Точность угломерных измерений по сигналам GPS, ГЛОНАСС

УДК 621.396.6А. Л. АсеевИнститут физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН,г. Новосибирск, РоссияВ. М. ВладимировКрасноярский научный центр СО РАН, г. Красноярск, РоссияЮ. Л. ФатеевСибирский федеральный университет, г. Красноярск, РоссияА. И. ФилипповСибирский государственный аэрокосмический университетим. акад. М. Ф. Решетнева, г. Красноярск, РоссияВ. Ф. Шабанов, В. Н. ШеповКрасноярский научный центр СО РАН, г. Красноярск, РоссияТочность угломерных измеренийпо сигналам ГЛОНАСС/GPSРазработаны трехдиапазонные (L1/L2/L3) антенные модули АМ415, состоящие из щелевой полосковой антенны вытекающей волны с правойкруговой поляризацией и малошумящего усилителя. Исследованы ихточностные характеристики.

Показано, что при измерении в частотном диапазоне L1 по созвездию ГЛОНАСС/GPS среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки позиционирования второго и третьего модуляАМ415 относительно первого составляет в горизонтальной плоскостименее 2,2 мм, в вертикальной – менее 1,7 мм. СКО ошибки позиционирования по углам курса, крена и тангажа не хуже 9 угловых минут при расстоянии между центрами трех модулей 0,7 м и не хуже 4 угловых минутпри расстоянии 2 м. Антенные модули АМ415 предназначены для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС/GPS.Ключевые слова: щелевая полосковая антенна, антенна с круговой поляризацией, высокоточное позиционирование по сигналам ГНСС, измеренияпо сигналам ГЛОНАСС/GPS.A. L. AseevRzhanov Institute of Semiconductor Physics Siberian Branch of Russian Academyof Sciences, Novosibirsk, RussiaV. M. VladimirovKrasnoyarsk Scientific Center, Siberian Branch of the Russian Academyof Sciences, Krasnoyarsk, RussiaYu. L. FateevSiberian Federal University, Krasnoyarsk, RussiaA. I. FilippovSiberian State Aerospace University named after Academician M.

F. Reshetnev,Krasnoyarsk, Russia№ 3-4 (6) июль-декабрь 2013V. F. Shabanov, V. N. ShepovKrasnoyarsk Scientific Center, Siberian Branch of the Russian Academyof Sciences, Krasnoyarsk, RussiaAccuracy of goniometricmeasurements on signalsof GLONASS/GPSTri-band (L1/L2/L3) antenna modules АМ415 have been developed consistingof a patch slot leaky wave antenna with the right-hand circular polarizationand a low-noise amplifier.

Their accuracy characteristics have been studied. Ithas been shown that when taking measurements in the L1 frequency band usingGLONASS/GPS combined constellation the root-mean square deviation (RMSD)of the positioning accuracy of the second and third module АМ415 relative tothe first one is 2,2 mm in the horizontal plane and 1,7 mm in the vertical plane.RMSD of the positioning accuracy with yaw, roll and pitch angles does notexceed 9 angular minutes at a distance of 0,7 m between the centers of threeantenna modules and it is up to 4 angular minutes at a distance of 2 m. Theantenna modules АМ415 are designed for the high accuracy positioning usingGLONASS/GPS signals.Key words: patch slot antenna, circular polarization antenna, high accuracypositioning using GNSS signals, measurements using GLONASS/GPS signals.301 Переносныеприемные активные антенны высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) с успехом применяютсядля измерений углов курса, крена и тангажастационарных и движущихся объектов.

Однаиз таких антенн, применяемых для угломерных измерений, - щелевая полосковая антенна вытекающей волны [1; 2]. Несомненнымидостоинствами данной антенны являются низкопрофильность, широкополосность и единыйстабильный фазовый центр, совпадающийс геометрическим центром антенны.Излучатель щелевой полосковой антенны вытекающей волны выполняется издиэлектрической подложки с двустороннейметаллизацией. Для приема СВЧ-сигналас правой круговой поляризацией резонансныещели в металле верхней стороны подложкизакручиваются по спирали вокруг фазовогоцентра антенны. В металле нижней сторонывыполняется микрополосковая линия (МПЛ),индуктивно связанная со щелями и нагруженная на активное сопротивление, равное волновому, для установления в МПЛ режима бегущей волны.1В работе [3] предложен новый способулучшения технических характеристик щелевых полосковых антенн вытекающей волны,применяемых для высокоточного позиционирования по сигналам ГНСС.

Показано, чтоприменение дополнительных щелей с меньшей электрической длиной, чем электрическая длина основных щелей излучателя, и выполненных в виде концентрических дуг вокругфазового центра антенны, позволяет улучшитьчастотные, фазовые [3] и угловые [4] характеристики антенн. В частности, уменьшаетсякоэффициент эллиптичности, увеличиваетсяподавление кроссполяризации и повышается стабильность локальных фазовых центровантенны, что повышает стойкость данных антенн к многолучевой интерференции, являющейся одним из основных источников ошибоквысокоточного позиционирования.В настоящей работе исследуются точностные характеристики переносных антенных модулей АМ415, предназначенных длявысокоточного позиционирования по сигналам ГНСС ГЛОНАСС/GPS в трех частотныхдиапазонах: L1, L2 и L3.

Определяется точность позиционирования модулей АМ415© Асеев А.  Л., Владимиров В.  М., Фатеев Ю.  Л., в горизонтальной и вертикальной плоскоФилиппов А.  И., Шабанов В.  Ф., Шепов В.  Н., стях и при измерениях углов курса, крена итангажа.2013А. Л. Асеев, В. М. Владимиров, Ю. Л. Фатеев, А. И. Филиппов, В. Ф. Шабанов, В. Н. ШеповТочность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPSНа рис. 1, а показан внешний вид антенного модуля АМ415. В его состав входитразработанная щелевая полосковая антеннавытекающей волны с правой круговой поляризацией [3] и малошумящий усилитель(МШУ). Верхняя сторона излучателя щелевой полосковой антенны показана на рис.

1,б, нижняя – на рис. 1, в. Диаметр излучателяравен 145 мм, толщина – 1,5 мм, расстояние отизлучателя до экрана – 13 мм. Рассчитанный(1) и измеренный (2) коэффициент стоячейволны по напряжению (КСВН) пассивной антенны не превышает 1,5 в диапазоне частот1,15–1,65 ГГц (рис. 1, г).В антенном модуле АМ415 применен трехдиапазонный (L1/L2/L3) МШУ.Измеренные параметры МШУ во всех трехчастотных диапазонах составили: коэффициент усиления 30  ± 1  дБ, КСВН – менее 1,5,коэффициент шума – менее 2 дБ, ΔГВЗ – менее 4  нс. Ток потребления МШУ – не более50 мА. Габаритные размеры корпуса АМ415:диаметр – 175 мм, высота – 50 мм.

Масса модуля АМ415 составляет менее 1 кг.Для испытания антенных модулейАМ415 использовалась угломерная навигационная аппаратура МРК-32. Измеренияуглов курса, крена и тангажа проводилисьв  частотном диапазоне L1 в статическом режиме в нормальных климатических условияхна коротких (0,7 м), средних (1 м) и длинных(2 м) базах. В процессе испытаний записыва-ааббгвгвРис. 1. Внешний вид антенного модуля АМ415 (а), фотографии верхней (б) и нижней (в) сторонРис. 1. Внешнийвид антенногомодуляАМ415фотографииизлучателя щелевойполосковой антеннывытекающейволны (а),и КСВНпассивной антенны (г),где 1 – расчет; 2 – экспериментй (б) и нижней (в) сторон излучателя щелевой полосковой антенныающей волны и КСВН пассивной антенны (г), где (1) – расчет; (2) –31№ 3-4 (6) июль-декабрь 201332лись файлы измерительной информации, формируемой аппаратурой МРК-32, в том числеизмеренные значения курса, крена и тангажа,а также координаты второго и третьего антенных модулей АМ415 относительно первого.В качестве основного критерия при оценкекачества АМ415 использовалась погрешность относительных координат АМ415.

Этосвязано с тем, что погрешность измеренияуглов курса, крена и тангажа зависит как отфазовых характеристик АМ415, так и от длины базы интерферометра, а погрешность относительных координат АМ415 – только отхарактеристик антенн. Накопление данныхпроводилось на интервале ≈ 7 часов. Данныеизмерений обрабатывались в трех режимах:по ГЛОНАСС, по GPS и по совмещенному созвездию ГЛОНАСС/GPS.На рис. 2 приведены рассчитанные значения коэффициента усиления антенны в диапазоне азимутальных углов j от 0° до 360°на несущей частоте GPS 1575,4 МГц (а) иГЛОНАСС 1602 МГц (б) частотного диапазона L1, где 1 – правая, 2 – левая круговая поляризация. Видно, что антенна слабонаправленная. Коэффициент усиления антенны в зенитеравен 3 дБ. Падение коэффициента усиленияот зенита к горизонту составляет около 13 дБ.Подавление кроссполяризации в зените составляет свыше 30 дБ на частоте 1575,4 МГци свыше 25 дБ на частоте 1602 МГц.

Активнаяантенна осуществляет бесперебойный прием навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPSв частотных диапазонах L1 и L2 в диапазонерабочих углов антенны Q = ± 85°, где Q = 0 –зенит ДН антенны.На рис. 3, а, б приведено сравнение нормированных амплитудных ДН антенны в вертикальной плоскости в верхней полусфере начастотах 1575,4 МГц (а) и 1602 МГц (б), гдепустые кружки – расчет, заполненные – эксперимент. Видно неплохое совпадение рассчитанных и измеренных ДН в диапазоне рабочих углов возвышения.На рис.

4 приведены результаты измерений точности позиционирования одногоантенного модуля АМ415 относительно двухдругих в горизонтальной (а) и вертикальной(б) плоскостях, и соответствующие им распределения ошибки позиционирования (в)и (г). СКО ошибки позиционирования в горизонтальной плоскости составило менее2,2 мм, в вертикальной – менее 1,7 мм. Видно,что распределения ошибок позиционирования – нормальные.На рис.