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GPS 接收機(jī)天線增益特性研究
隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的迅速發(fā)展, 在天線的研制和測(cè)試中, 對(duì)天線的各種參數(shù)的測(cè)量和分析是必不可少的。天線增益是表征天線性能的一個(gè)重要特性 參數(shù), 主要是指在輸入功率相等的條件下, 實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的 功率密度之比。本文主要從 GPS 接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取入射方位和信噪比信息, 通過(guò)對(duì)部分接收機(jī)天線的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)和觀察, 繪制相關(guān)信息的圖表, 研究其與天線增益特性之間的聯(lián)系。
1 常規(guī)天線增益測(cè)量方法分析
天線增益的測(cè)量可以根據(jù)定義測(cè)取相對(duì)功率或相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)而得到?；镜姆椒ㄓ斜容^法測(cè)天線增益、兩相同天線法測(cè)絕對(duì)增益、鏡象法測(cè)絕對(duì)增益、 兩不同天線法測(cè)絕對(duì)增益和三天線法測(cè)絕對(duì)增益, 但是這些方法進(jìn)行天線增益測(cè)量時(shí), 除了儀器本身及收、發(fā)天線最大輻射方向是否對(duì)準(zhǔn)所帶來(lái)的誤差外, 主要誤差來(lái)自于兩個(gè)方面: 第一, 阻抗失配和極化失配; 第二, 近場(chǎng)效應(yīng)和多徑干涉。前者可以通過(guò)精確測(cè)量反射系數(shù)和極化特性, 然后對(duì)測(cè)得的增益值予以修正, 從而把誤差減至最小; 后者可通過(guò)增加收、發(fā)天線間的距離和采用地面反射測(cè)試場(chǎng)來(lái)減小 測(cè)量誤差或?qū)y(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。
其次這些天線增益的測(cè)量都是通過(guò)在選定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地架設(shè)高大的待測(cè)天線和輔助天線, 用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測(cè)量。這些測(cè)量方法存在場(chǎng)地選擇困難、
測(cè)量過(guò)程繁瑣、測(cè)量周期長(zhǎng)等不足之處。所以需要 研究比較簡(jiǎn)單實(shí)用的測(cè)量天線增益的方法。
2 分析方法
本次實(shí)驗(yàn)主要收集了固定測(cè)站接收機(jī)的 2004年第 1 天、第 2 天、第 3 天、第 30 天、第 60 天、第 90 天和第 120 天的對(duì)應(yīng)的 Ashtech 星歷文件的 B 文件、Rinex 文件和導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)信息。通過(guò)自編解碼軟件得出初步的入射方位和信噪比數(shù)據(jù), 繪制1 個(gè)二維的極坐標(biāo)圖來(lái)表示入射方位的高度角和方位角, 如圖 1 所示。圖中極角表示入射方位的方位角, 0!為北方向, 方位角為負(fù)值時(shí)加上 360!, 極點(diǎn)表示高度角 90!, 極徑大小表示 90!與高度角之差根據(jù)高度角和方位角的數(shù)據(jù)在圖中畫(huà)點(diǎn)來(lái)確定位置, 然后在點(diǎn)上利用信噪比的范圍分段分顏色來(lái)表示第三維數(shù)據(jù)? ? ? 信噪比的數(shù)值。得到的圖形表示在仰視天球衛(wèi)星的位置時(shí)看到接收到的信號(hào)的信噪比值, 圖 2 為入射方位和 L 1 的信噪比關(guān)系圖與入射方位。
圖 1 極坐標(biāo)圖
1) 信噪比數(shù)值大體上都是關(guān)于極軸對(duì)稱, 在對(duì)稱的入射方位的信噪比的數(shù)值是基本相同的;
2) 相同區(qū)段的信噪比數(shù)值大體上都呈現(xiàn)一個(gè)一個(gè)圓環(huán)的形狀, 并按從小到大的區(qū)段數(shù)值向外環(huán)繞。從相同的方位角上分析, 信噪比的數(shù)值都是隨著高度角的增大而增大, 而且數(shù)值的增大的速度比較均勻。信噪比的數(shù)值與方位角沒(méi)有明顯的聯(lián)系。
3) 所有關(guān)系圖都是信噪比數(shù)值小的區(qū)段比較窄, 而且在高度角為 0 的附近有一圈信噪比的空白, 主要是這里沒(méi)有觀測(cè)值, 接收機(jī)觀測(cè)的高度角調(diào)整到了 15!以上。另外, 在方位角為 0 的附近也有一大片呈圓形的信噪比空白, 原因是在方位角為 0 的附近衛(wèi)星數(shù)量比較少的情況下造成的。
第 1 天、第 2 天和第 3 天的關(guān)系圖, 信噪比的分布基本一樣, 因此, 在相近的時(shí)間段內(nèi)、在相近的大氣狀況和環(huán)境下, 信噪比的變化反映了上述的關(guān)系; 第 30 天、第 60 天、第 90 天和第 120 天的關(guān)系圖, 信噪比的分布也是基本一樣, 可以看出在一個(gè)季度里, 信噪比的變化也反映了上述的關(guān)系。因此, 在相同的方位角上, 信噪比的數(shù)值隨著高度角的增大
而增大, 入射信號(hào)由于大氣影響而產(chǎn)生的衰減不明顯。實(shí)驗(yàn)中 L 2 的信噪比關(guān)系圖與 L 1 的信噪比顯示出類似的結(jié)果, 本文限于篇幅沒(méi)有給出 L2 的信噪比關(guān)系圖。
圖 2 入射方位和 L1 的信噪比關(guān)系圖
根據(jù)時(shí)間段關(guān)系, 把信噪比關(guān)系圖分成白天和黑夜進(jìn)行比較, 圖 3 和圖 4 顯示了上午 8 時(shí)和晚上8 時(shí)L 1 和L 2 的入射方位與信噪比的關(guān)系圖, 從圖中可以看出相同位置的信噪比的差值基本都很小, 說(shuō)明入射信號(hào)由于日光( 電離層) 影響而產(chǎn)生的衰減也不明顯。
觀察關(guān)系圖中有異常的情況?？梢钥吹? 第2 天L 2-SN R 的關(guān)系圖中方位角為 330!左右的范圍為 70~ 95 的信噪比的數(shù)值分布有異常。初步檢查, 可能是 23 號(hào)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的問(wèn)題。由此可以大量分析這些關(guān)系圖的異常情況來(lái)檢查天線的接收情 況, 從而獲得更好的接收效果。
在相同的方位角上, 信噪比的數(shù)值隨著高度角的增大而增大, 并且增大的方向比較均勻, 這從一個(gè)方面反映出入射方位和天線增益特性的一種聯(lián)系; 再根據(jù)信號(hào)的信噪比能反映信號(hào)質(zhì)量這一事實(shí): 當(dāng)有多路徑效應(yīng)發(fā)生時(shí), 此時(shí)段上衛(wèi)星觀測(cè)值的信噪比值會(huì)相應(yīng)降低。從上述的關(guān)系圖中, 可以根據(jù)觀察關(guān)系圖的異常變化探討依據(jù)信噪比值的變化來(lái)削弱多路徑效應(yīng)的方法, 而具體測(cè)定方式還有待研究改進(jìn)。
則。首先建設(shè)局級(jí)投資項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理系 統(tǒng), 建立與? 共享與服務(wù)平臺(tái)% 和原有投資項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的接口、作業(yè)流程和相關(guān)范, 并取得試運(yùn)行成果和經(jīng)驗(yàn)。然后在選定的示范省份建立省級(jí)投資 項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)檢測(cè)與管理系統(tǒng), 取得經(jīng)驗(yàn)后向其他省份進(jìn)行推廣。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文主要針對(duì)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局在投資項(xiàng)目動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 與管理方面的重大需求, 基于遙感技術(shù), 并結(jié)合 GIS 和GPS天線技術(shù), 研究和探索了對(duì)投資項(xiàng)目進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理的技術(shù)方法, 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了投資項(xiàng)目遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)的整體框架, 提出了系統(tǒng)建設(shè)的總體技術(shù)路線。
通過(guò)研究認(rèn)為: 基于遙感技術(shù)構(gòu)建的投資項(xiàng)目動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)是解決目前統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)中空間地 理信息缺乏、數(shù)據(jù)更新遲緩、實(shí)地取證困難、數(shù)據(jù)難 保真等方面的問(wèn)題, 特別是實(shí)現(xiàn)對(duì)省、國(guó)家級(jí)大范圍的重大投資項(xiàng)目的宏觀及時(shí)監(jiān)測(cè), 減少和避免國(guó)家投資的損失, 全面提升對(duì)投資項(xiàng)目的宏觀監(jiān)測(cè)管理水平的一個(gè)切實(shí)可行、科學(xué)實(shí)用的技術(shù)方案。