淺析衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線那點兒事

1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，第二年，美國便啟動了第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，全球各類航天器發(fā)射活動日益增多，全球衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）也已經(jīng)進入了千家萬戶，改變著人們的生活方式。 ? 不管是太陽同步衛(wèi)星、地球同步衛(wèi)星還是其他航天器，承擔(dān)衛(wèi)星測量、控制、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線必不可少。今天，小編帶大家了解一下衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線那點兒事。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要有兩大功能：導(dǎo)航定位與測量。

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導(dǎo)航定位功能需要以偽距測量（pseudo-range measurement）來實現(xiàn)，其原理是用衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼與接收機復(fù)制碼，測定測站到衛(wèi)星之間的、含有時鐘誤差和大氣層折射延遲的距離。由于測得的距離含有時鐘誤差和大氣層折射延遲，而非“真實距離”,故稱偽距。利用測定的偽距組成以接收機天線相位中心的三維坐標(biāo)和衛(wèi)星鐘差為未知數(shù)的方程組，經(jīng)最小二乘法解算以獲得接收機天線相位中心三維坐標(biāo),并將其歸化為測站點的三維坐標(biāo)可以實現(xiàn)偽距定位。由于方程組含有4個未知數(shù)，因此必須有4個以上經(jīng)偽距測量而獲得的偽距。此法既能用于接收機固定在地面測站上的靜態(tài)定位，又適于接收機置于運動載體上的動態(tài)定位。從系統(tǒng)機理上而言，導(dǎo)航定位天線只要為右旋圓極化、增益、駐波、方向圖等指標(biāo)滿足接收機的基本要求即可實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。

與導(dǎo)航定位不同，高精度測量功能需要采用載波相位測量（carrier phase measurement）實現(xiàn)。載波相位測量是利用接收機測定載波相位觀測值或其差分觀測值，經(jīng)基線向量解算以獲得兩個同步觀測站之間的基線向量坐標(biāo)差的技術(shù)和方法。 ?

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由于高精度測量的機理要求，衛(wèi)星測量型天線在常見的天線性能指標(biāo)要求之外還要增加相位中心和降低多路徑效應(yīng)以降低誤差源，提高測量精度。 ? 天線相位中心（Antenna Phase Center）是指天線的電氣中心，天線的輻射場分量等效的由這點輻射出去，輻射波為一球面。理想天線存在唯一的相位中心，其等相面為球面，因此接收不同方向的衛(wèi)星信號時不會因為天線本身產(chǎn)生額外的相位差而造成定位測量結(jié)果的偏差?，F(xiàn)實中，在整個波束空間存在唯一相位中心的天線實際上是很難做到的，絕大部分天線在整個波束空間不存在唯一的相位中心，只在主瓣某一范圍內(nèi)相位保持相對恒定。為了完整描述天線相位中心特性，需要引入平均相位中心、相位中心偏移量PCO(Phase Center Offset)和相位中心變化量PCV(Phase Center Variations)的概念，并定義天線參考點ARP(Antenna Reference Point)和天線的正北方向。天線參考點ARP一般定義為天線上表面的物理中心點，天線的正北方向在天線結(jié)構(gòu)上標(biāo)出。一般來說相位中心偏移量越小越有利于提高測量精度。

多路徑效應(yīng)（multipath effect）多路徑效應(yīng)是指接收機除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還同時收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。這些信號與直接信號疊加，從而使觀測量產(chǎn)生誤差。根據(jù)實驗資料的分析表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對偽距測量的影響可達米級，對載波相位測量的影響可達厘米級；而在高反射環(huán)境下，不僅其影響將顯著增大，而且常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。為降低多路徑效應(yīng)，測量天線一般采取扼流圈天的設(shè)計形式以降低多路徑效應(yīng)的影響。 ?

小知識

常見的衛(wèi)星測量天線

? 高精度測量技術(shù)測量精度可達到毫米級，滿足鐵路路基沉降監(jiān)測的需求。三院海鷹衛(wèi)星運營事業(yè)部基于高穩(wěn)定相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線技術(shù)研發(fā)的北斗高精度鐵路沉降監(jiān)測系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)手段所存在的諸多缺陷，具有成本低、維護簡單、監(jiān)測精度高、自動化程度高、無量程限制、全天候、實時、連續(xù)、不受氣候影響都優(yōu)點，可以更全面地了解鐵路路基各時期的變化，甚至瞬時變化，實現(xiàn)連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)的實時動態(tài)處理，從而能夠更有效地掌握鐵路路基的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題，保障路線安全。 ?

編輯：黃飛

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