卫星导航天线相位中心测量方法

张志华，秦顺友

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

卫星导航天线相位中心测量方法

张志华，秦顺友

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

相位中心是卫星导航天线最重要的性能指标之一，相位中心测量精度直接影响全球卫星导航系统的定位精度。简述了天线相位中心的基本概念，系统总结了卫星导航天线相位中心的传统测量方法，即微波暗室远场检测法和基线测量法，简述了测量方法和程序，重点阐述了在微波暗室内由实测远场相位方向图确定天线相位中心的方法。对导航天线相位中心测量方法进行了比较和分析，指出了各自的优缺点和应用场合。为卫星导航天线相位中心测量提供了参考。

卫星导航天线；天线相位中心；相位中心测量

0 引言

随着卫星导航技术的发展，全球导航卫星系统(GNSS)的应用不仅日益广泛，而且导航系统的定位精度要求越来越高[1]。卫星导航系统一般由卫星、地面站和用户终端组成[2]，卫星通过测量载波信号星地之间的传输时延进行测距解算，而时延校准参考点是导航天线相位中心，因此测量导航天线相位中心测量精度直接影响导航系统测距的解算精度[3]。通常情况下，人们把卫星导航天线的机械中心作为天线的相位中心，实际上由于机械加工和安装误差等因素的影响，使天线的相位中心与机械中心存在偏差，因此精确测量导航天线的相位中心是非常重要的[4]。

目前，确定天线相位中心的方法有理论仿真计算法和测量方法[5]。天线相位中心测量的方法又可细分为：远场测量法、近场测量法和紧缩场测量法，但在全球卫星导航系统的应用领域，常采用基线测量法和微波暗室远场法确定卫星导航天线的相位中心[6]。本文对这2种测量方法的原理进行论述，重点研究了实测相位方向图确定相位中心的方法，分析了该方法测试中需要注意的事项以使得测试更加精确。

1 天线相位中心

天线相位中心定义为天线辐射电磁波的辐射源中心(即等效源点)；或描述为天线远区辐射场的等相位面与通过天线的平面相交曲线的曲率中心[5]。

如果天线辐射的电磁波是一个球面波，在任意给定频率下，使天线相位方向图φ(θ,φ)与θ、φ无关的坐标原点,称为球面波的相位中心，通常就是球心。

任意一个天线可能有相位中心，亦可能没有相位中心，即天线辐射的无线电波可能是一个球面m波[10]，亦可能不是球面波，这完全取决于天线形式。在整个空间，具有唯一相位中心的天线实际上是不多的，而绝大多数天线只在主瓣某一范围内或是以某点为参考点时，所关心天线主波束一部分的角度范围内，天线的相位保持恒定，由此部分等相位面求出的相位中心叫做天线的视在相位中心[11]。天线视在相位中心一般通过实验的方法确定，即通过测量天线相位方向图，如果在测量角度范围内，测量的天线相位方向图近似为一条直线或测量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心点的一个最小半径的球，这个球的球心称为天线的视在相位中心。天线在不同切割面上可能有各自的相位中心，如果它们的相位中心不重合，说明天线有相散[12]。天线相位中心定义如图1所示。图中，O为天线相位中心，O′为相位中心偏移，φ(θ,φ)为相位方向图函数。

图1 天线相位中心定义示意

2 基线测量法

基线测量法就是在室外导航接收机观测场上，采用载波相位观测值[7]，通过测定天线不同方向两天线间基线向量来测定天线相位中心偏差的方法[8]。基线测量法实际上是一种相对测量方法，需要一套经过标定的标准参考天线，其相位中心已知，在室外开阔无遮挡的场地上，利用安装于5～10 m的超短基线上2台接收机进行差分定位，以便尽量消除卫星轨道误差、电离层延迟、对流层延迟和多径效应等因素的影响[8]。

利用基线测量法测定卫星导航天线相位偏差的原理如图2所示。一般采用旋转天线法测量卫星导航天线相位中心的水平偏差；用交换天线法测量卫星导航天线相位中心的垂直偏差。

图2 基线测量法确定导航天线相位中心原理

旋转天线法测量卫星导航天线相位中心水平偏差的原理方法是：首先按照图2建立测试系统，要求测试场为开阔场，把2台接收机安装在5～10 m的超短基线上，待测天线几何中心与基线的一个端点重合，参考天线相位中心与基线的另一个端点重合，待测天线和参考天线精确调平，方向指向正北，观测一个时段(一般45～90 min)；然后，将参考天线固定不动，待测天线依次旋转90、180和270，分别观测一个时段；最后，依据观测结果，分别解算各时段基线的向量值，由此确定待测天线相位中心与其几何中心的相对偏差。

交换天线法测量卫星导航天线相位中心垂直偏差的原理方法是：首先按照图2所示的原理框图建立测试系统，要求测试场为开阔场，把2台接收机安装在5～10 m的超短基线上，精确地对中调平，天线指向正北，精确地测量天线的高度，观测一个时段(一般45～90 min)；然后，将待测天线和参考天线交换，精确地对中调平，天线指向正北，精确地测量天线的高度，再观测一个时段(一般45～90 min)；最后，依据观测结果，分别解算2个时段基线的向量值，由此确定待测天线相位中心垂直偏差。

3 微波暗室远场测量法

在微波暗室内，卫星导航天线相位中心的测量是通过测量天线相位方向图来实现的[9]。利用矢量网络分析仪直接测量卫星导航天线相位中心方向图的原理如图3所示。

图3 卫星导航天线相位中心测量的原理

图3中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ(D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长)。图3中待测天线安装在测试转台上，且待测天线相对转台的方位轴可以前后或左右地移动，用来测量待测天线相位中心的位置；另外待测天线还可绕水平轴转动，用于测量不同切割面的相位方向图。

利用矢量网络分析仪测量天线相位方向图的原理方法是：首先按照图1所示的原理，在微波暗室内安装发射天线和待测天线。安装时确保待测天线理论相位中心与转台的旋转中心重合[13]，发射天线和待测天线等高，轴线重合，待测天线的口面垂直于地面，发射天线和待测天线之间的距离R满足远场测试距离要求，发射天线极化与待测天线极化匹配；系统仪器设备加电预热，使系统仪器设备工作正常；然后将矢量网络分析仪射频输出端口与发射天线联接，接收机端口与待测天线联接，合理设置矢量网络分析仪的状态参数，如测试频率、扫描时间和工作模式等，对矢量网络分析仪进行定标[14]；最后在关心的天线主波束范围内转动待测天线，矢量网络分析仪实时测量天线的相位方向图。

利用实测的天线相位方向图，如何确定天线相位中心的位置呢？如果在测量角度范围内，测量的天线相位方向图近似为一条直线或测量相位近似相等，那么就可以近似找到包含所有相位中心点的一个最小半径的球[15]，这个球的球心称为天线的视在相位中心。此时天线测试转台的转动中心与天线相位中心重合，利用机械的方法就可测量出天线相位中心的位置[5]。

如果在天线主波束范围内，测量的相位方向图特性不是等相位的[16]，依据天线相位方向图，将待测天线前后或左右移动一定距离，重复测量天线相位方向图，直到在所测量的天线主波束范围内，测出的相位方向图特性等相位为止，此时天线的相位中心与转台转轴重合[17]。

图4中虚线表示天线相位中心偏离转台旋转中心不同位置时，测量天线主波束范围内的相位方向图。图4(a)说明天线的相位中心在Y轴上；图4(b)说明天线的相位中心在X轴上；图4(c)说明天线的相位中心在第一、第二像限；图4(d)说明天线的相位中心在第三、第四像限。依据测量相位方向图可快速调整天线相位中心与测试转台旋转中心重合。

图4 相位中心偏离转台中心不同位置时的相位方向

4 测量方法的比较与分析

基线测量法和微波暗室远场测量方法的比较如表1所示。

表1 卫星导航天线相位中心测试方法的比较

由表1可知：微波暗室远场法测量卫星导航天线相位中心的显著优点是测量精度高，且不受测试时间和测试环境的影响，且测量重复性和稳定性好，特别适合实验室测量、天线厂家检测和相位中心的高精度测量；缺点是测试设备昂贵、测量成本高。基线测量法优点是操作简单方便、测量成本低等，但由于卫星位置时刻在变化，天气环境不可预测，所以测量重复性和测试误差远不及微波暗室测量法。

总之，微波暗室远场测量法和基线测量法的测量原理不同，各有其特点，可依据不同需要、测量的准确度和测量条件的不同，选择合适的测量方法。

5 结束语

在高精度GNSS测量中，导航接收机天线相位中心是不可忽略的，天线相位中心测量精度及其变化直接影响GNSS的位置测量精度。本文系统地总结了卫星导航天线相位中心常用的测量方法，并对其进行了比较分析，为工程技术人员选择合适的测量方法提供指导。文中详细阐述了基于矢量网络分析仪测量导航天线相位方向图和相位中心的方法，指出了如何由实测相位方向图快速调整天线相位中心的方法，可用于实际工程测量中。

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Methods of Phase Center Measurement forSatellite Navigation Antenna

ZHANG Zhi-hua,QIN Shun-you

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Phase center is a critical parameter for satellite navigation antennas.The measured accuracy of the antenna phase center has a great impact on the positioning accuracy of the Global Navigation Satellite System(GNSS).This paper briefly introduces the concept of antenna phase center,systemically summaries traditional measurement methods of satellite navigation antenna phase center,including far-field test method in anechoic chamber and baseline measurement method,and describes the corresponding measurement procedure.And the determination of the antenna phase center using the measured far-field phase patterns in anechoic chamber is presented in detail.Comparison and analysis between the measurement methods of navigation antenna phase center are made,and their advantages and disadvantages in application are discussed.The paper provides important reference for satellite navigation antenna phase centre.

satellite navigation antenna;antenna phase centre pattern;phase centre measurement

2017-03-09

河北省应用基础研究计划重点基础研究基金资助项目(16960404D)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.11

张志华,秦顺友.卫星导航天线相位中心测量方法[J].无线电工程,2017,47(6):45-47,60.[ZHANG Zhihua,QIN Shunyou.Methods of Phase Center Measurement for Satellite Navigation Antenna[J].Radio Engineering,2017,47(6):45-47,60.]

TN820

A

1003-3106(2017)06-0045-03

张志华 女，(1982—)，工程师。主要研究方向：微波与天线测量技术。

秦顺友 男，(1964—)，硕士生导师，研究员。主要研究方向：微波与天线测量技术、微弱信号检测、电磁干扰测量等。