衛(wèi)星傳送標(biāo)頻的多譜勒效應(yīng)論文
[摘要]本文分析了衛(wèi)是攝動(dòng)和多譜勒頻差的規(guī)律，提出多譜勒頻差的測(cè)試方法和用衛(wèi)星標(biāo)頻實(shí)現(xiàn)同步廣播的具體做法。
[關(guān)鍵詞]衛(wèi)星;攝動(dòng);標(biāo)頻;多譜勒效應(yīng);同步廣播
0引言
中波同步廣播臺(tái)為了保證同步效果，要求進(jìn)入同步網(wǎng)的中波發(fā)射機(jī)的頻差小于0.015Hz，各臺(tái)通常接收各地電視發(fā)射臺(tái)轉(zhuǎn)播的中央臺(tái)電視信號(hào)，根據(jù)激勵(lì)器的類(lèi)型，選用電視信號(hào)中的行同步、色副載波、插入行1MHz信號(hào)作標(biāo)頻。各地中央電視臺(tái)信號(hào)的來(lái)源，一是通過(guò)微波網(wǎng)傳送，二是通過(guò)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的光纖網(wǎng)傳送，三是通過(guò)同步衛(wèi)星傳送。由于衛(wèi)星攝動(dòng)的多譜勒效應(yīng)，同步衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻和微波或光纖網(wǎng)傳送的標(biāo)頻相比，存在0.05Hz左右的誤差。如果各同步臺(tái)分別采用微波(光纖)和衛(wèi)星傳送的電視信號(hào)校頻。各臺(tái)維護(hù)人員都以為進(jìn)入同步狀態(tài)，實(shí)際上頻差已超過(guò)同步廣播的要求，同步狀態(tài)名存實(shí)亡。同步狀態(tài)的消失，使離臺(tái)較遠(yuǎn)的中間地帶的收聽(tīng)效果明顯變壞。但離發(fā)射臺(tái)較近的地方，收聽(tīng)效果卻沒(méi)有變化，因而衛(wèi)星攝動(dòng)多譜勒效應(yīng)對(duì)同步廣播的影響，往往不容易引起各轉(zhuǎn)播臺(tái)和管理部門(mén)的注意。本文分析了衛(wèi)星攝動(dòng)的規(guī)律及多譜勒效應(yīng)所引起的頻差，給出測(cè)量該頻差的辦法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出衛(wèi)星作標(biāo)頻源實(shí)現(xiàn)同步廣播的具體做法。
1同步衛(wèi)墨的攝動(dòng)
從地球上觀察同步軌道衛(wèi)星，其位置似乎是固定不變的。所以，習(xí)慣上把同步衛(wèi)星稱(chēng)為靜止衛(wèi)星。然而，由于地球并非是理想球體，實(shí)際形狀近似一個(gè)在赤道部分有些鼓脹的扁平旋轉(zhuǎn)橢圓體，粗看上去像一只梨，而且地球表面的山巒起伏不平，因此地球四周等高度外的引力不是一個(gè)常數(shù)。此外存在著太陽(yáng)引力、月球引力、太陽(yáng)輻射壓力和地球引力梯度的影響，其結(jié)果是衛(wèi)星的定點(diǎn)位置發(fā)生漂移，這種漂移稱(chēng)之為攝動(dòng)。
在同步軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，太陽(yáng)對(duì)它的引力是地球引力的1/37，月球?qū)λ囊κ堑厍蛞Φ?/6 800。這些引力作用的結(jié)果，使衛(wèi)星軌道位置矢徑發(fā)生微小擺動(dòng)，另外還有太陽(yáng)輻射壓力的影響等。這些因素衛(wèi)星運(yùn)行的軌道平面產(chǎn)生偏離赤道平面的傾斜，對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)投影發(fā)生南北方向的周期性漂移。如果站在星下點(diǎn)望去，可以“看到”衛(wèi)星以24小時(shí)為周期，在天空中描繪出一個(gè)8字形的軌道(稱(chēng)為副軌)。它的中心恰好位于正確軌道平面上，每天星下點(diǎn)太陽(yáng)時(shí)的午夜零點(diǎn)和12點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)中心，其他時(shí)間半天在北半球，半天在南半球，并且分別在上午6點(diǎn)和下午18點(diǎn)處于南北漂移的兩個(gè)頂點(diǎn)。
由于地球自身不是理想球體，在圓形同步軌道中會(huì)存在一定的引力梯度。此外，太陽(yáng)的輻射力也會(huì)使軌道圓弧產(chǎn)生一定的偏心率。這兩種外力使衛(wèi)星的運(yùn)行速度發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)投影發(fā)生東西方向的漂移，東西經(jīng)度方向上的漂移雖然緩慢，平均速度大約為0.8。/年，但卻不斷積累，越漂越遠(yuǎn)。為了校正攝動(dòng)行起的位置偏差，衛(wèi)星上設(shè)有軌道校正系統(tǒng)。通常每隔幾十天就要開(kāi)動(dòng)星上離子小火箭，用反沖力進(jìn)行一次經(jīng)度方向的校正。直到今天，人們還沒(méi)有辦法完全消除同步衛(wèi)星的攝動(dòng)，通常根據(jù)實(shí)際需要和技術(shù)上的可能，確定相應(yīng)的位置，并保持在容限允許范圍內(nèi)，目前國(guó)內(nèi)外已投入實(shí)際運(yùn)行的C波段衛(wèi)星，在東西、南北方向上，其位置容限都已達(dá)正負(fù)0.10—0.5。以?xún)?nèi)，而K波段衛(wèi)星控制在0.1。以?xún)?nèi)。
由于同步衛(wèi)星距地面35 786km，因而僅僅±0.1。的偏差，就會(huì)使衛(wèi)星產(chǎn)生相對(duì)正確位置士74km的位移。這種運(yùn)動(dòng)是每天一個(gè)周期的南北8字形攝動(dòng)和幾十天一個(gè)周期的東西漂移的疊加，南北方向的攝動(dòng)速度比東西方向上的漂移速度快得多。
由于靜止衛(wèi)星并非靜止，它的攝動(dòng)產(chǎn)生了多譜勒效應(yīng)，它所傳輸?shù)耐綇V播標(biāo)頻的頻率也隨之產(chǎn)生偏差。這個(gè)頻差稱(chēng)多譜勒頻差。
2衛(wèi)星攝動(dòng)多譜勒頻差的理論分析
無(wú)線電波的多譜勒效應(yīng)表達(dá)式為：
f。=工√(c+y)/(c-礦i (1)
多譜勒效應(yīng)相對(duì)頻偏的表達(dá)式可由上式導(dǎo)出：
(fo- fS)lZ=√疆i了了可可=而一1 (2)
fo：觀測(cè)頻率(Hz);
上：信號(hào)源頻率(Hz);
v：信號(hào)源相對(duì)于觀測(cè)者的速度( m/s);
C:光速3x10'm，J。
衛(wèi)星攝動(dòng)的速度：我們國(guó)家發(fā)射的衛(wèi)星一晝夜里的漂移基本上是±0.10，對(duì)應(yīng)于±0.1。衛(wèi)是偏離正確位置的距離為±74km，如果以勻速直線運(yùn)動(dòng)計(jì)真，則其速度為3.4m/s，代入式(2)，多譜勒相對(duì)頻偏為1.1×10-8，已超過(guò)同步廣播的容限，況且標(biāo)頻由上行站傳給星體，再由星體傳給地球站，星體的攝動(dòng)使上行和下行過(guò)程都存在多譜勒頻差，這兩個(gè)頻差疊加在一走，表現(xiàn)為下行地球站接收的標(biāo)頻和上行站所傳標(biāo)頻的頻差。實(shí)際上，衛(wèi)星攝動(dòng)時(shí)的軌道不是直線，速度也不是均勻的，因而攝動(dòng)時(shí)的最大速度會(huì)比3.4m/s高一些，而且不同時(shí)間攝動(dòng)速度不一樣，方向也不一樣。
因而，多譜勒頻差是時(shí)間的函數(shù)。攝動(dòng)時(shí)的`瞬時(shí)速度決定了頻率偏移值，不同時(shí)間的速度差決定了頻率的穩(wěn)定度。對(duì)于兩個(gè)衛(wèi)是地球站來(lái)說(shuō)，由于地理位置不同，相對(duì)速度也不一樣，因而多譜勒頻差是地點(diǎn)的函數(shù)。也就是說(shuō)，多譜勒頻差是時(shí)間和地點(diǎn)的多元函數(shù)，但是同步衛(wèi)星離地面的高度為35 786km，而實(shí)行同步廣播且因場(chǎng)強(qiáng)相近，存在干擾失真區(qū)的兩個(gè)發(fā)射臺(tái)之間的距離通常不會(huì)大于1 000km.即兩個(gè)地球站和衛(wèi)星之間的夾角小于1.6。，他們觀察到的衛(wèi)星攝動(dòng)的速度應(yīng)該是很小的，其多譜勒頻差應(yīng)當(dāng)很接近。
3衛(wèi)是攝動(dòng)多譜勒效應(yīng)的測(cè)試
上文對(duì)多譜勒頻差進(jìn)行了理論分析，現(xiàn)給出多譜勒頻差的實(shí)測(cè)方法測(cè)試時(shí)考慮的主要問(wèn)題如下：
1)微波和衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻頻差究竟有多大?
2)衛(wèi)星攝動(dòng)是24小時(shí)為周期的8字形運(yùn)動(dòng)和東西經(jīng)上漂移的疊加，前者速度快，后者速度較，多譜勒頻差是否呈現(xiàn)以24小時(shí)為周期的變化規(guī)律?
3)兩個(gè)相距數(shù)百公里的同步臺(tái)，同時(shí)接收衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻，其頻差是否很接近?
從這幾個(gè)問(wèn)題人手進(jìn)行測(cè)試，下面是測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果：
1)微波和衛(wèi)星標(biāo)頻的頻差
用兩路同步激勵(lì)器分別同時(shí)接收微波和衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻，然后將輸出的標(biāo)頻加到示波器的X、Y軸，觀察李沙育圖形翻轉(zhuǎn)一周的秒數(shù)，然后換算出兩機(jī)的頻差。
按照上述方法進(jìn)行5次測(cè)量，其頻差分別為0.061、0.055、0.050、0.056、0.047Hz。從測(cè)試結(jié)果可以看出，通過(guò)微波傳送的標(biāo)頻和通過(guò)衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻的頻差約為0.05Hz，已超出同步廣播的容限。
2)多譜勒頻差的時(shí)間特性
同步激勵(lì)器用衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻進(jìn)行校頻，每隔2個(gè)小時(shí)校頻1次并記錄壓控電壓值，15—19日連續(xù)五天進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1。
日期9:0011:0013:015:0016:0019:0021:0023:001:0015日2 3052 3462 3572．．3712.3922.4052.3822.3632.34016日2.3222.3652 3732 3952.4032.4282.40323722.36117日2.3192.3622 3702 396240124242A052.3692 35918日2.3012.3252.3512 3692.39524012.3792.359233819日2,2982.3242.3472 3612.3892.4022.3752.3512.335
表1校頻壓控電壓值(V)
上述測(cè)試結(jié)果表明，多譜勒頻差呈現(xiàn)24小時(shí)為周期的規(guī)律，且最大值約在19點(diǎn)左右出現(xiàn)。壓控電壓的變化幅度為lOOmV，該同步激勵(lì)器的壓控特性為0.00022Hz/mV，換算成頻差，頻差最大值為0;022Hz。8時(shí)以前未作測(cè)試。
3)同步臺(tái)間多譜勒頻差
一路同步激勵(lì)器接受本臺(tái)衛(wèi)星站收到的中央電視信號(hào)的同步。距本臺(tái)300km的另一個(gè)臺(tái)將衛(wèi)星站接收的中央電視信號(hào)通過(guò)微波送到本臺(tái)，另一路同步激勵(lì)器與其同步，將兩臺(tái)同步激勵(lì)器的標(biāo)頻信號(hào)送到的頻差信號(hào)送到示波器看李沙育圖形。多次測(cè)試的結(jié)果表明，兩個(gè)標(biāo)頻的頻差很小，其最大值僅為0.003Hz。可見(jiàn)，相距300km的兩個(gè)轉(zhuǎn)播臺(tái)，所接收的標(biāo)頻的多譜勒頻差很小。
4結(jié)論
由上述理論分析和測(cè)試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：
1)由于衛(wèi)星攝動(dòng)產(chǎn)生多譜勒頻差，微波和衛(wèi)星傳送的標(biāo)頻頻差已超出同步廣播的容限。因此，同步臺(tái)間不能有的用微波接收標(biāo)頻，有的用衛(wèi)星接收標(biāo)頻。
2)各臺(tái)同時(shí)采用微波或光纖網(wǎng)信號(hào)接收標(biāo)頻是一種可行方案。
3)各同步臺(tái)都采用衛(wèi)星作標(biāo)頻源，如果采用校頻制而校頻時(shí)間不同，也不能實(shí)現(xiàn)真正的同步，但用GPS作標(biāo)頻源實(shí)時(shí)鎖相、無(wú)須校頻，卻也是一種可行方案，而且是一種比較理想的方案。
參考文獻(xiàn)
[1]徐家斌.衛(wèi)星攝動(dòng)對(duì)地面站天線指向精度的影響
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