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卫星导航系统中的测量型天线技术研究

张勇虎  
【摘要】: 天线相位中心的变化和多径效应是影响卫星导航接收机测量精度的显著误差源,在高精度测量应用中不能忽视。基于这一应用背景,本文从测量型天线入手,分析天线的相位中心特性和多径抑制能力,着重研究天线性能对定位精度的影响、高稳定相位中心天线的设计、相位中心的暗室标定方法和扼流圈多径抑制技术。全文内容分为四大部分: 第一部分研究天线性能对导航定位精度的影响。辨析了天线相位中心的概念,分析了天线相位中心变化对定位结果的影响,指出减小相位中心变化影响的途径:天线设计和相位中心标定。建立多径信号的简单数学模型,分析多径环境下天线性能指标对接收机载波幅度/相位的影响,从而确定天线指标与载波幅度/相位误差之间的关系,为导航接收机天线设计提供依据。 第二部分重点研究了平面阿基米德缝隙螺旋天线。对缝隙螺旋天线进行了参数分析,目的是了解天线参数变化对天线性能的影响,然后在此基础上优化设计一款天线。优化天线的性能实测结果表明:其法向增益、低仰角增益、轴比、3dB带宽和相位中心稳定度均比初始结构天线有很大提高;与Novatel公司采用同样技术的GPS-702天线相比,优化结构的天线法向增益、低仰角增益和带宽都有较大改善,相位中心稳定度基本相同。最后提出一种内外圈馈电的双频段八臂缝隙螺旋天线,该种结构的天线可实现双频段双接口输出,且双频段的圆极化方式任意组合。 第三部分着重研究了天线相位中心微波暗室标定方法。天线相位中心的暗室标定方法原理是对天线的实测相位方向图做数据处理,利用最小二乘法估计出相位中心偏差和相位中心变化量。对标定方法进行了误差分析,以理论分析和数值仿真相结合查找主要误差源,给出减小标定误差的方法。实际的天线相位中心标定例子表明暗室标定结果与NGS给出的室外标定结果基本一致,偏差小于2mm,多次重复标定的偏差小于1mm,证明了标定方法的可信性。 第四部分研究了扼流圈多径抑制技术。利用表面阻抗模型分析扼流圈边界条件,获得扼流圈结构尺寸的选取原则。仿真分析扼流圈参数变化对天线性能的影响,在此基础上以提高低仰角增益和多径抑制能力为目标优化扼流圈的结构参数,设计制作了一款三维扼流圈。给出几种不同类型的天线安装在三维扼流圈前后的性能测试结果,结果表明:(1)扼流圈不影响天线的相位中心稳定度:(2)扼流圈天线的多径抑制能力和低仰角增益是个矛盾,提高天线的多径抑制能力,就降低了天线的低仰角增益。 本文研究成果为高精度卫星导航测量型天线设计提供参考依据,为天线多径抑制技术和相位中心的暗室标定方法提供方法指导。


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