Исследование точностных характеристик ГНСС-приемника с антенной решеткой

В настоящее время активно развивается беспилотный транспорт, в том числе и беспилотные летательные аппараты. Для их эксплуатации требуется высокая точность навигационного обеспечения [1]. Одновременно имеются ограничения по массе и энергопотреблению бортовой навигационной системы. Это не позволяет широко использовать инерциальные, лидарные и другие навигационные системы. Наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям по массе и энергопотреблению приемники сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. Однако стандартные ГНСС-приемники не обеспечивают требуемой точности измерения координат. Одним из путей повышения точности ГНСС-приемников может быть применение в них антенных решеток [2].

Цель работы – показать возможность улучшения точностных характеристик ГНСС-приемников при использовании кольцевых малоэлементных антенных решеток.

При конструировании антенной решетки должны быть учтены следующие требования для ГНСС-приемников:

– высокая точность измерения радионавигационных параметров;

– минимальная вероятность ошибок при приеме цифровой информации;

– одновременный прием сигналов всех видимых навигационных космических аппаратов (минимум с четырех направлений).

Для обеспечения данных требований приемная антенна должна обладать противоречивыми характеристиками: широкой диаграммой направленности (ДН) и большим коэффициентом усиления. Указанные требования могут быть реализованы только при использовании антенной решетки (АР) [3]. Для обеспечения требуемого коэффици-

Том 7

ента усиления в направлении прихода полезных сигналов она позволяет сформировать максимум диаграммы направленности.

Цифровые методы формирования диаграммы направленности позволяют реализовать многоканальную систему, способную создавать одновременно несколько лучей диаграммы направленности. Их количество может быть равным количеству принимаемых полезных сигналов. Размерность антенной решетки определяется требованиями к ее коэффициенту усиления [4, 5].

Управление лучом диаграммы направленности ³¹⁶ антенны одновременно в двух плоскостях возможно только с применением двумерной решетки излучателей. Существенным недостатком двумерной (плоской) антенной решетки является расширение главного лепестка диаграммы направленности при его отклонении от нормали. Подобного недостатка лишены кольцевые антенные решетки [6, 7].

Излучатели кольцевой АР представляют собой связанную систему и расположены по окружности заданного радиуса. Такое расположение излучателей имеет круговую симметрию, поэтому при сканировании лучом ДН направленные характеристики АР слабо зависят от угла перемещения ДН в азимутальной плоскости. Из этого вытекает главное достоинство кольцевой АР – постоянная ширина и форма ДН при сканировании в азимутальной плоскости.

Кольцевые антенные решетки имеют некоторые недостатки. Применение в таких антенных решетках минимально необходимого количества излучателей для формирования луча заданной ширины приводит к одновременному возрастанию уровня боковых лепестков. В отличие от плоских антенных решеток, уровень боковых лепестков в кольцевых антенных решетках не убывает с ростом угловой координаты. Однако при использовании кольцевых антенных решеток в ГНСС-приемниках этим недостатком можно пренебречь, так как уровень боковых лепестков существенно влияет на качество приема навигационного сигнала только при мощных переотра-жениях сигнала. Это объясняется тем, что направление на навигационный космический аппарат известно и на него можно сформировать остронаправленный луч диаграммы направленности.

Кольцевые АР могут иметь значительный шаг между излучателями (2…3) λ при формировании однолучевого режима работы. Увеличение расстояния между излучателями в кольцевой антенной решетке устраняет эффект ослепления и облегчает согласование [8, 9].

В данной работе проведены исследования точности измерения навигационных параметров при использовании 8-элементной кольцевой цифровой антенной решетки.

1.    Описание программноаппаратного комплекса для проведения исследований

Для проведения исследований был разработан программно-аппаратный комплекс [6], состоящий из:

– 24-канального приемника с диаграммообразующей схемой;

– 8-элементной кольцевой антенной решетки;

– специального программного обеспечения;

– персонального компьютера.

Внешний вид 24-канального ГНСС-приемника представлен на рис. 1.

Кольцевая антенная решетка состоит из восьми антенных модулей АМ415. Антенные модули АМ415 расположены по кольцу на расстоянии 235 миллиметров от центра. Все антенные модули АМ415 ориентируются в одном направлении. На рис. 2 показан внешний вид антенной решетки.

Структурная схема 24-канального приемника представлена на рис. 3.

Аналоговая часть 24-канального навигационного приемника состоит из 8 стандартных радиотрактов с подключенными к каждому из них антенными элементами решетки. С выхода радиотракта аналоговые сигналы, преобразованные с помощью АЦП в цифровой код, поступают на диаграммообразующую схему (ДОС), а далее в каналы цифровой обработки. В общем навигационный приемник имеет 24 канала обработки: 12 – для сигналов ГЛОНАСС L1 и 12 – для каналов ГЛОНАСС L2

В ДОС осуществляется весовое суммирование цифровых сигналов, поступающих с АЦП.

Рис. 1. Внешний вид ПАК

Рис. 2. Фотография макета АР

Рис. 3. Структурная схема 24-канального ГНСС-приемника

В зависимости от направления на НКА вычислителем рассчитываются весовые коэффициенты К1…К8 для ДОС, которые и задают форму ДН решетки на прием, таким образом происходит фокусировка луча в направлении на НКА.

Амплитуда полезного сигнала в луче равна сумме амплитуд отдельных каналов, в то время как шумы при формировании луча складываются квадратично. В результате отношение сигнал/ шум в луче будет возрастать пропорционально квадратному корню из числа элементов антенной решетки.

Таким образом, фокусировка (управляемое когерентное суммирование сигналов, приходящих на разные АЭ) в 8-элементной ЦАР в направлении каждого видимого спутника обеспечивает значительное (до 10–12 дБ) увеличение сигнала и, соответственно, увеличивает как чувствительность приема, что ведет к улучшению точности, так и помехоустойчивость.

Также формирование относительно узкого луча для приема сигналов является эффективным методом подавления «сигнальной многолучевости» – сигналов, отраженных от местных предметов и, следовательно, приходящих с направлений, отличных от сигнального. Для современных ГНСС-приемников многолучевость становится основным фактором, ограничивающим точность навигационных измерений.

2.    Методика оценки случайной составляющей погрешности измерений

Диаграммообразующая схема позволяет реализовывать различные варианты конфигурации антенной решетки. Стандартным вариантом является вариант 8-элементной антенной решетки.

Однако ДОС совместно с цифровым каналом обработки можно сконфигурировать таким образом, чтобы в обработке использовалась только часть элементов антенной решетки. Это позволяет создать независимые конфигурации из двух или четырех элементов решетки. Чтобы исключить

I — ОСМИМЕ АППАРАТЫ VI ТЕХНОЛОГИЯМИ

Том 7

из обработки неиспользуемые каналы, необходимо для этих антенных элементов в ДОС установить нулевые весовые коэффициенты.

Для оценки среднеквадратичного отклонения (СКО) случайной составляющей погрешности измерений псевдодальности были вычислены разности одномоментных измерений между одиночным антенным элементом S ^ и исследуемым вариантом конфигурации антенной решетки S¹^ . Измерения проводились в частотном диапазоне L1 ГЛОНАСС на интервалах 30 минут [10, 11].

Тогда случайная составляющая погрешности измерений вычисляется согласно выражению:

- JN^.

где JS ¹ - среднее арифметическое параметра (1);

N - количество измерений в сеансе для j-ого НКА.

Случайная составляющая погрешности измерений по заданной конфигурации АР будет равна:

^JS l = ^Sh - ^SL i ,

где i – номер измерения; j – номер НКА; 1 – измерение по одному элементу АР; AA – измерение по заданной конфигурации АР; S – измеренный навигационный параметр:

– псевдодальность НКА, измеренная по коду

3.    Результаты измерений кодовой и фазовой псевдодальностей в диапазоне L1 ГЛОНАСС; На рис. 4–9 приведены разности измерений Рис. 4. Разность измерений кодовой псевдодальности между одиночной антенной и 2-элементной антенной решеткой в диапазоне L1 ГЛОНАСС Рис. 5. Разность измерений фазовой псевдодальности между одиночной антенной и 2-элементной антенной решеткой в диапазоне L1 ГЛОНАСС Рис. 6. Разность измерений кодовой псевдодальности между одиночной антенной и 4-элементной антенной решеткой в диапазоне L1 ГЛОНАСС Рис. 7. Разность измерений фазовой псевдодальности между одиночной антенной и 4-элементной антенной решеткой в диапазоне L1 ГЛОНАСС решеткой. В табл. 1 приведены результаты измерений, усредненных на 30-секундных интервалах.

Полученные данные СКО измерения кодовой и фазовой псевдальностей позволяют сделать вывод о точности их измерения при использовании 2-, 4- и 8-элементных АР.

Описанная методика измерений исключает погрешности, обусловленные распространением радиоволн (тропосферную и ионосферную), влияние релятивистских и гравитационных эффектов, аппаратурные погрешности навигационного приемника.

Таким образом, полученные в ходе экспериментов данные позволяют оценить шумовую составляющую погрешности измерения и погрешность из-за многолучевого распространения сигналов, так как первая зависит от отношения сигнал/шум, а вторая обусловлена конфигурацией АР [12].

По результатам исследований СКО измерения псевдодальности, полученные с использованием 8-элементной АР, в 2,3 раза меньше данного параметра, характеризующего приемник с одиночной антенной.

Полученные данные позволяют не только использовать ЦАР и алгоритмы цифрового формирования многолучевой ДН для уменьшения шумовой составляющей погрешности измерения, но и эффективно бороться с многолучевым распространением навигационных сигналов, а также использовать АР для увеличения помехозащищенности ГНСС-приемников.

Том 7

Рис. 8. Разность измерений кодовой псевдодальности между одиночной антенной и 8-элементной антенной решеткой в диапазоне L1 ГЛОНАСС

Рис. 9. Разность измерений фазовой псевдодальности между одиночной антенной и 8-элементной антенной решеткой в диапазоне L1 ГЛОНАСС

Результаты расчета СКО с 30-секундным усреднением

Таблица 1

Параметр	Значение
	1 эл.	2 эл. АР	4 эл. АР	8 эл. АР
СКО кодовой псевдодальности СТ L1	0.137	0.095	0.083	0.059286
СКО фазовой псевдодальности СТ L1	0.0021	0.0020	0.00094	0.000671