成[12]。用戶接收段主要包括各種用戶接收機等設(shè)備。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)組成框圖

文中主要進行BOPT 系統(tǒng)地面站設(shè)備時延的測量，所以需了解BOPT 系統(tǒng)的地面站設(shè)備組成。圖2展示了衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)地面主控站的組成。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)地面主控站組成

如圖2 所示，地面主控站中時頻統(tǒng)一參考源為綜合基帶提供1PPS 信號和10 MHz 信號，綜合基帶發(fā)出對數(shù)據(jù)碼擴頻、調(diào)制產(chǎn)生的擴頻信號，經(jīng)上變頻器、高功率放大器后到達地面站天線相位中心；然后經(jīng)過上行空間鏈路到達衛(wèi)星天線相位中心入口，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器混頻后由衛(wèi)星天線出口發(fā)出；再經(jīng)過下行空間鏈路到達地面站天線相位中心；最后通過低噪聲放大器、下變頻器到達綜合基帶，形成一個閉環(huán)模式。對于從衛(wèi)星天線出口發(fā)出的信號，不但主控站的地面站天線可以接收，任何地點的監(jiān)測接收機都可通過天線接收。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)設(shè)備時延定義

在連續(xù)波跟蹤測量系統(tǒng)中，設(shè)備中存在慣性元件和尺寸誤差，信號通過設(shè)備將產(chǎn)生固定時延，這個固定時延叫做設(shè)備時延[13]。在衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)中，由圖2 可知，根據(jù)信號傳輸鏈路的不同，設(shè)備時延主要分為發(fā)射鏈路設(shè)備時延、接收鏈路設(shè)備時延和收發(fā)組合設(shè)備時延。

2.1 發(fā)射鏈路設(shè)備時延

衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)地面站發(fā)射鏈路設(shè)備時延定義為信號從綜合基帶輸出口一直到天線相位中心的時延值。發(fā)射鏈路設(shè)備時延包括綜合基帶輸出到上變頻器電纜時延tu1、上變頻器時延tu2、上變頻器到SSPA（功率放大器）電纜時延tu3、SSPA 時延tu4、合路單元時延tu5、上行波導(dǎo)時延tu6、饋源發(fā)射耦合口tu7、C/L饋源時延tu8以及饋源網(wǎng)絡(luò)到天線相位中心的時延tu9。如圖3所示。發(fā)射鏈路的設(shè)備時延由式（1）表示為：

圖3 發(fā)射鏈路設(shè)備時延示意圖

2.2 接收鏈路設(shè)備時延

衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)地面站接收鏈路設(shè)備時延定義為信號從天線相位中心一直到綜合基帶輸入口的時延值，發(fā)射鏈路設(shè)備時延包括天線相位中心到C/L饋源網(wǎng)絡(luò)的時延td1、C/L 饋源時延td2、饋源接收耦合口td3、LNA（場放）時延td4、LNA 到下變頻器電纜時延td5、下變頻器時延td6、下變頻器到基帶輸入的時延td7。如圖4 所示。接收鏈路的設(shè)備時延如式（2）所示：

圖4 接收鏈路設(shè)備時延示意圖

2.3 收發(fā)組合設(shè)備時延

在衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)中，地面站綜合基帶完成信號自發(fā)自收的工作方式，收發(fā)組合設(shè)備時延實際就是發(fā)射鏈路設(shè)備時延和接收鏈路設(shè)備時延之和，即T=Tup+Tdown。由圖2 可知，衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)地面站存在上行和下行鏈路，衛(wèi)星可看作是上行鏈路信號和下行鏈路信號的頻率轉(zhuǎn)換器。同時，為了測量系統(tǒng)設(shè)備時延，在射頻部分配置了一個類似于衛(wèi)星的測試轉(zhuǎn)發(fā)器，使信號在地面站可以構(gòu)成自閉環(huán)，以完成系統(tǒng)設(shè)備時延測量和信號的地面自驗證，這種環(huán)路稱為射頻自閉環(huán)鏈路。射頻自閉環(huán)鏈路設(shè)備時延可由綜合基帶進行測量，采用綜合基帶設(shè)備測量設(shè)備鏈路時延最能反映設(shè)備時延對系統(tǒng)的影響，而且簡單易操作，可為其他設(shè)備時延測量方法提供一個驗證有效性的基礎(chǔ)。

3 設(shè)備時延的測量方法

不論是發(fā)射鏈路設(shè)備時延Tup還是接收鏈路設(shè)備時延Tdown，都是各個設(shè)備時延的組合，所以要測量Tup和Tdown是不可完成的。例如，饋源網(wǎng)絡(luò)到天線相位中心的時延tu9是根據(jù)天線機械結(jié)構(gòu)計算得到的[4]。所以文中主要采用利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量值tA、部分設(shè)備提前標(biāo)定值tu8和計算值tu9之和的方法完成Tup和Tdown的測量。圖5 詳細(xì)說明了衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的設(shè)備時延測量的具體安排。

圖5 設(shè)備時延標(biāo)定的具體安排

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量值tA由式（3）表示：

3.1 基于梳狀譜發(fā)生器校準(zhǔn)的矢網(wǎng)測量設(shè)備時延

梳狀譜發(fā)生器可生產(chǎn)高精度相位校準(zhǔn)信號，在寬帶綜合時，可將導(dǎo)致設(shè)備通道傳輸不一致的附加相位去掉，從而得到精確的群延遲量值。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量原理是先測量被測器件的相頻響應(yīng)特性，然后取相位差與頻率差的比值來近似微分計算[14]。

矢網(wǎng)最典型的應(yīng)用是測量同頻器件的時延[15]，但根據(jù)圖5 可知，發(fā)射鏈路設(shè)備時延中，由綜合基帶的出口到饋源入口這一鏈路的時延標(biāo)定主要采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成，這是一個變頻的鏈路時延測量。文中采用梳狀譜發(fā)生器（SMC+PHASE）校準(zhǔn)的矢網(wǎng)時延測量方案，該方法主要是利用梳妝波校準(zhǔn)失量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機的不同頻點之間的相位，進而在測量時不需要參考變頻設(shè)備直接對被測變頻設(shè)備進行時延的測量[5]，并且通過此方法對矢網(wǎng)本身進行校準(zhǔn)后，使矢網(wǎng)兩個端口在不同頻率下工作也能進行高精度時延測量，不必在每次測量之前進行校準(zhǔn)。

3.2 地面站基于矢網(wǎng)的設(shè)備時延測量實現(xiàn)方法

由式（3）可知，被測量的tA是一條鏈路，在采用矢網(wǎng)測量時，不可能把被測的兩段直接放在矢網(wǎng)的兩個端口，所以用時延已知的測試電纜作為測試臂，引入時延零值的概念，測出測試臂的時延總和，作為時延零值，存儲在時延校準(zhǔn)軟件中，并在最終結(jié)果中扣除。同時借助于簡單的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)切換，實現(xiàn)不同頻點的切換選通，如圖6 所示。

圖6 地面站基于矢網(wǎng)的設(shè)備時延測量

由圖6可知，先用梳狀譜發(fā)生器對矢網(wǎng)進行校準(zhǔn)；其次測量不同鏈路的設(shè)備時延，已知測試臂為2 m和20 m 的電纜時延分別為T1和T2，但是每條鏈路的長短不同，只用測試臂的長度不可能對每條鏈路進行測量，所以引入測試用的3 條時延未知電纜，通過兩兩連接的方式進行測量。經(jīng)過解三元一次方程得到每個測試電纜的時延，這樣增加3 條長度未知的電纜，足夠?qū)Φ孛嬲镜脑O(shè)備時延進行測量。其中，測試電纜時延方程為：

根據(jù)式（5）解方程得到式（6）:

最后，通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同連接鏈路的切換選通，得到被測鏈路的設(shè)備時延。如需要加入電纜A 來測量，則被測鏈路時延可用式（7）計算得到，依次類推，對于不同的鏈路，采用不同的電纜連接方式利用此方法都可得到鏈路的設(shè)備時延。

其中，T1和T2分別為測試臂2 m 和20 m 的電纜時延；T31、T32和T33分別為電纜A、B、C 的時延值；TVNA1為連接電纜A 和B 使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TVNA2為連接電纜B 和C 使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TVNA3為連接電纜A 和C 使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TVNA為測量鏈路設(shè)備時延時連接電纜為A使用矢網(wǎng)測量得到的時延和；TDUT為被測量的鏈路設(shè)備時延。

4 衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)設(shè)備時延測量驗證實驗

4.1 設(shè)備時延測量的有效性分析

利用文中矢網(wǎng)測量鏈路設(shè)備時延的方法，對衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的一條射頻自閉環(huán)鏈路進行測量，則射頻自閉環(huán)鏈路的設(shè)備時延TIF為從基帶輸出口一直到衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器入口鏈路設(shè)備時延Ttr、衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器Tter和從衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器出口到基帶輸入口Tre鏈路設(shè)備時延之和，如圖7 所示。射頻鏈路設(shè)備時延的測量也可通過綜合基帶閉環(huán)來測量，可以進行使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量設(shè)備時延準(zhǔn)確性驗證。驗證結(jié)果如表1 所示。利用矢網(wǎng)測得的Ttr為270.87 ns、Tter為121.29 ns，Tre為228.47 ns，則射頻自閉環(huán)鏈路的設(shè)備時延TIF為620.63 ns。利用綜合基帶直接通過射頻閉環(huán)測得的設(shè)備時延為620.43 ns。兩種方法得到的射頻自閉環(huán)鏈路的設(shè)備時延偏差為0.2 ns，說明該實驗驗證了使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的設(shè)備時延測量的有效性。

圖7 射頻自閉環(huán)鏈路設(shè)備時延測量示意圖

表1 射頻自閉環(huán)鏈路的設(shè)備時延

4.2 設(shè)備時延測量的不確定度性分析

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量設(shè)備時延的不確定度主要有矢網(wǎng)時延測量的不確定度τVNA、測試臂時延標(biāo)定的不確定度τtest和測量時受溫度影響的不確定度τtemp等。

矢網(wǎng)測量的不確定度由式（4）表示，其中Δφ為矢網(wǎng)相位測量的不確定度[5]，Δω為矢網(wǎng)孔徑（換算成MHz）。

在此次實驗中，矢網(wǎng)型號為N5242A，相位測量的不確定度Δφ為±0.6°，當(dāng)口徑設(shè)置為5 MHz 時，τVNA=0.1 ns。

測試臂時延標(biāo)定的不確定度τtest主要由矢網(wǎng)測量不確定度引起，τtest=0.1 ns。在10～30°C 的測試環(huán)境中，對F1down接收鏈路進行一天的長期觀測，圖8為在F1down頻點處的絕對時延值。這一條鏈路包括一條長電纜、接收饋源、LNA（低噪聲放大器）、下變頻器等。這個結(jié)果表明，使用矢網(wǎng)測量的時延在100 s 平均時的變化值在0.15 ns 內(nèi)。

圖8 設(shè)備時延一天的變化

由于各個不確定度互不相關(guān)，所以設(shè)備測量的不確定度如式（9）所示。

該實驗驗證了使用矢網(wǎng)測量設(shè)備時延不確定度為0.2 ns，說明所測結(jié)果與真值很接近，驗證了該方法的準(zhǔn)確性[17-20]。

5 結(jié)論

在衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)中，地面站設(shè)備時延的測量主要采用基于梳狀譜發(fā)生器（SMC+PHASE）校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時延測量、部分設(shè)備提前標(biāo)定和計算相結(jié)合的方法，并且基于梳狀譜發(fā)生器校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析可以對變頻鏈路設(shè)備時延進行測量，到達一次校準(zhǔn)多次測量的結(jié)果。通過實驗驗證了該方法的有效性、可實施性；最后分析了該方法的不確定度性為0.2 ns。地面站設(shè)備時延的確定對衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位和授時精度的提高提供了重要的意義。