Точность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPS
Автор: Асеев Александр Леонидович, Владимиров Валерий Михайлович, Фатеев Юрий Леонидович, Филиппов Александр Иванович, Шабанов Василий Филиппович, Шепов Владимир Николаевич
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Космонавтика
Статья в выпуске: 3-4 (5-6), 2013 года.
Бесплатный доступ
Разработаны трехдиапазонные (L1/L2/L3) антенные модули АМ415, состоящие из щелевой полосковой антенны вытекающей волны с правой круговой поляризацией и малошумящего усилителя. Исследованы их точностные характеристики. Показано, что при измерении в частотном диапазоне L1 по созвездию ГЛОНАСС/GPS среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки позиционирования второго и третьего модуля АМ415 относительно первого составляет в горизонтальной плоскости менее 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 минут при расстоянии 2 м. Антенные модули АМ415 предназначены для высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС/GPS.
Щелевая полосковая антенна, антенна с круговой поляризацией, высокоточное позиционирование по сигналам гнсс, измерения по сигналам глонасс/gps
Короткий адрес: https://sciup.org/14117304
IDR: 14117304 | УДК: 621.396.6
Текст научной статьи Точность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPS
A. L. Aseev
Rzhanov Institute of Semiconductor Physics Siberian Branch of Russian Academy of Sciences , Novosibirsk , Russia
-
V. M. Vladimirov
Krasnoyarsk Scientific Center , Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences , Krasnoyarsk , Russia
Yu. L. Fateev
Siberian Federal University , Krasnoyarsk , Russia
A. I. Filippov
Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev , Krasnoyarsk , Russia
■_■ ИССЛЕДОВАНИЯ
Havko-
ЖГРАДА
-
V. F. Shabanov, V. N. Shepov
Krasnoyarsk Scientific Center , Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk, Russia
ACCURACY OF GONIOMETRIC MEASUREMENTS ON SIGNALS OF GLONASS/GPS
Tri-band ( L1/L2/L3 ) antenna modules АМ415 have been developed consisting of a patch slot leaky wave antenna with the right-hand circular polarization and a low-noise amplifier. Their accuracy characteristics have been studied. It has been shown that when taking measurements in the L1 frequency band using
GLONASS/GPS combined constellation the root-mean square deviation ( RMSD ) of the positioning accuracy of the second and third module АМ415 relative to the 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 not exceed 9 angular minutes at a distance of 0 , 7 m between the centers of three antenna modules and it is up to 4 angular minutes at a distance of 2 m. The antenna modules АМ415 are designed for the high accuracy positioning using GLONASS/GPS signals.
Переносные приемные активные антенны высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) с успехом применяются для измерений углов курса, крена и тангажа стационарных и движущихся объектов. Одна из таких антенн, применяемых для угломерных измерений, - щелевая полосковая антенна вытекающей волны [1; 2]. Несомненными достоинствами данной антенны являются низ-копрофильность, широкополосность и единый стабильный фазовый центр, совпадающий с геометрическим центром антенны.
Излучатель щелевой полосковой антенны вытекающей волны выполняется из диэлектрической подложки с двусторонней металлизацией. Для приема СВЧ-сигнала с правой круговой поляризацией резонансные щели в металле верхней стороны подложки закручиваются по спирали вокруг фазового центра антенны. В металле нижней стороны выполняется микрополосковая линия (МПЛ), индуктивно связанная со щелями и нагруженная на активное сопротивление, равное волновому, для установления в МПЛ режима бегущей волны.
I © Асеев А. Л., Владимиров В. М., Фатеев Ю. Л.,
Филиппов А. И., Шабанов В. Ф., Шепов В. Н., 2013
В работе [3] предложен новый способ улучшения технических характеристик щелевых полосковых антенн вытекающей волны, применяемых для высокоточного позиционирования по сигналам ГНСС. Показано, что применение дополнительных щелей с меньшей электрической длиной, чем электрическая длина основных щелей излучателя, и выполненных в виде концентрических дуг вокруг фазового центра антенны, позволяет улучшить частотные, фазовые [3] и угловые [4] характеристики антенн. В частности, уменьшается коэффициент эллиптичности, увеличивается подавление кроссполяризации и повышается стабильность локальных фазовых центров антенны, что повышает стойкость данных антенн к многолучевой интерференции, являющейся одним из основных источников ошибок высокоточного позиционирования.
В настоящей работе исследуются точностные характеристики переносных антенных модулей АМ415, предназначенных для высокоточного позиционирования по сигналам ГНСС ГЛОНАСС/GPS в трех частотных диапазонах: L 1, L 2 и L 3. Определяется точность позиционирования модулей АМ415 в горизонтальной и вертикальной плоскостях и при измерениях углов курса, крена и тангажа.
А. Л. Асеев, В. М. Владимиров, Ю. Л. Фатеев, А. И. Филиппов, В. Ф. Шабанов, В. Н. Шепов
Точность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPS
На рис. 1, а показан внешний вид антенного модуля АМ415. В его состав входит разработанная щелевая полосковая антенна вытекающей 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 излучателя равен 145 мм, толщина – 1,5 мм, расстояние от излучателя до экрана – 13 мм. Рассчитанный (1) и измеренный (2) коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) пассивной антенны не превышает 1,5 в диапазоне частот 1,15–1,65 ГГц (рис. 1, г ).
В антенном модуле АМ415 применен трехдиапазонный ( L 1/ L 2/ L 3) МШУ.
Измеренные параметры МШУ во всех трех частотных диапазонах составили: коэффициент усиления 30 ± 1 дБ, КСВН – менее 1,5, коэффициент шума – менее 2 дБ, ΔГВЗ – менее 4 нс. Ток потребления МШУ – не более 50 мА. Габаритные размеры корпуса АМ415: диаметр – 175 мм, высота – 50 мм. Масса модуля АМ415 составляет менее 1 кг.
Для испытания антенных модулей АМ415 использовалась угломерная навигационная аппаратура МРК-32. Измерения углов курса, крена и тангажа проводились в частотном диапазоне L 1 в статическом режиме в нормальных климатических условиях на коротких (0,7 м), средних (1 м) и длинных (2 м) базах. В процессе испытаний записыва-

в
г
Рис. 1. Внешний вид антенного модуля АМ415 ( а ), фотографии верхней ( б ) и нижней ( в ) сторон излучателя щелевой полосковой антенны вытекающей волны и КСВН пассивной антенны ( г ), где 1 – расчет; 2 – эксперимент
ИССЛЕДОВАНИЯ
HAVKO____________
Ж ГРАДА лись файлы измерительной информации, формируемой аппаратурой МРК-32, в том числе измеренные значения курса, крена и тангажа, а также координаты второго и третьего антенных модулей АМ415 относительно первого. В качестве основного критерия при оценке качества АМ415 использовалась погрешность относительных координат АМ415. Это связано с тем, что погрешность измерения углов курса, крена и тангажа зависит как от фазовых характеристик АМ415, так и от дли-32 ны базы интерферометра, а погрешность относительных координат АМ415 – только от характеристик антенн. Накопление данных проводилось на интервале ≈ 7 часов. Данные измерений 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 ф от 0 ° до 360 ° на несущей частоте GPS 1575,4 МГц ( а ) и ГЛОНАСС 1602 МГц ( б) частотного диапазона L 1, где 1 - правая, 2 - левая круговая поляризация. Видно, что антенна слабонаправленная. Коэффициент усиления антенны в зените равен 3 дБ. Падение коэффициента усиления от зенита к горизонту составляет около 13 дБ. Подавление кроссполяризации в зените составляет свыше 30 дБ на частоте 1575,4 МГц и свыше 25 дБ на частоте 1602 МГц. Активная антенна осуществляет бесперебойный прием навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS в частотных диапазонах L 1 и L 2 в диапазоне рабочих углов антенны 0 = ± 85 °, где 0 = 0 -зенит ДН антенны.
№ 3-4 (6) июль-декабрь 2013
На рис. 3, а, б приведено сравнение нормированных амплитудных ДН антенны в вертикальной плоскости в верхней полусфере на частотах 1575,4 МГц ( а ) и 1602 МГц ( б ), где пустые кружки - расчет, заполненные - эксперимент. Видно неплохое совпадение рассчитанных и измеренных ДН в диапазоне рабочих углов возвышения.
На рис. 4 приведены результаты измерений точности позиционирования одного антенного модуля АМ415 относительно двух других в горизонтальной ( а ) и вертикальной ( б ) плоскостях, и соответствующие им распределения ошибки позиционирования ( в ) и ( г ). СКО ошибки позиционирования в горизонтальной плоскости составило менее 2,2 мм, в вертикальной – менее 1,7 мм. Видно, что распределения ошибок позиционирования – нормальные.
На рис. 5 приведены сравнения измеренных временных зависимостей точности позиционирования по углам курса ( а ) и крена ( б ) разработанных антенных модулей АМ415 (темные точки) и типичных микрополосковых антенн на двухмодовых излучателях (светлые точки) при расстоянии между центрами трех антенн 2 м. Видно, что точность позиционирования антенных модулей АМ415 по углам курса и крена выше точности позиционирования типичных микрополосковых антенн на двухмодовых излучателях приблизительно в 2 раза.
В табл. 1 приведены СКО ошибки позиционирования антенных модулей АМ415 при измерениях углов курса, тангажа и крена при расстояниях между центрами антенн 2 м, 1 м и 0,7 м. Видно, что при измерении по со-

а
Рис. 2. Коэффициент усиления антенны

б
А. Л. Асеев, В. М. Владимиров, Ю. Л. Фатеев, А. И. Филиппов, В. Ф. Шабанов, В. Н. Шепов
Точность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPS

б
а

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90
Угол 0, град

Отклонение по Y, м
Рис. 3. Сравнение нормированных амплитудных ДН антенны на частоте 1575,4 МГц ( а ) и 1602 МГц ( б ): пустые значки – расчет, заполненные – эксперимент


б

в
г
Рис. 4. Точность позиционирования одного антенного модуля АМ415 относительно двух других в горизонтальной ( а ) и вертикальной ( б ) плоскостях и соответствующие распределения ошибки позиционирования ( в ) и ( г )
ГКО
ГРАДА

а
Рис. 5. Временные зависимости точности позиционирования по углам курса ( а ) и крена ( б ) с применением трех активных антенн, темные точки – антенные модули АМ415, светлые точки – типичные микрополосковые антенны на двухмодовых излучателях

б
вмещенному созвездию ГЛОНАСС/GPS СКО ошибки позиционирования по углам курса, крена и тангажа не хуже 9 угловых минут при расстояниях между центрами антенн 0,7 м и 4 угловых минут при расстоянии 2 м.
Таким образом, из результатов испытаний видно, что распределение вероятностей погрешности измерений относительных координат антенных модулей АМ415 близко к изотропному, при этом уровень переотра-женных сигналов сравним с шумовой составляющей погрешности. При измерении же на микрополосковых антеннах на двухмодовых
Таблица 1
Точность позиционирования антенных модулей АМ415 в угломерных измерениях
Список литературы Точность угломерных измерений по сигналам ГЛОНАСС/GPS
- Kunysz W. Aperture coupled slot array antenna: pat. 0067315Al U.S. Appl. №:09/375319; Filed: 16 Aug. 1999; Pub. Date: 6 Jun. 2002.
- Kunysz W., Badger E., Plamondon D. Leaky wave antenna with radiating structure including fractal loops.: pat. WO 2007/009216 A1 25 January 2007.
- Владимиров В.М., Кондратьев А.С., Крылов Ю.В., Марков В.В., Федотов П.М., Шепов В.Н. // Антенны. 2012. №11. С. 12-17.
- Владимиров В.М., Кондратьев А.С., Крылов Ю.В., Марков В.В., Федотов П.М., Шепов В.Н. // Изв. вузов. Физика. 2012. №8. С. 86-90.
- Sciré-Scappuzzo F., Makarov S.N. IEEE transactions on antennas and propagation. 2009. V. 57. N.1. Р. 33-46.