卫星传送标频的多谱勒效应论文

　　〔摘要〕本文分析了卫是摄动和多谱勒频差的规律，提出多谱勒频差的测试方法和用卫星标频实现同步广播的具体做法。
　　〔关键词〕卫星；摄动；标频；多谱勒效应；同步广播
　　0引言
　　中波同步广播台为了保证同步效果，要求进入同步网的中波发射机的频差小于0。015Hz，各台通常接收各地电视发射台转播的中央台电视信号，根据激励器的类型，选用电视信号中的行同步、色副载波、插入行1MHz信号作标频。各地中央电视台信号的来源，一是通过微波网传送，二是通过全国联网的光纤网传送，三是通过同步卫星传送。由于卫星摄动的多谱勒效应，同步卫星传送的标频和微波或光纤网传送的标频相比，存在0。05Hz左右的误差。如果各同步台分别采用微波（光纤）和卫星传送的电视信号校频。各台维护人员都以为进入同步状态，实际上频差已超过同步广播的要求，同步状态名存实亡。同步状态的消失，使离台较远的中间地带的收听效果明显变坏。但离发射台较近的地方，收听效果却没有变化，因而卫星摄动多谱勒效应对同步广播的影响，往往不容易引起各转播台和管理部门的注意。本文分析了卫星摄动的规律及多谱勒效应所引起的频差，给出测量该频差的办法和实验数据，提出卫星作标频源实现同步广播的具体做法。
　　1同步卫墨的摄动
　　从地球上观察同步轨道卫星，其位置似乎是固定不变的。所以，习惯上把同步卫星称为静止卫星。然而，由于地球并非是理想球体，实际形状近似一个在赤道部分有些鼓胀的扁平旋转椭圆体，粗看上去像一只梨，而且地球表面的山峦起伏不平，因此地球四周等高度外的引力不是一个常数。此外存在着太阳引力、月球引力、太阳辐射压力和地球引力梯度的影响，其结果是卫星的定点位置发生漂移，这种漂移称之为摄动。
　　在同步轨道上运行的卫星，太阳对它的引力是地球引力的137，月球对它的引力是地球引力的16800。这些引力作用的结果，使卫星轨道位置矢径发生微小摆动，另外还有太阳辐射压力的影响等。这些因素卫星运行的轨道平面产生偏离赤道平面的倾斜，对应星下点投影发生南北方向的周期性漂移。如果站在星下点望去，可以看到卫星以24小时为周期，在天空中描绘出一个8字形的轨道（称为副轨）。它的中心恰好位于正确轨道平面上，每天星下点太阳时的午夜零点和12点，通过这个中心，其他时间半天在北半球，半天在南半球，并且分别在上午6点和下午18点处于南北漂移的两个顶点。
　　由于地球自身不是理想球体，在圆形同步轨道中会存在一定的引力梯度。此外，太阳的辐射力也会使轨道圆弧产生一定的偏心率。这两种外力使卫星的运行速度发生变化，对应的星下点投影发生东西方向的漂移，东西经度方向上的漂移虽然缓慢，平均速度大约为0。8。年，但却不断积累，越漂越远。为了校正摄动行起的位置偏差，卫星上设有轨道校正系统。通常每隔几十天就要开动星上离子小火箭，用反冲力进行一次经度方向的校正。直到今天，人们还没有办法完全消除同步卫星的摄动，通常根据实际需要和技术上的可能，确定相应的位置，并保持在容限允许范围内，目前国内外已投入实际运行的C波段卫星，在东西、南北方向上，其位置容限都已达正负0。100。5。以内，而K波段卫星控制在0。1。以内。
　　由于同步卫星距地面35786km，因而仅仅0。1。的偏差，就会使卫星产生相对正确位置士74km的位移。这种运动是每天一个周期的南北8字形摄动和几十天一个周期的东西漂移的叠加，南北方向的摄动速度比东西方向上的漂移速度快得多。
　　由于静止卫星并非静止，它的摄动产生了多谱勒效应，它所传输的同步广播标频的频率也随之产生偏差。这个频差称多谱勒频差。
　　2卫星摄动多谱勒频差的理论分析
　　无线电波的多谱勒效应表达式为：
　　f。工（cy）（c矿i（1）
　　多谱勒效应相对频偏的表达式可由上式导出：
　　（fofS）lZ疆i了了可可而一1（2）
　　fo：观测频率（Hz）；
　　上：信号源频率（Hz）；
　　v：信号源相对于观测者的速度（ms）；
　　C：光速3x1039；m，J。
　　卫星摄动的速度：我们国家发射的卫星一昼夜里的漂移基本上是0。10，对应于0。1。卫是偏离正确位置的距离为74km，如果以匀速直线运动计真，则其速度为3。4ms，代入式（2），多谱勒相对频偏为1。1108，已超过同步广播的容限，况且标频由上行站传给星体，再由星体传给地球站，星体的摄动使上行和下行过程都存在多谱勒频差，这两个频差叠加在一走，表现为下行地球站接收的标频和上行站所传标频的频差。实际上，卫星摄动时的轨道不是直线，速度也不是均匀的，因而摄动时的最大速度会比3。4ms高一些，而且不同时间摄动速度不一样，方向也不一样。
　　因而，多谱勒频差是时间的函数。摄动时的瞬时速度决定了频率偏移值，不同时间的速度差决定了频率的稳定度。对于两个卫是地球站来说，由于地理位置不同，相对速度也不一样，因而多谱勒频差是地点的函数。也就是说，多谱勒频差是时间和地点的多元函数，但是同步卫星离地面的高度为35786km，而实行同步广播且因场强相近，存在干扰失真区的两个发射台之间的距离通常不会大于1000km。即两个地球站和卫星之间的夹角小于1。6。，他们观察到的卫星摄动的速度应该是很小的，其多谱勒频差应当很接近。
　　3卫是摄动多谱勒效应的测试
　　上文对多谱勒频差进行了理论分析，现给出多谱勒频差的实测方法测试时考虑的主要问题如下：
　　1）微波和卫星传送的标频频差究竟有多大？
　　2）卫星摄动是24小时为周期的8字形运动和东西经上漂移的叠加，前者速度快，后者速度较，多谱勒频差是否呈现以24小时为周期的变化规律？
　　3）两个相距数百公里的同步台，同时接收卫星传送的标频，其频差是否很接近？
　　从这几个问题人手进行测试，下面是测试方法和测试结果：
　　1）微波和卫星标频的频差
　　用两路同步激励器分别同时接收微波和卫星传送的标频，然后将输出的标频加到示波器的X、Y轴，观察李沙育图形翻转一周的秒数，然后换算出两机的频差。
　　按照上述方法进行5次测量，其频差分别为0。061、0。055、0。050、0。056、0。047Hz。从测试结果可以看出，通过微波传送的标频和通过卫星传送的标频的频差约为0。05Hz，已超出同步广播的容限。
　　2）多谱勒频差的时间特性
　　同步激励器用卫星传送的标频进行校频，每隔2个小时校频1次并记录压控电压值，1519日连续五天进行测试，结果如表1。
　　日期9：0011：0013：015：0016：0019：0021：0023：001：0015日23052346235723712。3922。4052。3822。3632。34016日2。3222。365237323952。4032。4282。40323722。36117日2。3192。36223702396240124242A052。369235918日2。3012。3252。35123692。39524012。3792。359233819日2，2982。3242。34723612。3892。4022。3752。3512。335
　　表1校频压控电压值（V）
　　上述测试结果表明，多谱勒频差呈现24小时为周期的规律，且最大值约在19点左右出现。压控电压的变化幅度为lOOmV，该同步激励器的压控特性为0。00022HzmV，换算成频差，频差最大值为0；022Hz。8时以前未作测试。
　　3）同步台间多谱勒频差
　　一路同步激励器接受本台卫星站收到的中央电视信号的同步。距本台300km的另一个台将卫星站接收的中央电视信号通过微波送到本台，另一路同步激励器与其同步，将两台同步激励器的标频信号送到的频差信号送到示波器看李沙育图形。多次测试的结果表明，两个标频的频差很小，其最大值仅为0。003Hz。可见，相距300km的两个转播台，所接收的标频的多谱勒频差很小。
　　4结论
　　由上述理论分析和测试结果可以得出如下结论：
　　1）由于卫星摄动产生多谱勒频差，微波和卫星传送的标频频差已超出同步广播的容限。因此，同步台间不能有的用微波接收标频，有的用卫星接收标频。
　　2）各台同时采用微波或光纤网信号接收标频是一种可行方案。
　　3）各同步台都采用卫星作标频源，如果采用校频制而校频时间不同，也不能实现真正的同步，但用GPS作标频源实时锁相、无须校频，却也是一种可行方案，而且是一种比较理想的方案。
　　参考文献
　　〔1〕徐家斌。卫星摄动对地面站天线指向精度的影响