一文读懂卫星导航测量天线

1957年10月4日，前苏联发射了第一颗人造地球卫星，第二年，美国便启动了第一代卫星导航系统——子午仪卫星导航系统的研制。经过几十年的发展，全球各类航天器发射活动日益增多，全球卫星导航卫星系统（GNSS）也已经进入了千家万户，改变着人们的生活方式。

不管是太阳同步卫星、地球同步卫星还是其他航天器，承担卫星测量、控制、数据传输任务的卫星导航测量天线必不可少。今天，小编带大家了解一下卫星导航测量天线那点儿事。

全球导航卫星系统主要有两大功能：导航定位与测量。

​导航定位功能需要以伪距测量（pseudo-range measurement）来实现，其原理是用卫星发播的伪随机码与接收机复制码，测定测站到卫星之间的、含有时钟误差和大气层折射延迟的距离。由于测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，而非“真实距离”,故称伪距。利用测定的伪距组成以接收机天线相位中心的三维坐标和卫星钟差为未知数的方程组，经最小二乘法解算以获得接收机天线相位中心三维坐标,并将其归化为测站点的三维坐标可以实现伪距定位。由于方程组含有4个未知数，因此必须有4个以上经伪距测量而获得的伪距。此法既能用于接收机固定在地面测站上的静态定位，又适于接收机置于运动载体上的动态定位。从系统机理上而言，导航定位天线只要为右旋圆极化、增益、驻波、方向图等指标满足接收机的基本要求即可实现导航定位功能。

​与导航定位不同，高精度测量功能需要采用载波相位测量（carrier phase measurement）实现。载波相位测量是利用接收机测定载波相位观测值或其差分观测值，经基线向量解算以获得两个同步观测站之间的基线向量坐标差的技术和方法。

​由于高精度测量的机理要求，卫星测量型天线在常见的天线性能指标要求之外还要增加相位中心和降低多路径效应以降低误差源，提高测量精度。

天线相位中心（Antenna Phase Center）是指天线的电气中心，天线的辐射场分量等效的由这点辐射出去，辐射波为一球面。理想天线存在唯一的相位中心，其等相面为球面，因此接收不同方向的卫星信号时不会因为天线本身产生额外的相位差而造成定位测量结果的偏差。现实中，在整个波束空间存在唯一相位中心的天线实际上是很难做到的，绝大部分天线在整个波束空间不存在唯一的相位中心，只在主瓣某一范围内相位保持相对恒定。为了完整描述天线相位中心特性，需要引入平均相位中心、相位中心偏移量PCO(Phase Center Offset)和相位中心变化量PCV(Phase Center Variations)的概念，并定义天线参考点ARP(Antenna Reference Point)和天线的正北方向。天线参考点ARP一般定义为天线上表面的物理中心点，天线的正北方向在天线结构上标出。一般来说相位中心偏移量越小越有利于提高测量精度。

​多路径效应（multipath effect）多路径效应是指接收机除直接收到卫星发射的信号外，还同时收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。这些信号与直接信号叠加，从而使观测量产生误差。根据实验资料的分析表明，在一般反射环境下，多路径效应对伪距测量的影响可达米级，对载波相位测量的影响可达厘米级；而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。为降低多路径效应，测量天线一般采取扼流圈天的设计形式以降低多路径效应的影响。

小知识

常见的卫星测量天线

​高精度测量技术测量精度可达到毫米级，满足铁路路基沉降监测的需求。三院海鹰卫星运营事业部基于高稳定相位中心卫星导航测量天线技术研发的北斗高精度铁路沉降监测系统，能够克服传统手段所存在的诸多缺陷，具有成本低、维护简单、监测精度高、自动化程度高、无量程限制、全天候、实时、连续、不受气候影响都优点，可以更全面地了解铁路路基各时期的变化，甚至瞬时变化，实现连续观测与数据的实时动态处理，从而能够更有效地掌握铁路路基的状态，及时发现问题，保障路线安全。

来源：中国航天科工三院 海鹰卫星运营事业部