Автореферат (Антенны и экраны для высокоточного спутникового позиционирования)

На правах рукописиЧернецкий Иван МирославовичАНТЕННЫ И ЭКРАНЫ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНОГОСПУТНИКОВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯСпециальность 05.12.07 –«Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква –2015Работа выполнена на кафедре радиофизики, антенн и микроволновой техникиМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета)Научный руководитель- доктор технических наук, доцентТатарников Дмитрий ВитальевичОфициальные оппонентыдоктор-техническихнаукКурочкин Александр Петрович-кандидаттехническихнаукИнденбом Михаил ВульфовичВедущая организацияОАО«РадиотехническийимениакадемикаА.Л.институтМинца»г.МоскваЗащита состоится «01» декабря 2015 г.

в 15:30 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационном институтепо адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМосковского авиационного института (125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.

4) и на сайте http://www.mai.ru.Автореферат разослан «»_________2015г.Ученый секретарьдиссертационного советаД. 212.125.03, д.т.н.Сычёв М. И.2I. Общая характеристика работыАктуальность темы диссертацииВ настоящее время позиционирование по сигналам глобальныхнавигационных спутниковых систем (ГНСС) относится к числу важныхобластей практики и прикладных исследований.

К области высокоточногопозиционирования относят устройства, обеспечивающие ошибку порядка1…2см в режиме реального времени. В отличие от устройств бытовогоназначения, высокоточные системы работают в дифференциальном режиме.Здесь измерения фазы несущей передаются с базовой станции на подвижныйобъект (ровер) по радиоканалу. Путем соответствующей обработки, аппаратурапозиционированияпозволяетопределитьвекторсмещенияровераотносительно базы.

Антенны позиционирования обладают гладкой ДН вверхней (рабочей) полусфере для приема сигналов спутников, находящихсявыше местного горизонта. Антенны предназначены для приема сигналовкруговой поляризации правого вращения.Основной неcкомпенсированной ошибкой дифференциального методаявляется ошибка многолучевости, когда антенна позиционирования принимаетне только прямой сигнал со спутников, но также и сигналы, отраженные отместных предметов. В наилучших условиях открытой местности единственнымисточником отражений является подстилающая поверхность земли. Условияпозиционированиянаоткрытойместностиявляютсятипичнымидляприменений в целях геодезии, для мониторинга сложных инженерныхсооружений, для управления машинами сельскохозяйственного назначения, атакже для ряда исследовательских направлений. Для всех этих примененийостро стоит вопрос повышения точности позиционирования в реальномвремени. Способ повышения точности состоит в уменьшении ошибкимноголучевости.

Для подавления отражений от подстилающего рельефа3антенна позиционирования должна иметь резкое падение (отсечку) КУ припересечении местного горизонта.Антенна с равномерной ДН в верхней (рабочей) полусфере с отсечкойКУ при пересечении местного горизонта представлена в работе Lopez. Этаантенна представляет собой вертикальную антенную решетку длиной (высотой)более 10 длин волн. Возможности применения этой антенны для практикисистемпозиционированиянепубликовались.ТатарниковиАстаховрассмотрели антенну с импедансным экраном диаметром порядка 15 длин волн(3 метра). В их работах показано, что такая антенна обеспечивает ошибкумноголучевости ниже фазового шума системы. При этом экспериментальнодостигнута среднеквадратичная ошибка позиционирования в 0.7мм приусловии сглаживания фазовых шумов за время порядка 1 минуты.

Однако,указанные антенны обладают весьма существенным габаритом. Возможностипримененияэтихантенндляцелейпрактическогопозиционированияограничены.Таким образом, актуальным направлением является исследованиевозможностейпостроенияантенн,пригодныхдляпрактическогопозиционирования, и имеющих равномерную ДН в верхней (рабочей)полусфере с резким уменьшением (отсечкой) при пересечении местногогоризонта.С другой стороны, в связи с продвижением методов и устройстввысокоточного позиционирования в практику, нарастает число применений,когда, напротив, позиционируемый объект работает в сложных условияхбыстропеременных затенений прямого сигнала спутника. К таковым, например,относится работа автоматической сельскохозяйственной машины (трактора) награницах рабочего хода (поля), когда машина оказывается под кронами зеленыхнасаждений.

В этих условиях непосредственное позиционирование по сигналамспутников с указанной точностью оказывается невозможным. Для поддержания4работоспособности систем позиционирования применяются специальныеметоды и алгоритмы комплексирования позиционирования по спутникам сдругими системами.

Однако разработка таких устройств и алгоритмовкомплексирования сопряжена со значительными трудностями, связанными сневозможностью обеспечения повторяемости эксперимента. В связи с этим, дляпрактики разработки и испытаний систем спутникового позиционированияактуальной является задача разработки искусственных препятствий дляспутниковых сигналов, по своим свойствам приближенным к натуральным – тоесть обеспечивающих резкие и хаотические по характеру возмущенияспутниковых сигналов, однако, не подверженных нестабильностям природногохарактера. Сказанное определяет две основныеЦели работы1.

Поиск путей построения антенн, пригодных для практики спутниковогопозиционирования на открытых пространствах с суб-сантиметровойточностью в режиме реального времени.2. Поискпутейпостроенияискусственныхпрепятствий,посвоимпроявлениям приближенным к естественным зеленым насаждениям, аименно, обеспечивающих резкие хаотичные возмущения спутниковыхсигналов по амплитуде и фазе.Однимизперспективныхнаправленийдлядостижениясуб-сантиметровой точности позиционирования в практических условиях являетсяисследование возможностей применения антенн бегущей волны. Антенныбегущей волны известны значительное время и рассматривались в рядеклассических работ отечественных и зарубежных авторов.

Эти антеннывыгодно отличаются простотой системы возбуждения и общей относительнойпростотой конструкции. Однако, антенн бегущей волны, удовлетворяющихперечисленным выше требованиям к ДН, в настоящее время не опубликовано.5Для гибкого управления амплитудно-фазовым распределением в антеннебегущей волны перспективным является применение современных материаловспеременнойрассматривалисьпрозрачностью.вработахОсновныесвойстваКонторовича,такихматериаловКаценеленбаума,Третьякова,Пономарева, Trentini, Ziolkowski и других.Другим направлением, представляющим интерес, является исследованиевозможностиоснащениясуществующихпрактическихантеннпозиционирования дополнительными экранами в виде вертикальных ребер дляповышения крутизны отсечки КУ антенны при пересечении местногогоризонта.

Возможности уменьшения затекания поля за контур зеркальныхантенн путем дополнения контура зеркала полупрозрачными структурамирассматривались Боровиковым, Будагяном и другими. Представляет интересразвитиеэтихподходовдляобеспеченияотсечкиусиленияантеннпозиционирования в требуемой области углов.Полупрозрачные материалы, упомянутые выше, представляют собойудобные структуры для реализации искусственных укрытий для испытательныхполигонов. Известны применения полупрозрачных материалов для управлениядиаграммойнаправленностиZiolkowskiрассматривалиантенны.Ввозможностичастности,созданияКаценеленбаумиостронаправленногоизлучения с помощью слабонаправленных возбудителей. По аналогии соптикой, такие устройства получили наименование резонаторов Фабри-Перо.Для реализации целей данной диссертации по разработке искусственныхпрепятствий, рассматриваются резонаторы указанного типа с размерами,значительно превышающими длину волны.Таким образом, задачи, решаемые в диссертационной работе, состоят вследующем:1.

Оценка потенциальных возможностей реализации ДН с отсечкой припересечении местного горизонта с помощью антенны бегущей волны6путем рассмотрения математической модели в виде плоскопараллельноговолновода с полупрозрачными стенками.2. Разработка практического воплощения антенны бегущей волны в видечетырехзаходной спирали с включенными реактивными компонентами.3. Разработка численной математической модели возбуждения системывертикальных ребер с полупрозрачными окончаниями и модели экранаантенны позиционирования с такими ребрами.