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(guó)便啟動(dòng)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(dòng)日益增多，全球衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）也已經(jīng)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶，改變著人們的生活方式。

不管是太陽(yáng)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(cè)量、控制、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)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(cè)量天線那點(diǎn)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(cè)量。

?導(dǎo)航定位功能需要以偽距測(cè)量（pseudo-range measurement）來實(shí)現(xiàn)，其原理是用衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機(jī)碼與接收機(jī)復(fù)制碼，測(cè)定測(cè)站到衛(wèi)星之間的、含有時(shí)鐘誤差和大氣層折射延遲的距離。由于測(cè)得的距離含有時(shí)鐘誤差和大氣層折射延遲，而非“真實(shí)距離”,故稱偽距。利用測(cè)定的偽距組成以接收機(jī)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(jī)天線相位中心三維坐標(biāo),并將其歸化為測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)偽距定位。由于方程組含有4個(gè)未知數(shù)，因此必須有4個(gè)以上經(jīng)偽距測(cè)量而獲得的偽距。此法既能用于接收機(jī)固定在地面測(cè)站上的靜態(tài)定位，又適于接收機(jī)置于運(yùn)動(dòng)載體上的動(dòng)態(tài)定位。從系統(tǒng)機(jī)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(jī)的基本要求即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。

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

?由于高精度測(cè)量的機(jī)理要求，衛(wèi)星測(cè)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(cè)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(chǎng)分量等效的由這點(diǎn)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(hào)時(shí)不會(huì)因?yàn)樘炀€本身產(chǎn)生額外的相位差而造成定位測(cè)量結(jié)果的偏差?，F(xiàn)實(shí)中，在整個(gè)波束空間存在唯一相位中心的天線實(shí)際上是很難做到的，絕大部分天線在整個(gè)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(duì)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(diǎn)ARP(Antenna Reference Point)和天線的正北方向。天線參考點(diǎn)ARP一般定義為天線上表面的物理中心點(diǎn)，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(cè)量精度。

?多路徑效應(yīng)（multipath effect）多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還同時(shí)收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)。這些信號(hào)與直接信號(hào)疊加，從而使觀測(cè)量產(chǎn)生誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料的分析表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)偽距測(cè)量的影響可達(dá)米級(jí)，對(duì)載波相位測(cè)量的影響可達(dá)厘米級(jí)；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(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。為降低多路徑效應(yīng)，測(cè)量天線一般采取扼流圈天的設(shè)計(jì)形式以降低多路徑效應(yīng)的影響。

小知識(shí)

常見的衛(wèi)星測(cè)量天線

?高精度測(cè)量技術(shù)測(cè)量精度可達(dá)到毫米級(jí)，滿足鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)的需求。三院海鷹衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)事業(yè)部基于高穩(wěn)定相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量天線技術(shù)研發(fā)的北斗高精度鐵路沉降監(jiān)測(cè)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(hù)簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)精度高、自動(dòng)化程度高、無量程限制、全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)、不受氣候影響都優(yōu)點(diǎn)，可以更全面地了解鐵路路基各時(shí)期的變化，甚至瞬時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理，從而能夠更有效地掌握鐵路路基的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保障路線安全。

來源：中國(guó)航天科工三院 海鷹衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)事業(yè)部