卫星导航天线相位中心精确测量分析

沈可明 夏碧辉

摘要：相位中心是卫星导航天线最重要的性能指标之一，相位中心测量精度直接影响全球卫星导航系统的定位精度。天线相位中心的精确测量和校准在某些高精度测量应用的场合非常重要，它能有效减少天线测量点不准带来的误差。

关键词：卫星导航天线;相位中心;精准测量

引言

随着卫星导航技术的发展，全球导航卫星系统(GNSS)的应用不仅日益广泛，而且导航系统的定位精度要求越来越高。卫星导航系统一般由卫星、地面站和用户终端组成，卫星通过测量载波信号星地之间的传输时延进行测距解算，而时延校准参考点是导航天线相位中心，因此测量导航天线相位中心测量精度直接影响导航系统测距的解算精度。通常情况下，人们把卫星导航天线的机械中心作为天线的相位中心，实际上由于机械加工和安装误差等因素的影响，使天线的相位中心与机械中心存在偏差，因此精确测量导航天线的相位中心是非常重要的。

1天线相位中心定义

天线辐射电磁波的辐射源中心(即等效源点);或描述为天线远区辐射场的等相位面与通过天线的平面相交曲线的曲率中心。如果天线辐射的电磁波是一个球面波，在任意给定频率下，使天线相位方向图无关的坐标原点，称为球面波的相位中心，通常就是球心。任意一个天线可能有相位中心，亦可能没有相位中心，即天线辐射的无线电波可能是一个球面m波，亦可能不是球面波，这完全取决于天线形式。在整个空间，具有唯一相位中心的天线实际上是不多的，而绝大多数天线只在主瓣某一范围内或是以某点为参考点时，所关心天线主波束一部分的角度范围内，天线的相位保持恒定，由此部分等相位面求出的相位中心叫做天线的视在相位中心。天线视在相位中心一般通过实验的方法确定，即通过测量天线相位方向图，如果在测量角度范围内，测量的天线相位方向图近似为一条直线或测量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心点的一个最小半径的球，这个球的球心称为天线的视在相位中心。天线在不同切割面上可能有各自的相位中心，如果它们的相位中心不重合，说明天线有相散。

2天线相位中心的测量

2.1基线测量

基线测量法就是在室外导航接收机观测场上，采用载波相位观测值，通过测定天线不同方向两天线间基线向量来测定天线相位中心偏差的方法。基线测量法实际上是一种相对测量方法，需要一套经过标定的标准参考天线，其相位中心已知，在室外开阔无遮挡的场地上，利用安装于510m的超短基线上2台接收机进行差分定位，以便尽量消除卫星轨道误差、电离层延迟、对流层延迟和多径效应等因素的影响。利用基线测量法测定卫星导航天线相位偏差的原理。一般采用旋转天线法测量卫星导航天线相位中心的水平偏差;用交换天线法测量卫星导航天线相位中心的垂直偏差。旋转天线法测量卫星导航天线相位中心水平偏差的原理方法是:首先按照图2建立测试系统，要求测试场为开阔场，把2台接收机安装在510m的超短基线上，待测天线几何中心与基线的一个端点重合，参考天线相位中心与基线的另一个端点重合，待测天线和参考天线精确调平，方向指向正北，观测一个时段(一般4590min);然后，将参考天线固定不动，待测天线依次旋转90"、180"和270"，分别观测一个时段;最后，依据观测结果，分别解算各时段基线的向量值，由此确定待测天线相位中心与其几何中心的相对偏差。交换天线法测量卫星导航天线相位中心垂直偏差的原理方法是:首先按照图2所示的原理框图建立测试系统，要求测试场为开阔场，把2台接收机安装在510m的超短基线上，精确地对中调平，天线指向正北，精确地测量天线的高度，观测一个时段(一般4590min);然后，将待测天线和参考天线交换，精确地对中调平，天线指向正北，精确地测量天线的高度，再观测一个时段(一般4590min);最后，依据观测结果，分别解算2个时段基线的向量值，由此确定待测天线相位中心垂直偏差。

2.2远场测试方法

在天线远场对天线辐射性能进行测试分为在微波暗室中的远场测试和开阔室外空间的远场测试。开阔室外空间的远场测试受测试场的环境，特别是待测天线周围的环境（有源和无源干扰）的影响较大。微波暗室的远场测试方法设计时应满足以下两个条件：一是收发天线间的测试距离应满足测试要求；二是测试系统误差和测试场的环境对测试误差的影响应在可接受的范围内。（1）远场的最小测试距离，有源天线等效相位中心辐射的电磁波经过距离R到达待测天线（接收）口面，以待测天线口面中心为参考，口面边缘的相位差为近似平面波，一般取max/8，所得距离称为远场最小测试距离。（2）式中，D通常取待测天线最大口径尺寸，当源天线口径更大时，D选取上述两天线口径的最大值。影响天线辐射性能的测试精度的因素主要包括：远场近似带来的误差，天线安装时位置误差，转台转动误差，相位测量误差等。

2.3近场测试方法

近场测量方法采用一个和多个特性已知的探头，抽测天线近区某一表面上场的幅、相分布，通过严格的数学变换可以确定天线的远场特性。测量面通常取为平面、圆柱面或球面，相应的称为平面扫描的近场测量技术、柱面或球面扫描的近场测量技术。该法的基本思想是把待测天线在空间建立的场展开成平面波函数（或柱面波函数，或球面波函数）之和，展开式中的加权函数包含着远场图的完整信息，根据近场测量数据算出加权函数，进而确定天线的远场方向图。在球面近场测试场中，对天线的相位方向图进行测试时，会将被测天线放置在球面测试场中的对应位置，测试中保持被测天线不动，通过AIT校准确定被测天线的参考相位中心点与球面测试场的测试中心的相对位置关系。通过在多个探头之间进行电切换，获得每一个探头的测试数据，然后对测试数据进行探头的互耦影响消除处理，就得到天线在一个切面内的辐射近场数据，转动多探头机械臂后再进行对另一个切面内数据的采集，进而获得整个球面的辐射场，再进行近远场变换就可以得到天线的辐射远场数据。

结束语

在高精度测量的系统，类似于GPS姿态判定或是GPS掩星探测等高精度应用场合，应该考虑天线相位中心的变化，因此对相位中心进行测量和校准是非常必要的。利用近场对GPS天线相位中心进行测量，这种方法利用不同方位角和俯仰角的相位方向图，对天线相位中心进行解算。在高精度的卫星测量中,接收天线相位中心偏差是不容忽视的,天线相位中心的变化直接影响卫星导航伪距和载波相位观测量的测量。在高精度GNSS测量中，导航接收机天线相位中心是不可忽略的，天线相位中心测量精度及其变化直接影响GNSS的位置测量精度。不同型号、不同品种的天线相位偏差是不同的,甚至同一品种的天线其相位也会有所不同,因此对于精确测量来说,天线相位中心的测量是必须和必要的。

参考文献

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