测距电离层延迟误差分析.

测距电离层延迟误差分析
!"#测距电离层延迟误差分析!
王举思
($%&'$部队山东青岛 ($$))*)
摘要在微波统一测控系统中,地面对航天器的跟踪主要是通过的群时延误
差,称为电离层延迟误差.电磁波在电离层中传播时,信号的群速度见(!)式,因此由电离层延迟引起的距
离(群时延)误差为
!!
"
#!测
$!真
#
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(
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"#%$
&%['()]
'
式中积分为电磁波穿过电离层路径的单位面积截面柱体的总电子含量['()] '.
由此可知,测距电离层延迟误差大小取决于电离层的电子浓度和积分路径以及电磁波信号频率.通
常有三种直接测量电离层'()的方法:法拉第旋转法,双频载波相位差分法和群时延法.
'*+%!,测速终端采用双程相干载波多普勒测速技术,由多普勒频率可计算出目标径向速度.径向
速度计算方法如下
*测
#
$&
+
,-
%&.&
+
由于载波相位在电离层中以相速度传播,此时载波多普勒频率计算目标径向速度应为
*真
#
$&
+
%&.&
+
,-,(!.
"#%$(
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)
因此,由电离层引起的测速误差为
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"
#*测
$*真
#
&
+
,-
(%&.&
+)
,
"#%$(
)
&%
根据多普勒效应的理论,对多普勒频率积分就可以计算出载波相位增量.如果给出正确的积分初值,
就可用载波相位测距.但是,由电离层引起的载波测距误差与侧音测距误差数值相等,符号相反,载波测
距误差为负值,而侧音测距误差为正值.
"距离数据系统误差分析方法
距离数据系统误差主要分两类:一类是由设备引起的距离漂移误差和校零误差,其中校零误差在一个
跟踪圈次中为固定值(通常在-$.内);另一类是由电波传播路径和目标运动引起的误差,它又可以分为
电离层延迟误差,对流层折射误差和目标运动引起的时标误差.
"/!测距测速数据时标
测距数据为某时刻目标的径向距离,时标打在收信号时刻;测速数据为0#.1积分时间内的平均速度,
时标打在积分时间的中间点上.
"/%测距测速数据时标误差
测距数据的时标为收信号时刻/
",由于目标运动和电波传播延迟,测距数据的真实时标应为/
"
+!,时
延!随目标距离而变化.如果直接修正!,则测距数据为非均匀采样;所以把/ "
+!时刻的测距数据推算
到/
"时刻,现以!
!的修正方法为例,计算如下
!
!0
#!
!
.
!
!
1
*
!
.*
%
%
同理,测速数据的时标误差修正如下
*
%0
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.
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!0
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.#%%0*
!)
1
,
*
$
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#%!
3%飞行器测控学报第%!卷
!"#测距测速数据误差分析
在距离捕获完成后,选!
$时刻侧音测距数据作为参考基准(积分初值)
"
$
#"(!
$)#"真(!
$)$!"电离层(!
$)$!"对流层(!
$)$!"校零差
$!"噪声(!
$)
如果用载波测距,则!
$时刻距离值为
"(!
$)#"真(!
$)$!"电离层(!
$)$!"对流层(!
$)$!"校零差
$!"噪声(!
$)
由于信号电平变化,多普勒频率变化,温度和时间变化等因素,! $到!
%时刻的侧音测距产生距离漂移
误差,故!
%时刻侧音测距表达如下
"(!
%)#"真(!
%)$!"电离层(!
%)$!"对流层(!
%)$!"校零差
$!"漂移(!
%)$!"噪声(!
%)
如果用载波测距,则!
%时刻距离值为
"(!
%)#"真(!
%)$!"电离层(!
%)$!"对流层(!
%)$!"校零差
$!"噪声(!
%)
用载波测速,速度值为
&(!)#&真(!)$!&电离层(!)$!&对流层(!)$"&
噪声(!)
在上述几个表达式中,"真
%"真
.由于随机误差可以通过数字滤波的方法处理,校零误差主要是由多
径传播引起的,而侧音调制在载波上,所以,!"校零差
%!"校零差
;对流层是非色散媒质,群速度等于相速度;
电离层是一种色散媒质,群速度不等于相速度,而群延迟与相延迟大小相等,符号相反,所以!"电离层
%&
!"电离层
.综合以上分析,则有
"(!
%)'"(!
%)#'!"电离层(!
%)$!"漂移(!
%)
"(!
$)'"(!
$)#'!"电离层(!
$)(')
由于测速终端测量的速度值是积分时间内的平均速度值,()&'*+测速终端采用数字载波环直接提
取载波多普勒信息,多普勒频率测量的积分时间等于采样周期(,故有
"(!
%)#"(!
$)$!%
)#*
&
(())*(
"(!
%)'"(!
%)#"(!
%)'["(!
$)$!%
)#*
&
(())*(]#'!"电离层(!
%)$!"漂移(!
%)(#)
综合(')式和(#)式,则有
"(!
%)'["(!
$)$!%
)#*
&
(())*(]#'*[!"电离层(!
%)'!"电离层(!
$)]$!"漂移(!
%)
经过这样处理,可以做出测距电离层延迟和设备漂移共同引起的测距误差相对变化曲线.
!"!测距电离层延迟误差分析
现以某卫星第+圈和第,圈为例,分析距离数据的漂移误差和电离层延迟误差.在距离捕获完成
后,任选一点距离数据作为速度积分初值距离"
$,用速度数据积分作为标准,将实测距离曲线与它相比
较,并画出距离漂移和电离层延迟变化的误差曲线.
图*第+圈电离层延迟误差曲线图
第+圈卫星升轨(由南向北),目标过顶时间'*时!!分,最高仰角为,#"-..在高纬度和中纬度地区,
夜晚的电离层电子浓度比白天(中午)电离层电子浓度至少低一个量级,电离层引起的群时延误差可以忽
/'第#期王举思:012测距电离层延迟误差分析
略不计.因青岛站地处中纬度地区,目标过顶后电离层延迟误差应为零.从图!误差变化曲线看,目标过
顶后电离层延迟误差为"#$%&',由此可以判断出!!电离层("
()等于#$%&',对积分初值距离!
(进行修正
后再处理,曲线见图#.
图#修正后第#圈电离层延迟误差曲线图
图)初步求解的第$圈电离层延迟误差曲线图
图*初步修正后第$圈电离层延迟误差曲线图
第$圈卫星降轨(由北向南),目标过顶时间!(时*#分,最高仰角为$+%,-.根据电离层延迟误差特
性,目标过顶时电离层延迟误差最小,假定过顶时的误差为零.但从图)误差曲线看,目标过顶时电离层
延迟误差为"!(%&',必须对积分初值距离!
(进行修正,修正值为#!',修正后的曲线见图*.
在处理第$圈电离层延迟误差时,假定目标过顶的电离层延迟误差为零,但实际上此时电离层延迟
误差不等于零.为了求解目标过顶的电离层延迟误差,假设此时前后一定空间内电离层的电子浓度不变,
则电离层延迟误差与电波传播路径成正比.由于该卫星的运行轨道高度未超出电离层,只要扣除电波在
,(.'以下的中性大气层中的传播路径(!
%),就可以计算出电波在电离层中的传播路径(!
&).根据大气
分层特性和目标的俯仰角信息,电波在,(.'以下中性大气层中传播路径的计算方法为
!
%
'!#
#
(!#
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)/01#!*(!
!
)123*
+#飞行器测控学报第#!卷
在图!中,!点为地心,"点为测量站,"#为地面水平线,$为目
标俯仰角,%
"为地球半径,%
#
$%
"
%&''''(.计算出电波在电离层中
的传播路径
%
&(')(%('))%
*(')
现做一阶曲线拟合
%
&(')("+(!%
,(')-#)
从而求解出:"$)*+),和#$-.*.
根据上述曲线拟合的结果,目标过顶时的电离层延迟误差为-.
*(,再画出电离层延迟误差曲线和拟合曲线(图&),图&中虚线为拟合
曲线.
图&第.圈电离层延迟误差曲线和拟合曲线
图+固定高度上电子浓度随纬度的变化("为地磁场力线,#为磁赤道位置)
从图&曲线拟合结果来看,目标过顶前后一定空间内电离层的电子浓度不变的假设是成立的.第.
圈卫星降轨(由北向南),目标进站时测距电离层延迟误差比拟合值小,而目标出站时测距电离层延迟误差
比拟合值大,基本上与电离层电子浓度随纬度变化的规律相符合(见图+).另外,从第/圈和第.圈距离
系统误差曲线图以及处理过的大量数据来看,由设备引起的距离漂移误差比较小,可以忽略不计.
-#第,期王举思:/01测距电离层延迟误差分析
根据曲线拟合的结果,可以求出电离层的平均电子浓度
!
"
#$!%("#&$'()#%&$'%#%!%&$
由此再计算电波在电离层中传播的相速度和折射率,就可对测速和测角数据进行修正.
'结束语
本文根据电离层电子浓度的变化特点,以及电磁波在电离层中传播的群速度和相速度的关系,提出了
电离层延迟引起的距离(群时延)误差计算方法.采用这种方法处理了很多圈次的跟踪数据,表明夜间与
白天测距系统误差曲线明显不同.从图!,图(和图)来看,测距电离层延迟误差与电子浓度变化的规律
基本符合.求解出电离层的群时延,就可算出电离层的平均电子浓度和折射率,为测速和测角数据的修正
提供了理论依据.这种方法针对中低轨道卫星比较实用,它既可以提高外测精度,又为电离层的研究提供
了一种新方法.
参考文献
%熊浩等编著*无线电波传播*北京:电子工业出版社,!###
!谢处方,绕克谨编*电磁场与电磁波*北京:高等教育出版社,%++#
$柳维君编*微波技术基础*西安:西安电子科技大学出版社,%+,+
"张守信编著*-./卫星测量定理论与应用*北京:国防工业出版社,%++(
'乔强编著*侧音轮发比相制测距系统*无线电工程,%++(,(!
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)
(上接第%(页)
'联合定轨在其它方面的应用
联合定轨主要是基于存在星间测量的场合的一种定轨方法,理论上,各种卫星轨道,只要存在星间测
量,就可以实施联合定轨.对于全球均匀覆盖的星座(导航星座,通信星座等),如果对星座的整体构型精
度要求比较高,也同样可以采用星间测量,实施星座的联合定轨,这比通过地面站对各卫星分别定轨能够
得到更好的星间相对精度.
另外,对于星间间距比较小的编队飞行星座,如果没有星间链路,但地面站对各星能够同时测轨,这样
在定轨时同样可以统一处理,同时解出各星的轨道.这是另一种形式的联合定轨,与有星间链路的联合定
轨具有类似的性质.
随着航天应用和航天技术的发展,星座和组网技术会日益得到广泛应用,定轨手段和定轨技术也会随
之出现多样化的现象,联合定轨正是随着数据中继卫星系统的应用而出现的,相信随着卫星星座的广泛应
用,联合定轨技术也会在其中发挥重要作用.
参考文献
%0123415567,892:4;6*72.29:C3C>*%,61<F12IJ012:4%++(:%%'K%!)
#$飞行器测控学报第!%卷。