在轨卫星的转发器群时延测量方法与流程

本发明涉及一种时延测量方法，属于卫星通信、精密时间传递领域。

背景技术：

现如今，卫星通信系统已经涉及到各个领域，重要性不断凸现。对于通信卫星来说，转发器是卫星有效载荷的主要组成部分之一。卫星转发器是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路的连接设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。对它的基本要求是以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率为各地面站有效而可靠地转发无线电信号。目前国际上主要的授时实验室都是通过中继卫星转发器实现远距离的高精度时间频率传递。可以说，卫星转发器的性能直接影响着卫星通信系统的诸多业务。当卫星在轨运行一定时间后，受器件老化等的影响，需要对其在轨状态进行检测评估，而该项工作比在地面时要困难复杂。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在轨卫星的转发器群时延测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：使用某地面站上的两套天线系统a和b相互独立观测待测卫星转发器s，a和b是同源共钟的时频参考，建立as和bs的星地双向链路，分别得到各自链路地面站至卫星的时延值ρas和ρbs，其中，分别为t时刻a和b之间的几何距离除以光速，分别为t时刻a和b及其射频信道设备的设备时延，εa、εb分别为信号在传输过程中的其他传输延迟，表示用来接收并透明转发的天线a和b分别发射信号时的卫星转发器时延；观测过程中，一套天线始终观测转发器带宽的中心频点，另一套天线根据卫星转发器的有效带宽以及地面站对该卫星的可视时间，从低频至高频对该转发器的有效带宽进行遍历，得到天线a和b的卫星转发器时延之差对于两套天线的坐标组成的基线矢量将基线距离投影到卫星与天线的视方向上，得到基线距离改正量

所述地面站至卫星的时延值采用卫星模拟转发器的绝对测量方法完成。

所述的观测过程中，首先导出一个观测周期的数据进行测试。

本发明的有益效果是：能够针对在轨卫星的转发器群时延进行测量，为后续进一步优化提高系统的测定轨精度提供有益参考，同时也可为卫星公司提供卫星转发器的性能评估服务。

附图说明

图1是卫星转发器群时延测量原理示意图；

图2是基线距离修正原理图；

图3是地面站设备时延测量原理图；

图4是本发明的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

针对在轨运行卫星的转发器性能测试困难复杂从而影响对卫星精密轨道的确定、轨道预报以及高精度站间时间同步的问题，本发明提出了对卫星的转发器群时延在轨测量的方法实现卫星转发器性能测试。通过某一地面站两套并址安装的天线及射频信道设备分别独立的开展对待测试卫星转发器的观测，设置两套天线系统不同的观测模式，便可归算出该卫星转发器的群时延。结果表明：该方法能够有效测量卫星转发器群时延，其残差的rms优于0.3ns，为后续进一步优化提高系统的测定轨精度提供有益参考，同时也可为卫星公司提供卫星转发器的性能评估服务。

由于绝对的在轨卫星转发器性能评估比较困难，考虑从站间差分的角度进行转发器群时延测试，而该方法也是进一步优化系统性能指标的重要手段。

在轨卫星转发器群时延测量原理：已知国内某地面站上的两套天线系统a和b，这两套天线系统都是同源共钟的时频参考，彼此间相互独立观测；假设待测量的卫星转发器编号为s，这样，a和b将通过分别开展对s的常规观测，建立as和bs的星地双向链路，分别得到各自链路地面站至卫星的时延值ρas和ρbs，如下：

其中：

ρas(t)、ρbs(t)分别为t时刻地面站天线a和b各自观测卫星得到的伪距值；

分别为t时刻，卫星与天线a和天线b之间的几何距离除以光速，即(xs，ys，zs)和(xi，yi，zi)分别为卫星以及天线i(i＝a,b)在t时刻的坐标；

分别为t时刻天线a和天线b及其射频信道设备的设备时延；

εa、εb分别为信号在传输过程中的其他传输延迟；

表示用来接收并透明转发的天线a和天线b分别发射信号时的卫星转发器时延。

在这个过程中，一套天线始终观测转发器带宽的中心频点，而另一套天线则根据卫星转发器的有效带宽以及地面站对该卫星的可视时间，决定观测频率的步长，从低频至高频对该转发器的有效带宽进行遍历。因为两套天线并址安装，将式(1)中的两式相减后，大部分的空间传播误差(电离层、对流层、系统误差等)都可以相互抵消，如下所示：

式(2)中的最后一项的[εb-εa]，因两套天线信号传播路径的近似相等，大部分的误差项都已经抵消，故而该部分误差时延向对于前面几部分而言，可以忽略。另一方面，因地面站坐标不同引起的几何路径误差项其对测量结果的影响较大，在计算时必须予以修正。因天线位置不同而引起的几何路径误差的计算方法如图2所示。

由图2可知，两套天线的坐标组成的基线矢量则将基线距离投影到卫星与天线的视方向上，可以得到基线距离改正量：

这样，结合式(2)、式(3)，便可以实现对卫星转发器群时延的高精度测量。

需要特别说明的是，如果是geo卫星，则因卫星相对于地面站静止不动，因天线a和b的站坐标引起的测量误差几乎为常数；而对于igso卫星，因卫星与地面站存在相对运动，因天线a和b的站坐标引起的测量误差将不再是常数，而是具有日周期变化的时延曲线。

本发明的具体步骤如下：

步骤1：

检查两套天线及射频信道设备的工作状态，在观测开始前做系统的自测试工作，包括地面站设备时延的标定检测以及观测卫星的卫星环路检测，确认各设备状态良好；

步骤2：

分别编写两套天线观测大纲，a天线发射信号的中心频点为待测试卫星转发器有效带宽的中心频点；b天线发射信号的中心频点需要遍历整个待测试卫星转发器的有效带宽，根据带宽及地面站实际情况设置观测时间段；编写完成后加载观测大纲；

步骤3：

开始观测并检查数据记录是否正常；可对观测前期采集到的少量数据进行预处理，在调试数据处理程序的同时，也可分析数据质量；

步骤4：

观测时间结束后，恢复天线之前的工作模式，随后开始分析处理数据，包括对原始观测数据的预处理、系统误差的修正、同源零基线钟差的求解等。另一方面，也要根据式(3)，同时归算出地面站基线距离的改正量。将各项参数都计算出来后，带入式(2)，便可完成群时延的测量。

所述的步骤1：地面站设备状态测试

采用卫星模拟转发器的绝对测量方法完成地面站设备时延的标定，检验系统工作状态。具体实现流程如下：从modem发射的中频70mhz信号，经分路器分成两路后，分别输入至上变频器1和上变频器2，再由合路器合成一路信号，经过功率放大器对信道放大后，由天线向外发射。由安装在天线主反射面边缘的小天线(卫星模拟转发器)接收、经与测试转发器输出的本振信号混频后，再向外发射，并再次由同一抛物面天线(指信号发射天线)接收后，将混频后的信号传递至后端的接收设备中，包括低噪声放大器、下变频器等，最终又重新输入至modem，实现信号的解调并解算出整个环路的硬件设备时延。如图3所示。

所述的步骤2：观测大纲编写及加载

因为两套天线的观测模式不同，所以其观测大纲需要分别编写。天线a始终观测转发器带宽的中心频点，天线b则根据卫星转发器的有效带宽以及地面站对该卫星的可视时间，决定观测频率的步长，从低频至高频对该转发器的有效带宽进行遍历。通过使用基于microsoftvisualstudio2010平台自行编写的观测大纲自动生成软件，实现对两套天线观测大纲的编写，并加载至各套天线的天线控制单元。

所述的步骤3：调试数据处理程序及观测数据检查

观测开始后，可先导出少量数据(通常取一个观测周期(30分钟))进行测试，并根据采集到的数据文件，基于matlab语言编写数据处理程序，完成包括对数据的预处理(主要是筛选及剔除无效数据)、系统误差扣除以及基线距离修正、数据处理结果统计分析、数据处理结果可视化。

所述的步骤4：卫星转发器群时延计算

结合公式(1)至(3)，对观测期间采集到的数据进行统一处理，使用步骤3编写的数据处理程序，实现对卫星转发器群时延的计算，并将结果保持至本地的文本文件，供相关单位使用。数据处理结果表明，卫星转发器群时延的测量精度优于0.3ns。

本实施例测量时使用的地面站为三亚站。测试开始前通过系统的设备时延标定环路，检查系统内各设备的工作状态是否正常；亚太七号卫星是一颗geo卫星，星下点经度为76.5°e，本次测量的是该卫星搭载的c波段透明转发器的群时延，该透明转发器的有效带宽为36mhz，因为该卫星全天可视，所以转发器群时延的测量步长选择的是1mhz，每个周期的观测时间为30分钟，测量时间为utc时间2019年5月12-13日，每日的03:00-21:30，共37个频点。分别对完成天线a和b观测大纲的编写；使用matlab语言编写数据处理程序，对试验期间的数据进行预处理，主要是筛选及剔除无效数据、系统误差扣除以及基线距离修正等；对预处理后的数据进行处理，使用步骤3编写的数据处理程序，实现对卫星转发器群时延的计算，并将结果保持至本地的文本文件。数据处理结果表明，卫星转发器群时延的测量精度优于0.3ns，满足用户需求。