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GPS 接收机天线增益特性研究
随着卫星通信技术的迅速发展, 在天线的研制和测试中, 对天线的各种参数的测量和分析是必不可少的。天线增益是表征天线性能的一个重要特性 参数, 主要是指在输入功率相等的条件下, 实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的 功率密度之比。本文主要从 GPS 接收机的观测数据中提取入射方位和信噪比信息, 通过对部分接收机天线的数据实验和观察, 绘制相关信息的图表, 研究其与天线增益特性之间的联系。
1 常规天线增益测量方法分析
天线增益的测量可以根据定义测取相对功率或相对场强而得到。基本的方法有比较法测天线增益、两相同天线法测绝对增益、镜象法测绝对增益、 两不同天线法测绝对增益和三天线法测绝对增益, 但是这些方法进行天线增益测量时, 除了仪器本身及收、发天线最大辐射方向是否对准所带来的误差外, 主要误差来自于两个方面: 第一, 阻抗失配和极化失配; 第二, 近场效应和多径干涉。前者可以通过精确测量反射系数和极化特性, 然后对测得的增益值予以修正, 从而把误差减至最小; 后者可通过增加收、发天线间的距离和采用地面反射测试场来减小 测量误差或对测试结果进行修正。
其次这些天线增益的测量都是通过在选定的实验场地架设高大的待测天线和辅助天线, 用传统的方法进行测量。这些测量方法存在场地选择困难、
测量过程繁琐、测量周期长等不足之处。所以需要 研究比较简单实用的测量天线增益的方法。
2 分析方法
本次实验主要收集了固定测站接收机的 2004年第 1 天、第 2 天、第 3 天、第 30 天、第 60 天、第 90 天和第 120 天的对应的 Ashtech 星历文件的 B 文件、Rinex 文件和导航电文的数据信息。通过自编解码软件得出初步的入射方位和信噪比数据, 绘制1 个二维的极坐标图来表示入射方位的高度角和方位角, 如图 1 所示。图中极角表示入射方位的方位角, 0!为北方向, 方位角为负值时加上 360!, 极点表示高度角 90!, 极径大小表示 90!与高度角之差根据高度角和方位角的数据在图中画点来确定位置, 然后在点上利用信噪比的范围分段分颜色来表示第三维数据∀ ∀ ∀ 信噪比的数值。得到的图形表示在仰视天球卫星的位置时看到接收到的信号的信噪比值, 图 2 为入射方位和 L 1 的信噪比关系图与入射方位。
图 1 极坐标图
1) 信噪比数值大体上都是关于极轴对称, 在对称的入射方位的信噪比的数值是基本相同的;
2) 相同区段的信噪比数值大体上都呈现一个一个圆环的形状, 并按从小到大的区段数值向外环绕。从相同的方位角上分析, 信噪比的数值都是随着高度角的增大而增大, 而且数值的增大的速度比较均匀。信噪比的数值与方位角没有明显的联系。
3) 所有关系图都是信噪比数值小的区段比较窄, 而且在高度角为 0 的附近有一圈信噪比的空白, 主要是这里没有观测值, 接收机观测的高度角调整到了 15!以上。另外, 在方位角为 0 的附近也有一大片呈圆形的信噪比空白, 原因是在方位角为 0 的附近卫星数量比较少的情况下造成的。
第 1 天、第 2 天和第 3 天的关系图, 信噪比的分布基本一样, 因此, 在相近的时间段内、在相近的大气状况和环境下, 信噪比的变化反映了上述的关系; 第 30 天、第 60 天、第 90 天和第 120 天的关系图, 信噪比的分布也是基本一样, 可以看出在一个季度里, 信噪比的变化也反映了上述的关系。因此, 在相同的方位角上, 信噪比的数值随着高度角的增大
而增大, 入射信号由于大气影响而产生的衰减不明显。实验中 L 2 的信噪比关系图与 L 1 的信噪比显示出类似的结果, 本文限于篇幅没有给出 L2 的信噪比关系图。
图 2 入射方位和 L1 的信噪比关系图
根据时间段关系, 把信噪比关系图分成白天和黑夜进行比较, 图 3 和图 4 显示了上午 8 时和晚上8 时L 1 和L 2 的入射方位与信噪比的关系图, 从图中可以看出相同位置的信噪比的差值基本都很小, 说明入射信号由于日光( 电离层) 影响而产生的衰减也不明显。
观察关系图中有异常的情况。可以看到, 第2 天L 2-SN R 的关系图中方位角为 330!左右的范围为 70~ 95 的信噪比的数值分布有异常。初步检查, 可能是 23 号卫星发射信号的问题。由此可以大量分析这些关系图的异常情况来检查天线的接收情 况, 从而获得更好的接收效果。
在相同的方位角上, 信噪比的数值随着高度角的增大而增大, 并且增大的方向比较均匀, 这从一个方面反映出入射方位和天线增益特性的一种联系; 再根据信号的信噪比能反映信号质量这一事实: 当有多路径效应发生时, 此时段上卫星观测值的信噪比值会相应降低。从上述的关系图中, 可以根据观察关系图的异常变化探讨依据信噪比值的变化来削弱多路径效应的方法, 而具体测定方式还有待研究改进。
则。首先建设局级投资项目遥感动态监测与管理系 统, 建立与∃ 共享与服务平台% 和原有投资项目数据库系统的接口、作业流程和相关范, 并取得试运行成果和经验。然后在选定的示范省份建立省级投资 项目遥感动态检测与管理系统, 取得经验后向其他省份进行推广。
5 结束语
本文主要针对国家统计局在投资项目动态监测 与管理方面的重大需求, 基于遥感技术, 并结合 GIS 和GPS天线技术, 研究和探索了对投资项目进行遥感动态监测与管理的技术方法, 并在此基础上设计了投资项目遥感动态监测与管理信息系统的整体框架, 提出了系统建设的总体技术路线。
通过研究认为: 基于遥感技术构建的投资项目动态监测与管理系统是解决目前统计业务中空间地 理信息缺乏、数据更新迟缓、实地取证困难、数据难 保真等方面的问题, 特别是实现对省、国家级大范围的重大投资项目的宏观及时监测, 减少和避免国家投资的损失, 全面提升对投资项目的宏观监测管理水平的一个切实可行、科学实用的技术方案。