測距電離層延遲誤差分析

1、測距電離層延遲誤差分析    !"#測距電離層延遲誤差分析!王舉思($%&'$部隊 山東青島 ($)*)摘要在微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)中,地面對航天器的跟蹤主要是通過的群時延誤差,稱為電離層延遲誤差.電磁波在電離層中傳播時,信號的群速度見(!)式,因此由電離層延遲引起的距離(群時延)誤差為!"#!測$!真#"#%$&%!'()&'#"#%$&%'()'式中積分為電磁波穿過電離層路徑的單位面積截面柱體的總電子含量'()'.由此可知,測距電

2、離層延遲誤差大小取決于電離層的電子濃度和積分路徑以及電磁波信號頻率.通常有三種直接測量電離層'()的方法:法拉第旋轉(zhuǎn)法,雙頻載波相位差分法和群時延法.'*+%!,測速終端采用雙程相干載波多普勒測速技術(shù),由多普勒頻率可計算出目標徑向速度.徑向速度計算方法如下*測#$&+,-%&.&+由于載波相位在電離層中以相速度傳播,此時載波多普勒頻率計算目標徑向速度應為*真#$&+%&.&+,-,(!."#%$()&%)因此,由電離層引起的測速誤差為!*"#*測$*真#&+,-(%&.&+),&

3、quot;#%$()&%根據(jù)多普勒效應的理論,對多普勒頻率積分就可以計算出載波相位增量.如果給出正確的積分初值,就可用載波相位測距.但是,由電離層引起的載波測距誤差與側(cè)音測距誤差數(shù)值相等,符號相反,載波測距誤差為負值,而側(cè)音測距誤差為正值."距離數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差分析方法距離數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差主要分兩類:一類是由設(shè)備引起的距離漂移誤差和校零誤差,其中校零誤差在一個跟蹤圈次中為固定值(通常在-$.內(nèi));另一類是由電波傳播路徑和目標運動引起的誤差,它又可以分為電離層延遲誤差,對流層折射誤差和目標運動引起的時標誤差."/!測距測速數(shù)據(jù)時標測距數(shù)據(jù)為某時刻目標的徑向距離,時標打在收信號

4、時刻;測速數(shù)據(jù)為0#.1積分時間內(nèi)的平均速度,時標打在積分時間的中間點上."/%測距測速數(shù)據(jù)時標誤差測距數(shù)據(jù)的時標為收信號時刻/",由于目標運動和電波傳播延遲,測距數(shù)據(jù)的真實時標應為/"+!,時延!隨目標距離而變化.如果直接修正!,則測距數(shù)據(jù)為非均勻采樣;所以把/"+!時刻的測距數(shù)據(jù)推算到/"時刻,現(xiàn)以!的修正方法為例,計算如下!0#!.!1*!.*%同理,測速數(shù)據(jù)的時標誤差修正如下*%0#*%.!0.#%#%0(#%20*%.#%0*!)1,*$*!#%!3%飛行器測控學報第%!卷!"#測距測速數(shù)據(jù)誤差分析在距離捕獲完成后,選!$時

5、刻側(cè)音測距數(shù)據(jù)作為參考基準(積分初值)"$#"(!$)#"真(!$)$!"電離層(!$)$!"對流層(!$)$!"校零差$!"噪聲(!$)如果用載波測距,則!$時刻距離值為"(!$)#"真(!$)$!"電離層(!$)$!"對流層(!$)$!"校零差$!"噪聲(!$)由于信號電平變化,多普勒頻率變化,溫度和時間變化等因素,!$到!%時刻的側(cè)音測距產(chǎn)生距離漂移誤差,故!%時刻側(cè)音測距表達如下"(!%)#"真(!%)$!"電離層(!%)$!&

6、quot;對流層(!%)$!"校零差$!"漂移(!%)$!"噪聲(!%)如果用載波測距,則!%時刻距離值為"(!%)#"真(!%)$!"電離層(!%)$!"對流層(!%)$!"校零差$!"噪聲(!%)用載波測速,速度值為&(!)#&真(!)$!&電離層(!)$!&對流層(!)$"&噪聲(!)在上述幾個表達式中,"真%"真.由于隨機誤差可以通過數(shù)字濾波的方法處理,校零誤差主要是由多徑傳播引起的,而側(cè)音調(diào)制在載波上,所以,!"校零

7、差%!"校零差;對流層是非色散媒質(zhì),群速度等于相速度;電離層是一種色散媒質(zhì),群速度不等于相速度,而群延遲與相延遲大小相等,符號相反,所以!"電離層%&!"電離層.綜合以上分析,則有"(!%)'"(!%)#'!"電離層(!%)$!"漂移(!%)"(!$)'"(!$)#'!"電離層(!$)(')由于測速終端測量的速度值是積分時間內(nèi)的平均速度值,()&'*+測速終端采用數(shù)字載波環(huán)直接提取載波多普勒信息,多普勒頻率測量的積分時間等于采樣周期

8、(,故有"(!%)#"(!$)$!%)#*&()*("(!%)'"(!%)#"(!%)'"(!$)$!%)#*&()*(#'!"電離層(!%)$!"漂移(!%)(#)綜合(')式和(#)式,則有"(!%)'"(!$)$!%)#*&()*(#'*!"電離層(!%)'!"電離層(!$)$!"漂移(!%)經(jīng)過這樣處理,可以做出測距電離層延遲和設(shè)備漂移共同引起的測距誤差相對變化曲線.!"

9、;!測距電離層延遲誤差分析現(xiàn)以某衛(wèi)星第+圈和第,圈為例,分析距離數(shù)據(jù)的漂移誤差和電離層延遲誤差.在距離捕獲完成后,任選一點距離數(shù)據(jù)作為速度積分初值距離"$,用速度數(shù)據(jù)積分作為標準,將實測距離曲線與它相比較,并畫出距離漂移和電離層延遲變化的誤差曲線.圖*第+圈電離層延遲誤差曲線圖第+圈衛(wèi)星升軌(由南向北),目標過頂時間'*時!分,最高仰角為,#"-.在高緯度和中緯度地區(qū),夜晚的電離層電子濃度比白天(中午)電離層電子濃度至少低一個量級,電離層引起的群時延誤差可以忽/'第#期王舉思:012測距電離層延遲誤差分析略不計.因青島站地處中緯度地區(qū),目標過頂后電離層延遲誤

10、差應為零.從圖!誤差變化曲線看,目標過頂后電離層延遲誤差為"#$%&',由此可以判斷出!電離層("()等于#$%&',對積分初值距離!(進行修正后再處理,曲線見圖#.圖#修正后第#圈電離層延遲誤差曲線圖圖)初步求解的第$圈電離層延遲誤差曲線圖圖*初步修正后第$圈電離層延遲誤差曲線圖第$圈衛(wèi)星降軌(由北向南),目標過頂時間!(時*#分,最高仰角為$+%,-.根據(jù)電離層延遲誤差特性,目標過頂時電離層延遲誤差最小,假定過頂時的誤差為零.但從圖)誤差曲線看,目標過頂時電離層延遲誤差為"!(%&',必須對積分初值距離!(進行修

11、正,修正值為#!',修正后的曲線見圖*.在處理第$圈電離層延遲誤差時,假定目標過頂?shù)碾婋x層延遲誤差為零,但實際上此時電離層延遲誤差不等于零.為了求解目標過頂?shù)碾婋x層延遲誤差,假設(shè)此時前后一定空間內(nèi)電離層的電子濃度不變,則電離層延遲誤差與電波傳播路徑成正比.由于該衛(wèi)星的運行軌道高度未超出電離層,只要扣除電波在,(.'以下的中性大氣層中的傳播路徑(!%),就可以計算出電波在電離層中的傳播路徑(!&).根據(jù)大氣分層特性和目標的俯仰角信息,電波在,(.'以下中性大氣層中傳播路徑的計算方法為!%'!#(!#!)/01#!*(!)123*+#飛行器測控學報第#!卷在

12、圖!中,!點為地心,"點為測量站,"#為地面水平線,$為目標俯仰角,%"為地球半徑,%#$%"%&''''(.計算出電波在電離層中的傳播路徑%&(')(%(')%*(')現(xiàn)做一階曲線擬合%&(')("+(!%,(')-#)從而求解出:"$)*+),和#$-.*.根據(jù)上述曲線擬合的結(jié)果,目標過頂時的電離層延遲誤差為-.*(,再畫出電離層延遲誤差曲線和擬合曲線(圖&),圖&中虛線為擬合曲線.圖&第.圈電離層延遲誤差曲線和

13、擬合曲線圖+固定高度上電子濃度隨緯度的變化("為地磁場力線,#為磁赤道位置)從圖&曲線擬合結(jié)果來看,目標過頂前后一定空間內(nèi)電離層的電子濃度不變的假設(shè)是成立的.第.圈衛(wèi)星降軌(由北向南),目標進站時測距電離層延遲誤差比擬合值小,而目標出站時測距電離層延遲誤差比擬合值大,基本上與電離層電子濃度隨緯度變化的規(guī)律相符合(見圖+).另外,從第/圈和第.圈距離系統(tǒng)誤差曲線圖以及處理過的大量數(shù)據(jù)來看,由設(shè)備引起的距離漂移誤差比較小,可以忽略不計.-#第,期王舉思:/01測距電離層延遲誤差分析根據(jù)曲線擬合的結(jié)果,可以求出電離層的平均電子濃度!"#$!%("#&$&

14、#39;()#%&$'%#%!%&$由此再計算電波在電離層中傳播的相速度和折射率,就可對測速和測角數(shù)據(jù)進行修正.'結(jié)束語本文根據(jù)電離層電子濃度的變化特點,以及電磁波在電離層中傳播的群速度和相速度的關(guān)系,提出了電離層延遲引起的距離(群時延)誤差計算方法.采用這種方法處理了很多圈次的跟蹤數(shù)據(jù),表明夜間與白天測距系統(tǒng)誤差曲線明顯不同.從圖!,圖(和圖)來看,測距電離層延遲誤差與電子濃度變化的規(guī)律基本符合.求解出電離層的群時延,就可算出電離層的平均電子濃度和折射率,為測速和測角數(shù)據(jù)的修正提供了理論依據(jù).這種方法針對中低軌道衛(wèi)星比較實用,它既可以提高外測精度,又為電離層的

15、研究提供了一種新方法.參考文獻%熊浩等編著*無線電波傳播*北京:電子工業(yè)出版社,!#!謝處方,繞克謹編*電磁場與電磁波*北京:高等教育出版社,%+#$柳維君編*微波技術(shù)基礎(chǔ)*西安:西安電子科技大學出版社,%+,+"張守信編著*-./衛(wèi)星測量定理論與應用*北京:國防工業(yè)出版社,%+('喬強編著*側(cè)音輪發(fā)比相制測距系統(tǒng)*無線電工程,%+(,(!)(上接第%(頁)'聯(lián)合定軌在其它方面的應用聯(lián)合定軌主要是基于存在星間測量的場合的一種定軌方法,理論上,各種衛(wèi)星軌道,只要存在星間測量,就可以實施聯(lián)合定軌.對于全球均勻覆蓋的星座(導航星座,通信星座等),如果對星座的整體構(gòu)型精度要求比較高,也同樣可以采用星間測量,實施星座的聯(lián)合定軌,這比通過地面站對各衛(wèi)星分別定軌能夠得到更好的星間相對精度.另外,對于星間間距比較小的編隊飛行星座,如果沒有星間鏈路,但地面站對各星能夠同時測軌,這樣在定軌時同樣