gps接收機(jī)天線的cn

gps接收機(jī)天線的cn

增益方向圖是gps接收機(jī)天線的一個(gè)重要特征，它直接影響接收到的信號(hào)的載噪比。對(duì)增益方向圖的研究最初集中在天線設(shè)計(jì)方面。近年來,一些學(xué)者在數(shù)據(jù)處理分析中對(duì)其加以利用,以提高導(dǎo)航定位、定姿的精度和可靠性,或直接用于定姿。過去,GPS接收機(jī)天線增益方向圖的測(cè)定,一直是在微波暗室中采用專門儀器設(shè)備來進(jìn)行。本文通過對(duì)信號(hào)載噪比的分析研究,導(dǎo)出了載噪比方向圖與天線增益方向圖的關(guān)系;指出載噪比異常反映了信號(hào)所受干擾影響的大小,載噪比異常方向圖可用于確定被動(dòng)式干擾源的方位。1干擾因素的模型構(gòu)建衡量信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo)有載噪比(CNR或C/N)和信噪比(SNR或S/N)。在GPS接收機(jī)中,C/N是接收機(jī)輸入端的載波功率與噪聲功率之比,S/N是接收機(jī)輸出端的信號(hào)功率與噪聲功率之比。它們之間的關(guān)系為:式中,GP為處理增益。可見,S/N不僅與輸入信號(hào)的C/N有關(guān),還與接收機(jī)內(nèi)部處理信號(hào)的方法有關(guān)。由于C/N與帶寬有關(guān),因而通常將1Hz帶寬上的載噪比C/N0(dB-Hz)作為信號(hào)的質(zhì)量指標(biāo),C/N0與C/N的關(guān)系為:式中,BN為等效噪聲帶寬(dB-Hz)。若所接收的衛(wèi)星信號(hào)未受干擾,則其C/N0為:式中,SR為所接收到信號(hào)的功率(dBW)。SR=EIRP+FSL+AL,其中,EIRP為等效各向同性輻射功率(dBW),與信號(hào)發(fā)射功率ST及發(fā)射天線的增益GT有關(guān);FSL為自由空間損耗(dB);AL為大氣損耗(dB)。GA為衛(wèi)星方向上接收機(jī)天線的增益(dBic)。10lg(kT0)為熱噪聲密度(dB-Hz),約等于-204dBW-Hz。k為玻耳茲曼常數(shù)。T0為熱噪聲的參考溫度,用絕對(duì)溫度表示,其值為290°(K)。NF為包括天線和電纜損耗在內(nèi)的接收機(jī)噪聲指數(shù)。L為實(shí)現(xiàn)損耗加上A/D損耗。根據(jù)文獻(xiàn),本文將影響C/N0的因素分為3類:(1)影響相對(duì)固定或影響微小的因素,包括ST、FSL與GT之和以及AL;(2)影響呈現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)的因素,包括NF和L;(3)影響變化范圍較大且呈系統(tǒng)性的因素,主要是GA。因此,對(duì)于在地面上工作的GPS接收機(jī)來說,在沒有干擾并排除隨機(jī)波動(dòng)因素的情況下,造成所接收不同入射方向信號(hào)的C/N0有所差異的最主要因素是接收機(jī)天線的增益方向圖。即式中,Δ[C/N0]=C/N0-[C/N0]0;Δ[GA]=GA-[GA]0。其中[C/N0]0和[GA]0分別為同一參考方向(通常為天線視準(zhǔn)軸方向)上的C/N0和GA值。這樣,利用C/N0實(shí)測(cè)值,就可建立用于描述天線在不同方向上的增益與視準(zhǔn)軸方向上的增益之間差異的相對(duì)增益方向圖。若將一個(gè)增益方向圖已知的天線作為參考,則還能夠建立天線的絕對(duì)增益方向圖。它們的精度均可優(yōu)于1dB。在實(shí)際應(yīng)用中,真正需要的是信號(hào)C/N0的預(yù)期值,它可由一個(gè)描述特定的接收機(jī)-天線組合在不同空間方向上所接收信號(hào)C/N0特性的模型提供,本文中稱該模型為載噪比方向圖。2zan軸與天線模型天線增益方向圖及接收信號(hào)的載噪比方向圖均應(yīng)在天線參考框架下建立。本文定義了一個(gè)天線坐標(biāo)系(見圖1):原點(diǎn)位于天線平均相位中心;XAnt軸與天線基板平行,指向與天線指北標(biāo)志一致;ZAnt軸(視準(zhǔn)軸)垂直于天線基板,指向與基板正面一致,YAnt軸與XAnt軸和ZAnt軸相互垂直,并最終形成左手系?？梢?當(dāng)天線水平安放且其指北標(biāo)志指向正北方向時(shí),天線坐標(biāo)系與相對(duì)于天線平均相位中心的站心地平坐標(biāo)系重合。也可以定義極坐標(biāo)形式的天線坐標(biāo)系(見圖1):基準(zhǔn)面與天線基板平行且過天線平均相位中心,其正向與天線基板正面一致;天線平均相位中心為極點(diǎn);極軸指向與天線指北標(biāo)志一致。信號(hào)入射方向可用二元組(AAnt,EAnt)表示,為了簡(jiǎn)明,在本文中稱AAnt為天線坐標(biāo)系下的方位角,EAnt為天線坐標(biāo)系下的高度角。3載噪比異常模型由于GPS接收機(jī)天線的增益主要與EAnt有關(guān),而與AAnt基本無關(guān),因此,在正常觀測(cè)條件下,接收信號(hào)的C/N0也具有相似的相關(guān)特性。這樣,就可建立一個(gè)僅以EAnt為變量的C/N0模型(載噪比方向圖模型)。本文采用了Herrings提出的建模方法:式中,ai為模型系數(shù)。利用在沒有明顯干擾的環(huán)境中所采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù),可回歸出模型系數(shù)。利用該模型,可計(jì)算出信號(hào)C/N0的期望值。若信號(hào)C/N0的實(shí)測(cè)值與其期望值相差較大,則通常表明該信號(hào)受到了較為嚴(yán)重的干擾。在本文中,將所接收信號(hào)C/N0的實(shí)測(cè)值與其期望值之差稱為載噪比異常,而將描述不同空間方向上所接收信號(hào)載噪比異常特性的模型稱為載噪比異常方向圖。顯然,載噪比異常的大小與信號(hào)所受干擾正相關(guān)。4實(shí)驗(yàn)與分析4.1天線布置及采樣數(shù)據(jù)采集本研究分別于2004年7月8日至9日、12月9日至20日、2005年7月11至17日和2006年4月22日至23日進(jìn)行了4期實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院樓頂,采集數(shù)據(jù)的儀器設(shè)備及觀測(cè)設(shè)置如下。1)接收機(jī):(1)Trimble4000SSi(第1~3期,以下簡(jiǎn)稱接收機(jī)類型Ⅰ),(2)Trimble5700(第4期,以下簡(jiǎn)稱接收機(jī)類型Ⅱ)。2)天線:(1)TrimbleCompactL1/L2withGroundPlane(以下簡(jiǎn)稱天線類型Ⅰ),(2)TrimbleChokeRing(以下簡(jiǎn)稱天線類型Ⅱ),(3)TrimbleZephyr(以下簡(jiǎn)稱天線類型Ⅲ)。3)參數(shù)設(shè)置:(1)第1~3期的采樣間隔為15s,截止高度角為10°,(2)第4期采樣間隔為15s,截止高度角為0°。圖2為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的草圖。4期實(shí)驗(yàn)雖在同一場(chǎng)地進(jìn)行,但安放天線的位置有所不同。在4期實(shí)驗(yàn)中,分別在下列3種情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集:(1)天線水平安放,無金屬擋板;(2)天線傾斜安放,無金屬擋板;(3)天線水平安放,通過金屬擋板引起多路徑。需說明的是,Trimble4000SSi所提供的C/N0信息為信噪比計(jì)數(shù)(SNC),單位為AMU(Trimble的自定義單位),SNC與C/N0的關(guān)系為:4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在本節(jié)中,站心地平坐標(biāo)系下所標(biāo)示的北為正北方向,天線坐標(biāo)系下所標(biāo)示的北為天線指北標(biāo)志所指方向。4.2.1站底天線線圖的球?qū)ΨQ特征利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別在相對(duì)于天線平均相位中心的站心地平坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系中繪制出信號(hào)C/N0的等值線圖。對(duì)于水平安放并進(jìn)行定向的天線來說,站心地平坐標(biāo)系與天線坐標(biāo)系相同。圖3為其中的2組。由圖3(a)可見,當(dāng)天線水平安放時(shí),C/N0等值線圖的球?qū)ΨQ特征非常明顯。而由圖3(b)可看出,當(dāng)天線傾斜安放時(shí),站心地平坐標(biāo)系下的C/N0等值線圖不具有球?qū)ΨQ的特征,而天線坐標(biāo)系下的C/N0等值線圖則具有球?qū)ΨQ的特征?？梢?與C/N0強(qiáng)相關(guān)的是天線的增益特性,而非大氣損耗。后面的分析均在天線坐標(biāo)系下進(jìn)行。4.2.2信號(hào)載噪比方向圖的4階式回歸模型這里分別給出了利用4組數(shù)據(jù)并采用式(5)的形式所建立出的L1信號(hào)載噪比方向圖的4階多項(xiàng)式回歸模型見圖4?？梢?絕大多數(shù)的C/N0實(shí)測(cè)值與所建立的模型相符合,利用傾斜安放和水平安放的同類型天線所采集數(shù)據(jù)建立的模型也基本相同。4.3利用天線類型的特征將利用在無金屬擋板的條件下,由水平安放的同型號(hào)天線,在不同時(shí)期所采集的數(shù)據(jù)所得到的C/N0等值線圖進(jìn)行求差,可評(píng)估大氣損耗的時(shí)間差異。圖5給出了其中的兩個(gè)結(jié)果,圖5(a)為利用天線類型Ⅰ分別于05年7月17日和04年12月20日所采集數(shù)據(jù)建立的等值線圖的差異,均值為-0.613dB-Hz,圖5(b)為利用天線類型Ⅱ分別于05年7月13日和04年12月20日所采集數(shù)據(jù)建立的等值線圖的差異,均值為0.834dB-Hz。其他結(jié)果與此類似?？梢?大氣損耗在不同時(shí)期的差異不大,基本上在1dB以內(nèi)。4.4大氣損耗的方向在分別由傾斜安放天線和水平安放天線所得的C/N0等值線圖間進(jìn)行求差,可評(píng)估大氣損耗的方向差異。圖6為其中的一個(gè)結(jié)果,其他結(jié)果與此類似。可見,大氣損耗在不同高度角上的差異不大,在有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域中,兩等值線圖的差異大多小于1dB。4.5異常動(dòng)態(tài)誤差估計(jì)結(jié)果利用在施加金屬擋板、天線水平安放的情況下所采集到的數(shù)據(jù),得到載噪比異常方向圖。圖7(a)為其中的一個(gè)結(jié)果,其他結(jié)果與此類似。為清晰起見,圖中所標(biāo)示出的為載噪比異常絕對(duì)值大于5dB的量。從圖7(a)可見,在擋板方向上,存在大量接收信號(hào)載噪比異常值偏大的量,而在與擋板相對(duì)的方向上,卻未如預(yù)期,僅存在少量的載噪比異常值偏大的量,這可能是由于被金屬擋板所反射的信號(hào)大多未到達(dá)天線。4.6載噪比異常方向利用在無金屬擋板、天線水平安放的情況下所采集到的數(shù)據(jù),得到載噪比異常方向圖。圖7(b)~圖7(e)給出了部分不同時(shí)期的載噪比異常方向圖,圖中標(biāo)示出的僅為載噪比異常絕對(duì)值大于5dB的量?？梢?在特定方向上信號(hào)受到了明顯的干擾。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查,發(fā)現(xiàn)在這些方向上有避雷針或金屬支架(參見圖2)以及正在興建中的高層建筑?？梢?金屬物體(如金屬桿或電力線)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生了較大的影響,因此對(duì)于被動(dòng)式干擾源(如金屬結(jié)構(gòu)、反射、衍射和遮擋),利用載噪比異常方向圖可準(zhǔn)確確定其方位。5與gps信號(hào)轉(zhuǎn)換的載噪比方向圖關(guān)系1)正常情況下,在地面