Диссертация (Антенны и экраны для высокоточного спутникового позиционирования)

ОГЛАВЛЕНИЕВведение ................................................................................................................... 4ГЛАВА 1.формыАнтенны бегущей волны, формирующие ДН П-образной........................................................................................................ 191.1. Оценка потенциальных возможностей с помощью моделиплоскопараллельного волновода с полупрозрачным окончанием ............... 191.1.1.Математическая модель ................................................................. 191.1.2.Результаты расчетов .......................................................................

281.2. Четырехзаходная спиральная антенна с реактивными элементами ... 381.2.1.Структура антенны ......................................................................... 381.2.2.Результаты экспериментальных исследований ........................... 421.2.3. Результаты полевых испытаний в составе аппаратурыпозиционирования ......................................................................................... 481.3. Выводы ......................................................................................................

54ГЛАВА 2.Вертикальные экраны в виде ребер с полупрозрачнымиокончаниями для антенн позиционирования ..................................................... 562.1. Возбуждение полуплоскости с полупрозрачным окончаниемслабонаправленным источником......................................................................

562.2. Система полуплоскостей ......................................................................... 712.3. Оценка характеристик замкнутого экрана ............................................. 852.4. Результаты натурного эксперимента .................................................... 1002.1. Выводы ....................................................................................................

104ГЛАВА 3.Искусственные препятствия для испытательных полигоноваппаратуры спутникового позиционирования ................................................. 1053.1. Математическаямодельполусферическогополупрозрачногопрепятствия ....................................................................................................... 1053.2.

Синтез полупрозрачной структуры ...................................................... 11623.3. Результаты расчетов характеристик системы антенна-препятствие 1203.4. Результаты натурного эксперимента .................................................... 1253.5. Выводы .................................................................................................... 129ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 130Список литературы ............................................................................................. 132Акт о внедрении в разработки ООО “Топкон Позишионинг Системс” ........

138Акт о внедрении в учебный процесс “МАИ (НИУ)”....................................... 140ПРИЛОЖЕНИЕ 1. К модели дифракции поля Н-поляризации наполуплоскости с полупрозрачным окончанием ............................................... 141ПРИЛОЖЕНИЕ 2. К модели дифракции поля Н-поляризации на замкнутомэкране....................................................................................................................

144ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Математическая модель дифракции поля Е-поляризациина полуплоскости с полупрозрачным окончанием .......................................... 164ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Математическая модель дифракции поля Е-поляризациина системе полуплоскостей с полупрозрачными окончаниями ..................... 169ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Математическая модель дифракции поля Е-поляризациина замкнутом экране ........................................................................................... 171ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Модель щелевой полупрозрачной структуры надиэлектрической подложке ................................................................................ 184ПРИЛОЖЕНИЕ 7.Кмоделиполупрозрачногополусферическогопрепятствия ..........................................................................................................

1963ВведениеАктуальность темы диссертацииВ настоящее время позиционирование по сигналам глобальныхнавигационных спутниковых систем (ГНСС) относится к числу важныхобластей практики и прикладных исследований. К области высокоточногопозиционирования относят устройства, которые в настоящий моментобеспечивают ошибку позиционирования порядка 1…2см в режимереальноговремениипорядка1…2мм принакопленииданныхспоследующей обработкой. Такие точности обусловили широкое применениеданной аппаратуры для целей геодезии, землеустройства, а также дляпозиционированияавтоматическойиполуавтоматическойтехникивстроительстве, сельском хозяйстве и на транспорте.В отличие от устройств бытового назначения, высокоточные системыотносятся к фазовым дальномерам и работают в дифференциальном режиме[1,2].

Здесь измерения фазы несущей передаются с базовой станции наподвижный объект - так называемый ровер - по радиоканалу. Путемсоответствующейобработки,аппаратурапозиционированияпозволяетопределить базовую линию – то есть вектор, компоненты которогопредставляют собой разность координат базы и ровера.Перечислимосновныетребованиякантеннамвысокоточногопозиционирования. В настоящее время к числу действующих относятсяспутниковые системы GPS (США), ГЛОНАСС (Россия) и Beidou (Китай).Вводятся в эксплуатацию системы Galileo (Европейский союз), система слокальным покрытием QZSS (Япония) и IRNSS (Индия). С антенной точкизрения сигналы этих систем удобно объединить в два частотныхподдиапазона–низкочастотныйвысокочастотныйподдиапазонподдиапазон(1164МГц-1300МГц)(1535МГц-1614МГц).иАнтенны4позиционирования предназначены для приема сигналов правой круговойполяризации.Антенны позиционирования обладают гладкой ДН в верхней(рабочей) полусфере для приема сигналов спутников, находящихся вышеместного горизонта.

В практике позиционирования сигналы спутников,находящихся ниже 10…12 градусов от местного горизонта, исключают изобработки, так как эти сигналы, как правило, подвержены значительнымвозмущениям из-за влияния различных затеняющих объектов и препятствий.Однако, сигналы так называемых низких спутников, находящихся вдиапазоне углов 10…20 градусов над горизонтом, являются принципиальноважными. При исключении этих спутников растет так называемыйгеометрическийDOPфактор[2],чтопрепятствуетнормальномуфункционированию системы.

Для успешного слежения за сигналами низкихспутников, допустимым является снижение КУ антенны в направлении10…15 градусов к горизонту на величину порядка 12…15дБ к зениту [2…4].При дифференциальном методе позиционирования, основные ошибкидля аппаратуры базовой станции и подвижного объекта оказываютсяодинаковыми. К числу этих ошибок относятся [1,2] дополнительныезадержки на распространение в ионосфере и тропосфере, неточности знанияорбит спутников и отклонения часов на спутниках и в приемнике. Этиошибки исключаются при обработке.

Основной нескомпенсированнойошибкой является ошибка многолучевости, когда антенна позиционированияпринимает не только прямой сигнал со спутников, но также и сигналы,отраженные от местных предметов. Влиянию многолучевых отраженийподвержены обе антенны, и базы, и ровера.Внаилучшихисточникомотраженийусловияхявляетсяоткрытойместностиподстилающаяединственнымповерхностьземли.5Необходимо отметить, что условия позиционирования на открытойместности являются типичными для применений в целях геодезии, длямониторинга сложных инженерных сооружений типа дамб, для управлениямашинамисельскохозяйственногоназначения,атакжедлярядаисследовательских направлений. К последним относятся оценки в реальномвременималыхсмещенийземнойкорывцеляхпрогнозированияземлетрясений, работы системы оповещения и повышения безопасноститранспортных магистралей в горных условиях.

Для всех этих примененийостро стоит вопрос повышения точности позиционирования в реальномвремени. Способ повышения точности состоит в уменьшении ошибкимноголучевости путем придания специальной формы ДН приемной антенны.прямойсигнал отраженныйсигналРис. В1. Многолучевое распространение сигналаКакизвестно[2…5],фазоваяошибкамноголучевостипропорциональна суммарной амплитуде интерферирующих отраженныхсигналов, отнесенной к амплитуде прямого сигнала. В условиях открытойместности,когдаединственнымисточникомотраженийявляетсяповерхность местного рельефа (рис.

В1), эта ошибка определяетсяотношением низ-верх амплитудной ДН антенны.Отношение низ-верх, как функция угла возвышения, общепринятогонаименования не имеет. В дальнейшем это отношение обозначается D U иопределяется формулой6D U ( e )  F (  e ) F ( e )Здесь F   e (В1)- значения ДН антенны под углом  e выше (ниже)местного горизонта. При работе системы позиционирования по всемспутникам в верхней полусфере необходимо снижение отношения D U ,начиная от низких углов к горизонту.В настоящее время, основной антенной базовых станций являетсяантенна с дроссельным кольцевым экраном (в англоязычной литературе –choke ring) [6]. Применяются различные модификации этого экрана [7,8].Обзорантенндляподвижныхобъектов(роверов)идостигнутыххарактеристик приведен в [2…4,9]. В этих работах указывается, что дляантенн базовых станций типичными являются значения D U порядка -7дБдля низких углов с последующим уменьшением до -25…-30дБ для зенитныхнаправлений.

Для антенн подвижных объектов соответствующие цифрысоставляют -5дБ для низких углов с уменьшением до -15…-20дБ для зенита.Однако, как обсуждается в работах [2…4,10], для снижения ошибкипозиционирования в реальном времени до величин порядка 1мм в условияхоткрытой местности, характеристика D U антенны позиционирования недолжна превышать величин порядка -20дБ для всех спутников, начиная отнизких углов к горизонту. Иначе говоря, ДН антенны позиционированиядолжна иметь неравномерность КУ в верхней (рабочей) полусфере, не болееуказанной, и затем резкий спад усиления (отсечку) при пересечении местногогоризонта.Антенны с отсечкой поля при пересечении горизонта приводятся вработах [11…16].