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，美國便啟動了第一代衛(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)射活動日益增多，全球衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）也已經(jīng)進入了千家萬戶，改變著人們的生活方式。

不管是太陽同步衛(wèi)星、地球同步衛(wèi)星還是其他航天器，承擔衛(wèi)星測量、控制、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線必不可少。今天，小編帶大家了解一下衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線那點兒事。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要有兩大功能：導(dǎo)航定位與測量。

?導(dǎo)航定位功能需要以偽距測量（pseudo-range measurement）來實現(xiàn)，其原理是用衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼與接收機復(fù)制碼，測定測站到衛(wèi)星之間的、含有時鐘誤差和大氣層折射延遲的距離。由于測得的距離含有時鐘誤差和大氣層折射延遲，而非“真實距離”,故稱偽距。利用測定的偽距組成以接收機天線相位中心的三維坐標和衛(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天線相位中心三維坐標,并將其歸化為測站點的三維坐標可以實現(xiàn)偽距定位。由于方程組含有4個未知數(shù)，因此必須有4個以上經(jīng)偽距測量而獲得的偽距。此法既能用于接收機固定在地面測站上的靜態(tài)定位，又適于接收機置于運動載體上的動態(tài)定位。從系統(tǒng)機理上而言，導(dǎo)航定位天線只要為右旋圓極化、增益、駐波、方向圖等指標滿足接收機的基本要求即可實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。

?與導(dǎo)航定位不同，高精度測量功能需要采用載波相位測量（carrier phase measurement）實現(xiàn)。載波相位測量是利用接收機測定載波相位觀測值或其差分觀測值，經(jīng)基線向量解算以獲得兩個同步觀測站之間的基線向量坐標差的技術(shù)和方法。

?由于高精度測量的機理要求，衛(wèi)星測量型天線在常見的天線性能指標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，天線的輻射場分量等效的由這點輻射出去，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)星信號時不會因為天線本身產(chǎn)生額外的相位差而造成定位測量結(jié)果的偏差。現(xiàn)實中，在整個波束空間存在唯一相位中心的天線實際上是很難做到的，絕大部分天線在整個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ARP(Antenna Reference Point)和天線的正北方向。天線參考點ARP一般定義為天線上表面的物理中心點，天線的正北方向在天線結(jié)構(gòu)上標出。一般來說相位中心偏移量越小越有利于提高測量精度。

?多路徑效應(yīng)（multipath effect）多路徑效應(yīng)是指接收機除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還同時收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號。這些信號與直接信號疊加，從而使觀測量產(chǎn)生誤差。根據(jù)實驗資料的分析表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對偽距測量的影響可達米級，對載波相位測量的影響可達厘米級；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)星信號失鎖和使載波相位觀測量產(chǎn)生周跳。為降低多路徑效應(yīng)，測量天線一般采取扼流圈天的設(shè)計形式以降低多路徑效應(yīng)的影響。

小知識

常見的衛(wèi)星測量天線

?高精度測量技術(shù)測量精度可達到毫米級，滿足鐵路路基沉降監(jiān)測的需求。三院海鷹衛(wèi)星運營事業(yè)部基于高穩(wěn)定相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航測量天線技術(shù)研發(fā)的北斗高精度鐵路沉降監(jiān)測系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)手段所存在的諸多缺陷，具有成本低、維護簡單、監(jiān)測精度高、自動化程度高、無量程限制、全天候、實時、連續(xù)、不受氣候影響都優(yōu)點，可以更全面地了解鐵路路基各時期的變化，甚至瞬時變化，實現(xiàn)連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)的實時動態(tài)處理，從而能夠更有效地掌握鐵路路基的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題，保障路線安全。

來源：中國航天科工三院 海鷹衛(wèi)星運營事業(yè)部