GPS就要更新换代,龙江星星

日期:2019-06-01编辑作者:威尼斯手机娱乐官网

原标题:看天线,识卫星——漫谈卫星天线(二)

GPS Capability Will Improve with Launching More New Satellite Models韩世杰GPS星座的更新换代将从2005年3月份发射第一枚ⅡR-M型卫星开始。与此同时,GPS接收机也在更新。如果美国和欧盟能够按照签订的协议走下去,使欧洲的伽利略导航卫星与GPS具有一定互操作性,全球卫星导航系统将会向前迈出一大步美国GPS的更新主要是通过新的卫星发射更换已经"超期服役"的卫星。技术上的进步使新卫星具有更高的精度、完整性和安全性以及更好的抗干扰性能。GPS的状况与变化目前,在轨道上运行且能工作的GPS卫星已达到29颗,是GPS发展以来最多的。而2004年10月初发射的一颗洛克希德·马丁公司制造的ⅡR-13卫星使这个数目增加到了30颗。与GPS星座以新换旧的同时,GPS接收机也在更新换代。例如,军用GPS手持接收机一贯比较笨重,而且只有文本显示,这些一直落后于民用手持接收机。但随着罗克韦尔·柯林斯公司制造的"防务先进GPS接收机"于2004年7月的首次交付,美国军用手持GPS接收机也已开始更新换代。DAGR接收机的体积和重量只有原先PLGR接收机的一半,而且具有四色调的黑白图形屏幕来显示地图和照片。DAGR摒弃了PLGR昂贵而笨重的二氧化硫锂电池,而是采用四节普通的5号电池。单是电池上节省的钱就超出了购买DAGR的费用。现在轨道上运行时间最长的GPS卫星已有14年的寿命,但其设计寿命只有7年。寿命长固然很好,但也会产生不利影响,即推迟了改进型卫星的发射。2007年底前,预计有12颗卫星将发生故障,因此美国估计在这一期间每年将发射4颗新卫星。GPS卫星易产生故障的部件包括原子钟、反作用轮,其太阳能电池板的性能也易降低。第一颗高性能的卫星是洛克希德·马丁公司的ⅡR-M。ⅡR-M是在ⅡR基础上改进的卫星,能发射额外的民用和军用信号,用于精度和可靠性要求较高的服务。它还增加了"灵活功率"能力,以便在两个军用码,即P码与M码间分配发射功率。因采用了性能较好的原子钟,ⅡR型导航距离误差已从原有星座的3米下降到平均1.25米。所有的ⅡR型卫星都已造好,它们之中最后的8颗将改成ⅡR-M型。其修改将包括安装一块效率更高的天线板,并打开一些侧板,放入新的调制和发射电子装置。已为GPS分配了L波段中的3个频率,称为L1、L2和L5。其扩频编码频率围绕这三个中心频率,但它到达地球时的信号强度要比噪声低很多。GPS接收机之所以能探测出这些微弱的信号是因为它们知道代码,从而可获得额外的处理增益。目前民用信号仅放在L1上,而军用的"P码"信号则放在L1和L2上。无线电波在电离层中的传播速度不同是GPS主要的误差源,监听多个频率有助于减小这种误差。民用码的长度为1023比特,而且每秒重复1000次,而P码是伪随机的,而且更长,可给出更高的处理增益,但需要用知道这个码的军用接收机。ⅡR-M卫星将在L2上增加民用码,以得到更好的电离层修正。它还在L1和L2上增加了新的军用"M码"的发展型。M码与中心频率的距离要比P码远,因此可比民用码强20分贝,而不干涉民用码。灵活功率选择可使输出功率在P码与M码间改变。波音公司制造的ⅡF卫星将是第一种采用L5频率,即第三个民用信号的卫星,ⅡF的M码将是工作型的M码,它是基于对ⅡR-M所用的M码发展型的试验基础上形成的。ⅡF卫星的首次发射定在2006年夏季。波音公司总共将制造12颗ⅡF卫星。GPSⅢ卫星2004年1月美国GPS联合项目办公室同波音公司和洛克希德·马丁公司分别签订了2000万美元的两年合同,研究对GPSⅢ的要求,设计候选结构,并检验寿命期费用。GPSⅢ的A阶段合同将在2005年5月至6月间随对系统要求的评审而结束。这些评审将导致在下一阶段即B阶段提出设计,并研究风险更大的一些问题。B阶段的招标书预计将在2005年11月发出,其合同定于2006年中签订。这样的进度不算快。因为第一颗GPSⅢ卫星要到2012年~2013年才准备发射。GPSⅢ的特点为包括一个点波束,以增加大范围的M码的功率,提高抗干扰能力。ⅡR-M所用的灵活功率措施只能将信号强度增加几分贝,而点波束则能增加几十分贝。GPSⅢ星座还具有卫星交叉链路,将导航和定时更新值在数分钟内传遍系统,而不是现在需要几小时从地球上直接同每颗卫星进行联系。这种交叉链路还把有关导航完整性问题的信息中继给用户。目前的GPS星座具有UHF交叉数据链,但它们只能中继卫星上携带的核爆炸探测器的告警信号。保证导航完整性的要求实现起来较为复杂。美国的WAAS和欧洲的EGNOS系统都采用另外的卫星来检验和告警完整性,但GPSⅢ星座在其自己的星座中就有这种功能,而认证完整性是GPSⅢ最难解决的问题,当出现坏信号时,需要在5.2秒时间内通知用户。此外,交叉链路还用于为点波束指向及星座的保护。GPSⅢ的军用和民用用户都可获得较高的导航精度,其固有信号将具有优于1米的精度,即使在所有误差源都存在的情况下,民用用户也能获得1~3米的精度。GPSⅢ的设计人员试图在卫星中包括可从地面改进卫星采用软件和星上的数字信号处理设备的措施。其中天线将是一个技术关键,正在研究采用"灵巧天线"技术。另外,因为美国国防部不能控制系统的用户,因而可能会采取措施阻止战场区域GPS的民用,而不降低那些地方GPS的军用精度,和其他地方GPS的民用。为此,M码在频谱上被分成两部分,这样就可在局部地区对民用捕获码进行干扰而不影响M码。确定GPS干扰机的位置GPS很易受到敌方干扰,这对卫星和军用GPS接收机抗干扰能力提出了迫切的要求。 解决干扰问题还有另一种方法,即确定干扰机的位置并加以摧毁。虽然对干扰机进行测向是一项相当成熟的技术,但要对GPS干扰机进行测向则增加了新的难度。因为实施GPS干扰的信号很弱,接近背景噪声,因此普通的测向设备找不到它们。 鉴于GPS的重要性,且美国没有测定GPS干扰机位置的手段,故美国国会要求五角大楼发展一种能测定GPS干扰机的机载样机。一个称为LOCO GPSI的项目应运而生。这个项目是美国海军航天和海战系统中心在SAIC公司的帮助下实施的,在1997年与2003年之间进行了三次试飞,它能探测出微弱的GPS干扰机并进行定位,总费用约2000万美元,其硬件则由Falcon公司制造。地球上的民用GPS捕获信号约为15分贝,弱于噪声背景,GPS接收机利用信号代码的知识把信号从噪声中寻找出来。接收机离不能捕获信号只有3~4分贝的裕量,军用信号则有较大的裕量。但无论在哪种情形下,干扰机只用比背景稍强的干扰就能破坏GPS接收机的接收。LOCO GPSI系统安装在一个吊舱里,能自主工作。它还包括一个数据记录器和GPS/INS导航装置。其组合的接收机和DF处理机被调谐到对GPS的L1和L2频率具有高灵敏度。一个17.8厘米×17.8厘米的平板四元天线安装在吊舱的一侧,为接收机提供相位干涉信号。信号一旦高于某个门限值,接收机就能提取相位信息。LOCO GPSI不会找实际的GPS卫星,因为它们的信号很弱,没有GPS编码增益根本探测不到。LOCO GPSI系统2001年的首次试飞是在一架F/A-18上进行的。然后设备实行了小型化,减小到5.62千克,功耗为90瓦,以便将来安装在无人机上。这种小型化的系统2003年8月在一架F/A-18试飞。以上两次试飞都是工程试飞。第三次也是最后一次试飞是作战试飞,于2003年9月在一架F/A-18上进行。在第三次试验中,LOCO GPSI系统需在作战环境中找出相距很近的窄带干扰机,而且同时受到多个宽波段信号的影响,而每个信号都会降低测量其他信号相位的能力。LOCO GPSI系统在实际作战中将安装在战术无人机上,可到达离干扰机很近的地方,以获得满意的定位精度。欧洲的伽利略卫星导航系统和EGNOS系统欧洲正在发展其自己的伽利略卫星导航系统。这是因为欧洲国家如在军事上依靠美国的GPS为军用机和导弹进行导航就会受制于人。另外,卫星导航还是一个利润很可观的产业。虽然美国的GPS是免费提供的,但从GPS设备销售和有关人员工资所得到的税收又源源不断地流向美国政府。因此美国和欧洲在卫星导航上既有合作的一面,也有互相竞争和冲突的一面。美国在2004年6月26日同欧盟签订了一个协议,这将使欧洲的伽利略导航卫星与GPS多少有点互操作性,如果欧美能按签订的协议走下去,将使全球卫星导航系统向前迈出一大步。以前的伽利略频率方案将其加密的"公共管制服务"直接放在美国计划的M码频率的顶部,而新方案则将PRS进一步移向边带,以避免冲突。美国和欧盟还同意从GPSⅢ和伽利略卫星开始,在L1频带上设一个公共的新的L1C民用频率。欧盟还同意不迫使航空公司和其他卫星导航用户在欧洲运行时必须采用伽利略卫星。GPS和伽利略两种卫星导航系统加在一起,有比GPS多一倍的卫星可供用户使用,从而提高了导航精度与信号的可靠性,使卫星导航更适合一些对安全要求很高的应用,如飞机的着陆与起飞。伽利略卫星导航系统进度由于欧洲各国政治观点的差异,已推迟了一年,很难满足原定的于2008年开始服务的目标,但其计划人员仍竭力想使这个系统在2010年以前开始服务。伽利略卫星导航系统的空间部分将由30颗重约700千克的小型卫星组成,设在地球上空24000千米的中低轨道上,轨道倾角为55°。其精度比目前的GPS稍高,特别是在城市区域和高纬度区域显得更加突出。而且GPS可提供完整性信号,但提供此信号可能要收费。伽利略项目的资金来源是,验证阶段的12亿欧元将由公共经费提供,而在其22亿的部署阶段,三分之二的经费将由私人投资。伽利略项目4颗验证卫星的预算原为6亿欧元,现在估计已达到11~12亿欧元,可能还会超支。有些人认为,让私人为伽利略的部署阶段投资也有问题,但德意志银行愿意为这个项目提供15~22亿欧元的贷款,足以涵盖私人的投资。而且这个项目很有吸引力,其风险也小于其他一些大型公私合作项目。伽利略项目还将从欧洲发展的EGNOS取得技术经验和用户市场,EGNOS将用作欧洲卫星导航网的先行者。EGNOS是一种广域增强系统,由ESA、EU和欧洲空管局联合出资发展的,用来增强GPS和俄罗斯GLONASS网所提供的基本信号,使其信号完整性和可用性达到与伽利略系统相同的等级。它与其他两个卫星导航重叠网,即美国的WAAS和日本的MSAS系统具有互操作性,而且性能也与它们相仿。EGNOS的精度对于一般应用,如汽车和手机的定位将是1~2米。对安全关键应用,如飞机着陆和海上导航的分辨率优于7.7米,而且对于空中导航,其可靠性等级达到10-7,用户可在6秒钟内得到出错的告警。这些能力已在试验装置的运行中得到了证实。系统目前正在进行试验运行,它采用来自三颗卫星(ESA的Artemis卫星和国际海事卫星组织的AOR和IOR卫星)应答机的实际信号。整个地面部分,除欧洲以外的3个可靠性和完整性监控站外,已全部安装好,正在做最后试验。顺便指出,美国选手阿姆斯特朗能第六次获得环法自行车赛的冠军,其中也有EGNOS的一份功劳。EGNOS的最初运行将从2004年年底开始,其用途将逐步增多,商业应用可在2005年年中提供,而安全要求很关键的飞机精密进近将在2006年年中当系统投入全性能运行状态时实现。

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作者 | 超级loveovergold

龙江微星来自百度网

  • 名称:GIOVE(伽利略在轨验证部件卫星)
  • GPS就要更新换代,龙江星星。制造商:萨里卫星技术有限公司
  • 发射日期:2005年12月28日
  • 发射地点:哈萨克斯坦,拜科努尔
  • 轨道:23226公里×23285公里(14432英里×14469英里),轨道倾角56°
  • 运载火箭:联盟号/Fregat
  • 名称:SMOS
  • 制造商:泰利斯·阿莱尼亚航天公司
  • 发射日期:2008年
  • 发射地点:俄罗斯,普列谢茨克
  • 轨道:763公里(474英里),倾角98.4°(太阳同步轨道)
  • 运载火箭:“罗克特”(Rockot)

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规格

  • 银河17号

有效载荷

  • 综合孔径微波辐射计(MIRAS)

题图这颗卫星,十多根枪管样的突出物,而且长枪短枪瞄准地球,感觉像太空武器,特有威慑力,是不是美国天军的装备?既对又不对,这是美国军民两用的GPS导航卫星,请看本期——卫星上的“天津大麻花”,朴实无华而嬗变的螺旋天线,Helical antenna!

鹊桥中继卫星和龙江卫星轨道示意图

有效载荷

  • 铷原子钟,L波段天线,信号发生单元,两部辐射监视器,导航接收器

结构尺寸

  • 2.4米×2.3米(7.9英尺×7.5英尺)

  SMOS是欧洲航天局“地球生存计划”下属的“地球观测”任务的第二颗对地观测卫星。SMOS将提供全球土壤湿度图和海洋盐度图。土壤湿度数据将有助于地球水文研究,而海洋盐度数据将增进我们对海洋循环模式的理解。总之,SMOS可增进我们对地球水循环的理解,有助于对气候、气象和极端事件的预测。

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结构尺寸

  • 1.3米×1.8米×1.7米(4.3英尺×5.9英尺×5.4英尺)

  欧洲航天局和欧共体达成共识开发的伽利略系统——第一个民用卫星定位、导航和计时系统。

结构特点使用情况

一、苏联的Sputnik 1

两图为“龙江双星”组队飞行示意图

结构特点研制历程使用情况

结构特点

SMOS基于法国空间研究中心和阿尔卡特一阿莱尼亚航天公司研制、立方体形的小卫星海神(Proteus)的星体设计。这样服务舱可以装下全部主要子系统。单个科学仪器和它的Y形天线由4个接触杆装在卫星顶部。一个GPS接收机用来确定和控制轨道,四个肼助推发动机装在卫星底座上。两排太阳能电池阵列提供900瓦电能。

综合孔径微波辐射计是一种新型辐射计,能够在1400~1427兆赫兹(L波段)之间运行。通过综合多个小天线孔径,需要的高分辨率就有可能实现。69个天线单元在卫星的3个臂上展开。每个单元测量地球产生的辐射波。

——美国导航卫星创意的摇篮

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结构特点

GIOVE-A和GIOVE-B是为了提供在轨冗余而建造的,容量十分充足。较小的GIOVE-A搭载铷原子钟(和它的备用品),同时使用两个独立的信道传输同一个信号。这种三轴稳定的卫星有一个立方体形状的星体,并装有两块太阳能电池板,它们能够产生700瓦的电力。较大的伽利略工业卫星还装备了氢原子钟,它以三种不同的信道传输数据。

使用情况

SMOS将在太阳同步拂晓-黄昏(dawn-dusk)轨道飞行。设计寿命是3年。

在上期《看天线,识卫星——漫谈卫星天线(一)》讲到的苏联第一颗人造地球卫星Sputnik 1的全向鞭状天线,让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。美苏虽为冷战敌对阵营,但心有灵犀,冥冥中,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室(The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory,简称APL)两位年轻人,吉勒(William Guier)和维芬巴哈(George Weiffenbach),制作了天线和放大器,轻而易举的收到了卫星发射的20.005MHz的信号,实验室的同事们沸腾了!

根据“大爆炸宇宙论”,宇宙是由一个致密炽热的奇点于约140亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。图为根据此理论勾勒的宇宙演化历史。

研制历程

开发工作于2003年开始,使用三颗或四颗卫星来进行系统测试。

GIOVE(Galile,In-orbit Vahdation Element)卫星安全接入了国际电信联盟分配的伽利略频率,进行放射性环境研究和临界技术(例如星载原子钟、信号发生器和用户接收器)测试。

Sputnik 1发射的是平淡乏味的“哔哔哔”,但卫星近3万公里的时速,让频率有500 Hz~1500 Hz的偏移!两人在兴奋之余,脑洞大开,产生了基于多普勒频移效应来计算卫星相对速度的想法,进而从多次测量的多普勒频移数据中推断出卫星的轨道。

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使用情况

GIOVE-A的预计使用寿命在2008年初结束。

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射电波段的银河系

图1.多普勒效应,汽车驶来,喇叭声由高变低就是多普勒效应

5月21日5时28分,“长征”运载火箭点火升空,嫦娥四号中继星“鹊桥”成功发射。与其一起发射升空的还有两颗微卫星:“龙江一号”和“龙江二号”。“龙江双星”的使命是环绕月球开展超长波射电天文观测实验。

这其中需要解决地球南北不对称、电离层折射校正、卫星振荡器频率漂移校正等工作,在学校的支持下,两个年轻人还用上了实验室刚引入不久的Univac 1200F数字计算机,成功推算出卫星的运行轨道。

①运力有余“龙江双星”借势飞天

实验室研究中心主席麦克卢尔(Frank McClure)找到了他们,启发他们研究用已知的几颗卫星轨道,通过多普勒频移计算出接收器所在的位置。这个课题圆满成功,1958年12月,美国海军武器实验室委托美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System ,NNSS)。

继实施嫦娥三号月球探测任务之后,今年中国要发射嫦娥四号啦!其最鲜明的特点是将首次在月球背面着陆并开展探测活动。

第一颗成功入轨的“子午仪”试验卫星Transit 1B于1960年4月13日发射,发射54、162、216和324 MHz等不同频率信号,这些信号提供了实验数据,用来评估电离层的折射效应。1964年NNSS建成并投入使用,1967年开放民用。下图为OSCAR型号NNSS导航卫星长达18米的杆子并不是它的天线,而是用来保持卫星姿态的重力梯度杆。该卫星的天线在150MHz和400 MHz上发射信标信号,双频用于抵消卫星无线电信号在电离层的折射,从而提高定位精度。

由于月球的公转和自转周期相同,月球总是以同一面对着地球,在地球上始终无法看到其另一面。直到1959年,苏联月球三号探测器绕飞月球时才首次拍下了其背面照片。

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既然我们在地球上看不到月球背面,又如何把控制指令发给着陆器、把探测数据传回地球呢?这就需要有一颗中继卫星,在能同时被月球背面和地球“看到”的位置上完成数据传输。为此,中国研制了“鹊桥”卫星,它将环绕地球-月球系统的第二拉格朗日点飞行。

图2.艺术家描绘的太空中的TRANSIT(子午仪) Oscar卫星

L2点位于地球和月球的质心连线上月球背面一侧,距离月球中心约6万公里处。该点本身与地球之间也被月球遮挡了,不过地球和月球引力可以使鹊桥卫星沿着围绕L2点的所谓光晕轨道运行,这样就可以同时被月球背面和地球所看到,实现信号的中继传输。

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用于发射“鹊桥”的长征运载火箭完成该项任务后动力还绰绰有余,因此中国决定利用这一机会,再搭载两颗实验微卫星。这两颗微卫星由哈尔滨工业大学、中国科学院国家空间科学中心、中国科学院国家天文台联合研制,命名为“龙江一号”和“龙江二号”,它们与“鹊桥”一起发射升空,然后进入自己飞行轨道,开展超长波射电天文观测实验,探秘“宇宙洪荒”景象。

图3.运行在极轨的5颗子午仪卫星

②超长波观天填补世界天文空白

该系统的卫星运行在极轨,但数量少(5~6颗)、轨道高度较低(1070km)、卫星间隔时间较长,其定位需要在35到100分钟才能完成(平均约90分钟),难以提供高程数据、无法连续进行三维坐标定位,精度也相对较低。1973年美国国防部协同有关军方机构共同研究开发新一代的卫星导航系统。这就是“授时与测距导航系统/全球定位系统”,简称“全球定位系统”(GPS)。

天文观测始于可见光,但光其实是一种电磁波,认识到这一点后自然就会问:用不同波段的电磁波观看天空,是否会看到不同的东西呢?答案是肯定的。

就拿无线电波来说吧,科学家曾以为这个波段不会看到什么东西,因为根据热辐射谱推算,恒星的射电辐射很微弱。然而,出乎意料的是,银河系在射电波段竟然十分明亮,要靠热辐射机制发出这样强的电波,射电源的温度将高得不可思议。科学家后来发现,这些辐射主要来自宇宙线电子在磁场中运动时发出的同步辐射。此后,在射电波段人们又相继发现了类星体、脉冲星、宇宙微波背景辐射等;在其它波段发现了X-射线双星、伽玛暴等新奇天文现象。因此,天文学家们非常希望能系统地观测电磁波的所有频段。

二、给电波打上时间标签

然而,还有一个波段迄今仍几乎空白,这就是频率为30MHz以下的超长波波段。在无线电通讯中,0.3-30MHz间被划分为高频HF、中频MF,使用收音机收听调幅广播,这也被称为短波和中波。不过在天文上,这一频段算是极低的频率,而频率越低,波长越长,因此我们称其为超长波。

GPS系统的空间部分由24颗卫星组成,位于距地表20187千米的上空,运行周期为12小时。卫星均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55度。如此分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星。

人类首次观测到天体射电信号就是上世纪30年代美国科学家央斯基在这一频段测试通讯噪声时意外发现的。由于地球高空大气有电离层,会吸收低频电波,没被吸收的部分也受到强烈折射,使信号随着电离层的湍流剧烈变化而难以观测。再加上自无线电发明以来人们就利用这些较低的频率开展了广播、通讯等业务,有许多人工干扰电波,因此在这一频道进行天文观测就非常困难。所以,绝大部分天文观测都是在更高的频率上进行的,这一频段反而留下了一片空白。

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③迎接挑战捕捉“宇宙黎明”

图4.24颗GPS卫星在6个距离地球2.02万公里高度轨道面组成星座

在空间开展超长波天文观测可以避免电离层的影响,不过在地球附近,这种观测仍会受到地球电磁波的强烈干扰,而月球可以挡住地球的电磁波,因此月球的背面提供了进行这种观测的绝佳环境。

相较于简单的多普勒频移定位,GPS系统要复杂得多,简单来说,GPS卫星上有非常精密的原子钟,在其广播的导航电文中包含了信号发送的时间,接收端根据本地时间做减法,再乘以光速,就是接收机到卫星的距离。如果同时测算三颗卫星的信号,就可以根据三角测量法确认位置。

龙江一号和龙江二号微卫星将环绕月球飞行。当它们飞到月球背面时,就开机进行观测,并将数据记录下来;当飞到月球正面时,再将数据传回地球。这为探测超长波提供了绝佳的机会。

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在超长波波段,究竟会有些什么天体或者天文现象等着我们发现呢?

图5.这就是为什么导航卫星需要精密时钟的原因

我们可以根据频率稍高一点的地面观测做些推测,这应该包括太阳爆发、行星特别是木星磁层活动、银河系超新星遗迹、银河系电离气体云、射电星系中心大质量黑洞活动产生的喷流等。在这一频段还有更为激动人心但又极具挑战的目标,就是探索宇宙大爆炸结束后的“黑暗时代”以及此后第一代恒星形成时的“宇宙黎明”。

不过,接收机很难有和卫星同步的精准时间,因此除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,需要接收到4个卫星的信号,方能准确知晓位置。

就在不久前,美国EDGES实验在78MHz处发现了一个相当强的吸收谱特征,这有可能是“宇宙黎明”产生的,但与标准理论模型相差很大,因此也有很大争议。如果能在不受电离层吸收折射以及地面干扰影响的空间进行精密的长时间观测,有可能最终解决这一问题。

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④编队飞行组成月球轨道观测战队

图6.通过捕捉第四颗卫星信号,计算出时间修正参数Δt

每颗龙江微卫星上配有两套天线,每套均由三根互相垂直的一米长鞭状天线组成,可以同时测量不同偏振的电波。

GPS卫星提供了P码(精码)和C/A码(粗码)两种定位服务。P码为军方服务,调制在L波段1575.425MHz(下称L1载波),定位精度达到3米;C/A码对社会开放,调制在L波段1227.6MHz(下称L2载波),定位精度为14米。但如何能够让地面用户收到远在2万多公里外发出的导航电文信号,是个难题!

不过,这一米长的天线远远短于观测的波长,因此方向性很弱。如何能够提高分辨率,确定电波射来的方向呢?解决方案的原理是模仿人类耳朵:如果我们塞住一只耳朵而只用一只耳朵听的话,就无法区分声音传来的方向,但如果用两只耳朵的话就比较容易判断方向,这是因为声波传到两只耳朵的时间稍有不同,我们的大脑可以自动判别出来。

同样,射电天文上使用干涉仪,将两个单元受到的信号做互相关,据此求出信号的到达时间差,从而定出来波的方向。如果使用多台天线构成阵列,可以得到天空的图像。这就是综合孔径成像方法。这一方法早已在射电天文上使用。

三、完美契合地球球面的天线波形

虽然地面上早就有了干涉阵,但在空间中两颗卫星的相对距离和方位不断变化,甚至两星上的时间和频率基准都不相同,因此要做到空间的干涉观测并不容易。根据计划,两颗微卫星将沿着同一轨道一前一后绕月飞行,距离一般在1公里到10公里间,在绕到月球正面时将观测数据发送到地面,并利用这一微波系统实现两星的测距和时间频率同步,组成太空“战队”。如果“龙江双星”任务实施顺利,它们将成为世界上首次在月球轨道形成的近距离编队飞行系统,也是世界上首个星间干涉射电天文观测系统。

GPS卫星的L波段天线被设计成固定波束面向地球的一面,由于轨道高度为运行时长12小时的中地球轨道,距离地球2.0187万公里,波束宽度约为27.7度,天线允许的对地角度偏差为±0.15度,因此波束宽度约为28度。但是,天线设计的目标是其增益要有形状,契合地球球形的形状,让卫星星下点和地球边缘的信号衰减相差2.1dB,节省功耗,提高效能。

⑤精彩第一步为超长波观测阵列探路

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不过,由于这次的龙江卫星仅仅是“蹭车”,每颗限制为46公斤,而这其中很大一部分还是推进剂,所以能搭载的仪器很有限。因为推进剂有限,卫星轨道也比较粗放,难以经过精细调节进入离月球面比较近的圆形轨道,而是一条大椭圆轨道,近地点距离月球大约300公里,远地点约9000公里,绕月一周所花的时间是大约13小时。

图7.GPS卫星天线的增益要契合地球球形的形状,让卫星星下点和地球边缘的信号衰减相差2.1dB。

另一方面,星上的太阳能电池比较小。受电力所限,在每一轨中只有大约10分钟可用于观测,20分钟可用于数据传输,其余的时间都用于充电。月球与地球间距离遥远,星上小天线发射功率又不大,“网速”很低,只能把很少一部分数据传回地球。

因此在研发中,导航信号发射天线的焦点被汇聚在螺旋天线上。

由于以上原因,龙江微卫星对超长波天空的观测应该说还是比较初步的,主要是一种技术验证,为将来更大规模、专用的超长波观测阵列做好准备。

无论如何,这是迈开了环月超长波天文观测的第一步。我们对“龙江双星”的精彩表现充满期待!

四、一夜之间的发明和几年的探索

(陈学雷系中国科学院国家天文台研究员、龙江卫星团队成员。)

美国俄亥俄大学教授、科学家约翰·克劳斯(John D. Kraus)1946年听了一个讲座,得知在行波管中用螺线管作为导波结构。于是他联想到,是否可以用螺线管来作为天线?当时报告人的回答是已经试过,肯定不行。但克劳斯认为,如果直径够大,肯定会有辐射产生。当晚,他就在家中地下室里绕了一个周长为一个波长、一共七圈的金属螺线,用12厘米波长震荡源通过同轴线馈电,结果在螺线终端方向测到了圆极化辐射。

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图8.金属反射圆盘连接同轴线外导体,金属螺线连接芯线

测到,是不是偶然?克劳斯重复了实验,又绕了一个螺线再度验证了这一特性。可以说是一夜成功!但他说,为了理解这种嬗变的天线,随后却花了好几年。

别看螺旋天线结构简单,不过是绕圈而已,其实大有学问!螺旋天线可分为立体螺旋天线(helical antenna)和平面螺旋天线(spiral antenna)。立体螺旋天线根据绕成的形状的不同,又可分成圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等等;圆锥形螺旋天线又称为盘旋螺线型天线,可同时在两个频率工作。平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线,在结构上又有单臂、双臂、四臂之分,平面螺旋天线一般在后面添加背腔来提高增益。本文重点讲的是圆柱形螺旋天线,它的辐射特性很大程度上决定于螺旋天线直径与波长的比值。

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图9.螺旋天线直径对方向图的影响

如果螺线绕的很细密,D/λ<0.18,直径远小于波长,天线的主射方向垂直于螺旋天线轴,这种工作模式称为法向模,其实和半波振子天线相仿,频带很窄,其天线方向图就是上期讲到的甜甜圈。但其优点不仅仅是天线的长度可以大幅度缩短,而且螺线所具有的电感可以抵消电短天线固有的容抗,辐射电阻较大,便于匹配,广泛应用于GSM手机的外置天线。

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图10.GSM900/1800MHz双频螺旋天线

但如果直径和波长比值在0.25~0.46之间,即一圈螺旋周长约为一个波长时,螺旋天线沿轴线方向有最大辐射并在轴线方向产生圆极化波,输入阻抗近于纯电阻,频带较宽,增益较高,这种天线称为轴向模螺旋天线,很快在各领域得到了广泛的应用。而且它的互阻抗几乎可以忽略,因此很容易用来组成天线阵列。

当D/λ进一步增大,在D/λ>0.5时,最大辐射方向偏离轴线方向,天线的辐射呈圆锥状,被称为圆锥模,一般用于电磁对抗天线。

五、组阵列做减法

天线阵的初始概念和设计由罗克韦尔国际公司(Rockwell International)的空间系统分部(Space systems Division)研发,BLOCK I天线非常惊艳,12根短枪,也就是12个单旋螺旋天线组成了L波段的发射阵列,长枪是一个圆锥形螺旋天线,是S波段TT&C全向天线,也就是Telemetry, Tracking and Command Antenna,遥测、跟踪和指令天线。

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图11.第一代GPS卫星的视觉杀伤力非常强大,广泛地在科幻作品中“发射死亡激光”

朝向地球的卫星面板上,12个螺旋天线组成的阵列,其实是相控阵定相天线,由内外两圈同心圆排列而成,4个单元等间距组成半径为16.24厘米的内圈,8个单元等间距组成的外圈半径为43.82厘米。螺旋天线半径3.56厘米,长度51.18厘米,D/λ在0.28~0.38之间,是工作在轴向模式的螺旋天线,在1200-1600 MHz的宽频范围内发射L1和L2右旋圆极化信号,圆极化电波可以有效避免信号在穿越电离层时出现的法拉第旋转效应对传输的影响。整个天线完全是无源设计,具有很高的可靠性,同时质量非常轻巧。

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图12. 12个螺旋天线组成的相控阵阵列天线,由内外两圈同心圆排列而成

L1载波的射频放大器功率为50W,L2载波的射频放大器功率为10W,通过输入耦合器进行功率分配,90%的功率驱动内圈4个螺旋天线单元,产生高信号功率的宽幅波束;10%的功率用于驱动外圈8个天线单元,产生较弱信号的较窄波束。然而在相位上,两路信号设置成相差180度。

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图13.两路载波信号经过耦合器功率分配之后,移相驱动内外两圈发射单元

内外两环信号相隔180度相位,其实相当于两路信号做了一次减法,即下图中红色减去蓝色,得到绿色复合的28度的天线辐射图案,可以看到绿色线条最左边的增益凹陷部位完美契合地球形状。

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图14.红色的主信号减去蓝色的信号,得到契合地球形状的天线增益

得益于螺旋天线轴向模的高增益,同时采用这种相控阵定相设计,几乎恒定的信号强度照射地球半球,降低了GPS航天器所需的总发射功率,减少了卫星上太阳能电池和蓄电池的数量和重量,简化了卫星的复杂性和成本。

六、GPS系列卫星,一脉相承的设计

1978年至1985年间从范登堡空军基地发射了11颗Block I GPS卫星,Block I卫星的最终入轨质量735磅,整星功率500瓦,它们由三个可充电镍镉电池和7.25平方米的太阳能电池板供电,依靠肼推进器进行轨道位置保持。

这些卫星的设计寿命为4.7年,但实际平均寿命为8.76年,几乎是设计寿命的两倍,星载的铷/铯钟被证明是系统中最脆弱的部件。最后一颗Block I卫星于1995年底退役。

12个螺旋天线的设计是非常成功的,一直被保持了下来。在后续BLOCK II / IIA卫星中,螺旋天线的顶部绕圈改为圆锥形设计,这种设计显著减少了侧面和后瓣辐射,提升了天线效率。

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图15.BLOCK II / IIA卫星中,螺旋天线的顶部绕圈改为圆锥形设计,枪头变尖

洛克希德马丁公司在Block IIR设计中进行了一些更改,内外圈天线单元的射频功率分配作了优化,内外环两组天线的180移相方式也做了优化,其中通过电桥进行90度移相,另外90度移相则通过两组天线之间90度机械旋转实现。

同时螺旋天线的理论研究还在继续,20世纪70年代,苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究,各国学者在此基础上深入研究,延伸出很多变种,尤其是四臂螺旋天线因其高增益、方向性好、圆极化的特点,得到了深入的发展和实际应用。这种天线很快也将出现在GPS卫星上,如下图周边一圈8 1 1个胖胖的天线,就是Block IIR用于UHF频段通信的四臂螺旋天线,其用途具体见Willard Marquis和Daniel Reigh写的《On-Orbit Performance of the Improved GPS Block IIR Antenna Panel》。

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图16. IIR增加了UHF频段通信的四臂螺旋天线,12个螺旋天线反射器也有改进

波音公司生产的GPS BLOCK IIF卫星配备两个高稳定性铷钟和一个铯原子钟,以提供准确的导航信号,信号准确度是传统模型的两倍,但发射天线保留了经典设计,设计寿命为12年,从2010年5月28日开始,已经发射了12颗,是目前GPS卫星的主力。

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图17.波音公司生产的BLOCK IIF卫星是目前GPS的主力

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图18.洛克希德马丁公司生产的BLOCK III卫星是最新的GPS卫星

斯坦福大学2015年的SCPNT(Stanford Center for Position, Navigation and Time)研讨会上,一位名为Shankar Ramakrishnan的学生利用逆向工程方法,算出了GPS BLOCK III的3D方向图,可以较为直观地了解12组元L波段螺旋天线的辐射(其实一直希望有一种AR技术,能够“看到”看不见的电波)。

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图19.Shankar Ramakrishnan用逆向工程法绘制的GPS BLOCK III的3D方向图

就像是一个师傅教出来的一样,俄罗斯的格洛纳斯K卫星也是采用了非常类似的设计。

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图20.在2011年Cebit展上露脸的格洛纳斯K卫星

对螺旋天线的研究在持续进行,主要是在扩展带宽、增强方向性即提高增益,提高圆极化纯度和小型化等方面,与轴向模式螺旋天线和喇叭天线相比,逆火螺旋天线(BACKFIRE)作为比抛物面反射器的更好的馈电元件也已走上舞台。

七、欧洲和中国脱颖而出

欧洲在卫星导航技术上不甘心受制于美国,欧盟于1999年首次公布了伽利略卫星导航系统计划,其目的是摆脱对GPS的依赖,打破其垄断,从而在全球高科技竞争浪潮中获取有利位置,并为将来建设欧洲独立防务创造条件。

伽利略系统的核心部分是在空间部署30颗导航卫星,采用23616km 的中地球轨道,3个轨道面,轨道面间夹角120度,轨道倾角56度,轨道周期14h 4min,地面轨迹重复周期10天,30颗卫星等间隔地分布在三个轨道面上。导航信号分别为E1、E5及E6。

和GPS系统一样,伽利略导航卫星同样需要覆盖球形的地球表面,由于在大约24000km的高度轨道运行,波束宽度较GPS的28度缩小为约24度,并且覆盖边缘所需的增益比中心处的增益高约2.5dB。

在L波段主天线选择上,欧空局另辟蹊径,采用了微带天线多层平面技术。微带天线具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形等优点,空间应用潜力巨大。两个相位相差90度的微带天线可以发射圆极化电波;但微带天线也有发射频带窄的劣势,因此天线单元采用两组4层微带天线堆叠而成,组装在紧凑、轻便且可拆卸的独立单元中,中间由蜂窝垫片支撑。由两个分别在1.2G/1.5G频段的独立BFN(波束成形网络)馈电,形成双频右旋极化波。

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图21. 4层微带天线堆叠而成的天线发射单元

微带天线的整个天线单元由36个微带天线堆叠贴片单元组成,阵列网格是混合点阵,针对双频段功能进行了优化,两个频段的增益均为15 dBi,重量仅为21.9千克。当中核心区块,4 8的单元设计,与前述螺旋天线阵列完全一致。

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图22.当中核心区块,4 8的单元设计,你是否熟悉?不是费列罗,而是前述螺旋天线阵列

欧空局在2005年12月发射了伽利略导航首颗在轨试验卫星,GIOVE(Galileo In-Orbit Validation Element)-A,后续又持续进行了试验和改进,L波段天线出现了几种不同的改变,尚无文献说明天线阵列改变的目的和效果。最终版本被称为FOC (Full Operational Capability) ,可见其天线核心的阵列又恢复到GPS BLOCK I类型的阵列。

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图23.4代伽利略导航卫星

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图24. Shankar Ramakrishnan用逆向工程法绘制的伽利略主天线的3D方向图

据传,我国MEO北斗卫星的L波段主任务天线也采用了微带天线多层平面技术,然而至今仍犹抱琵琶半遮面。下图为一位国外艺术家J·Huart绘制的想象图。

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图25.国外艺术家绘制的北斗MEO导航卫星

威尼斯手机娱乐官网,从GPS的长枪短炮到伽利略的斑斑点点,导航卫星的天线技术在不断进步,同步原子钟技术、扩频通信技术、定位数据处理等等技术革新,才让现在的定位精度有了显著提高,并实实在在地从外卖点餐到开车导航,走进了老百姓的寻常生活。

(未完待续。后续文章中,静止轨道、对地观测等卫星的天线将依次登场,敬请期待……)

附:如果读者中有在校学生,虽然电磁场与辐射、微波理论、天线理论与技术等课程,可能是大学本科阶段无线电或通信专业最为枯燥的几门功课,希望本文对你的学习有所帮助,请沉下心,未来的你会感谢现在的努力。

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这是卫星吗?猜猜看,这是什么卫星?

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