衛(wèi)星傳送標頻的多譜勒效應(yīng)論文
[摘要]本文分析了衛(wèi)是攝動和多譜勒頻差的規(guī)律，提出多譜勒頻差的測試方法和用衛(wèi)星標頻實現(xiàn)同步廣播的具體做法。
[關(guān)鍵詞]衛(wèi)星;攝動;標頻;多譜勒效應(yīng);同步廣播
0引言
中波同步廣播臺為了保證同步效果，要求進入同步網(wǎng)的中波發(fā)射機的頻差小于0.015Hz，各臺通常接收各地電視發(fā)射臺轉(zhuǎn)播的中央臺電視信號，根據(jù)激勵器的類型，選用電視信號中的行同步、色副載波、插入行1MHz信號作標頻。各地中央電視臺信號的來源，一是通過微波網(wǎng)傳送，二是通過全國聯(lián)網(wǎng)的光纖網(wǎng)傳送，三是通過同步衛(wèi)星傳送。由于衛(wèi)星攝動的多譜勒效應(yīng)，同步衛(wèi)星傳送的標頻和微波或光纖網(wǎng)傳送的標頻相比，存在0.05Hz左右的誤差。如果各同步臺分別采用微波(光纖)和衛(wèi)星傳送的電視信號校頻。各臺維護人員都以為進入同步狀態(tài)，實際上頻差已超過同步廣播的要求，同步狀態(tài)名存實亡。同步狀態(tài)的消失，使離臺較遠的中間地帶的收聽效果明顯變壞。但離發(fā)射臺較近的地方，收聽效果卻沒有變化，因而衛(wèi)星攝動多譜勒效應(yīng)對同步廣播的影響，往往不容易引起各轉(zhuǎn)播臺和管理部門的注意。本文分析了衛(wèi)星攝動的規(guī)律及多譜勒效應(yīng)所引起的頻差，給出測量該頻差的辦法和實驗數(shù)據(jù)，提出衛(wèi)星作標頻源實現(xiàn)同步廣播的具體做法。
1同步衛(wèi)墨的攝動
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)星稱為靜止衛(wèi)星。然而，由于地球并非是理想球體，實際形狀近似一個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常數(shù)。此外存在著太陽引力、月球引力、太陽輻射壓力和地球引力梯度的影響，其結(jié)果是衛(wèi)星的定點位置發(fā)生漂移，這種漂移稱之為攝動。
在同步軌道上運行的衛(wèi)星，太陽對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，另外還有太陽輻射壓力的影響等。這些因素衛(wèi)星運行的軌道平面產(chǎn)生偏離赤道平面的傾斜，對應(yīng)星下點投影發(fā)生南北方向的周期性漂移。如果站在星下點望去，可以“看到”衛(wèi)星以24小時為周期，在天空中描繪出一個8字形的軌道(稱為副軌)。它的中心恰好位于正確軌道平面上，每天星下點太陽時的午夜零點和12點，通過這個中心，其他時間半天在北半球，半天在南半球，并且分別在上午6點和下午18點處于南北漂移的兩個頂點。
由于地球自身不是理想球體，在圓形同步軌道中會存在一定的引力梯度。此外，太陽的輻射力也會使軌道圓弧產(chǎn)生一定的偏心率。這兩種外力使衛(wèi)星的運行速度發(fā)生變化，對應(yīng)的星下點投影發(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。為了校正攝動行起的位置偏差，衛(wèi)星上設(shè)有軌道校正系統(tǒng)。通常每隔幾十天就要開動星上離子小火箭，用反沖力進行一次經(jīng)度方向的校正。直到今天，人們還沒有辦法完全消除同步衛(wèi)星的攝動，通常根據(jù)實際需要和技術(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)，目前國內(nèi)外已投入實際運行的C波段衛(wèi)星，在東西、南北方向上，其位置容限都已達正負0.10—0.5。以內(nèi)，而K波段衛(wèi)星控制在0.1。以內(nèi)。
由于同步衛(wèi)星距地面35 786km，因而僅僅±0.1。的偏差，就會使衛(wèi)星產(chǎn)生相對正確位置士74km的位移。這種運動是每天一個周期的南北8字形攝動和幾十天一個周期的東西漂移的疊加，南北方向的攝動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，它的攝動產(chǎn)生了多譜勒效應(yīng)，它所傳輸?shù)耐綇V播標頻的頻率也隨之產(chǎn)生偏差。這個頻差稱多譜勒頻差。
2衛(wèi)星攝動多譜勒頻差的理論分析
無線電波的多譜勒效應(yīng)表達式為：
f。=工√(c+y)/(c-礦i (1)
多譜勒效應(yīng)相對頻偏的表達式可由上式導(dǎo)出：
(fo- fS)lZ=√疆i了了可可=而一1 (2)
fo：觀測頻率(Hz);
上：信號源頻率(Hz);
v：信號源相對于觀測者的速度( m/s);
C:光速3x10'm，J。
衛(wèi)星攝動的速度：我們國家發(fā)射的衛(wèi)星一晝夜里的漂移基本上是±0.10，對應(yīng)于±0.1。衛(wèi)是偏離正確位置的距離為±74km，如果以勻速直線運動計真，則其速度為3.4m/s，代入式(2)，多譜勒相對頻偏為1.1×10-8，已超過同步廣播的容限，況且標頻由上行站傳給星體，再由星體傳給地球站，星體的攝動使上行和下行過程都存在多譜勒頻差，這兩個頻差疊加在一走，表現(xiàn)為下行地球站接收的標頻和上行站所傳標頻的頻差。實際上，衛(wèi)星攝動時的軌道不是直線，速度也不是均勻的，因而攝動時的最大速度會比3.4m/s高一些，而且不同時間攝動速度不一樣，方向也不一樣。
因而，多譜勒頻差是時間的函數(shù)。攝動時的`瞬時速度決定了頻率偏移值，不同時間的速度差決定了頻率的穩(wěn)定度。對于兩個衛(wèi)是地球站來說，由于地理位置不同，相對速度也不一樣，因而多譜勒頻差是地點的函數(shù)。也就是說，多譜勒頻差是時間和地點的多元函數(shù)，但是同步衛(wèi)星離地面的高度為35 786km，而實行同步廣播且因場強相近，存在干擾失真區(qū)的兩個發(fā)射臺之間的距離通常不會大于1 000km.即兩個地球站和衛(wèi)星之間的夾角小于1.6。，他們觀察到的衛(wèi)星攝動的速度應(yīng)該是很小的，其多譜勒頻差應(yīng)當很接近。
3衛(wèi)是攝動多譜勒效應(yīng)的測試
上文對多譜勒頻差進行了理論分析，現(xiàn)給出多譜勒頻差的實測方法測試時考慮的主要問題如下：
1)微波和衛(wèi)星傳送的標頻頻差究竟有多大?
2)衛(wèi)星攝動是24小時為周期的8字形運動和東西經(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小時為周期的變化規(guī)律?
3)兩個相距數(shù)百公里的同步臺，同時接收衛(wèi)星傳送的標頻，其頻差是否很接近?
從這幾個問題人手進行測試，下面是測試方法和測試結(jié)果：
1)微波和衛(wèi)星標頻的頻差
用兩路同步激勵器分別同時接收微波和衛(wèi)星傳送的標頻，然后將輸出的標頻加到示波器的X、Y軸，觀察李沙育圖形翻轉(zhuǎn)一周的秒數(shù)，然后換算出兩機的頻差。
按照上述方法進行5次測量，其頻差分別為0.061、0.055、0.050、0.056、0.047Hz。從測試結(jié)果可以看出，通過微波傳送的標頻和通過衛(wèi)星傳送的標頻的頻差約為0.05Hz，已超出同步廣播的容限。
2)多譜勒頻差的時間特性
同步激勵器用衛(wèi)星傳送的標頻進行校頻，每隔2個小時校頻1次并記錄壓控電壓值，15—19日連續(xù)五天進行測試，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)
上述測試結(jié)果表明，多譜勒頻差呈現(xiàn)24小時為周期的規(guī)律，且最大值約在19點左右出現(xiàn)。壓控電壓的變化幅度為lOOmV，該同步激勵器的壓控特性為0.00022Hz/mV，換算成頻差，頻差最大值為0;022Hz。8時以前未作測試。
3)同步臺間多譜勒頻差
一路同步激勵器接受本臺衛(wèi)星站收到的中央電視信號的同步。距本臺300km的另一個臺將衛(wèi)星站接收的中央電視信號通過微波送到本臺，另一路同步激勵器與其同步，將兩臺同步激勵器的標頻信號送到的頻差信號送到示波器看李沙育圖形。多次測試的結(jié)果表明，兩個標頻的頻差很小，其最大值僅為0.003Hz。可見，相距300km的兩個轉(zhuǎn)播臺，所接收的標頻的多譜勒頻差很小。
4結(jié)論
由上述理論分析和測試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：
1)由于衛(wèi)星攝動產(chǎn)生多譜勒頻差，微波和衛(wèi)星傳送的標頻頻差已超出同步廣播的容限。因此，同步臺間不能有的用微波接收標頻，有的用衛(wèi)星接收標頻。
2)各臺同時采用微波或光纖網(wǎng)信號接收標頻是一種可行方案。
3)各同步臺都采用衛(wèi)星作標頻源，如果采用校頻制而校頻時間不同，也不能實現(xiàn)真正的同步，但用GPS作標頻源實時鎖相、無須校頻，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
[1]徐家斌.衛(wèi)星攝動對地面站天線指向精度的影響
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