Способ определения диаграммы направленности антенны

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования диаграмм направленности (ДН) антенных систем различных радиотехнических систем. Техническим результатом является повышение точности, сокращение времени снятия ДН и уменьшение стоимости исследования антенны. Способ основан на измерении амплитуды сигнала точечного радиоисточника, расположенного в дальней зоне действия антенны, и угловых координат источника, при этом в качестве радиоисточников используют несколько навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) глобальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС; данные об амплитуде радиосигналов НИСЗ, их угловых координатах и псевдодальности до НИСЗ представлены в Интернет в виде файлов в форматах RINEX; путем обработки RINEX-файлов формируют ряды значений амплитуды радиосигналов для каждого НИСЗ в функции его угловых координат, из совокупности рядов выбирают ряды, полученные для углов места НИСЗ более 10, которые нормируют на коэффициенты, пропорциональные псевдодальности до соответствующих НИСЗ; ряды нормированных значений амплитуды для всех НИСЗ когерентно суммируют и усредняют. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике антенных измерений.

Известно несколько способов измерения диаграммы направленности (ДН) антенн [1, 2].

Один из них [2] - метод вращающейся антенны - основан на том, что исследуемая антенна вращается в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а излучатель неподвижен. При этом амплитуда сигнала на выходе антенны зависит от углов поворота антенны в азимутальной плоскости и плоскости углов места. Этот метод применяется при изучении антенн сверхвысоких частот, при макетировании, а также при изучении простейших антенн метровых волн. Достоинство метода - запись ДН в автоматическом режиме с одновременным измерением углов поворота антенны. К недостаткам можно отнести ограничение на геометрические размеры исследуемых антенн и трудности при снятии ДН антенны, установленной на каком-либо объекте.

Принцип другого способа измерения ДН-метода неподвижной антенны заключается в том, что положение и ориентация исследуемой антенны остаются неизменными, а источник излучения перемещается вокруг нее по круговым траекториям. Метод неподвижной антенны применяется при исследовании ДН антенн радиоцентров, антенн на радиорелейных линиях связи и т.п. При этом определить ДН можно как наземными измерениями [1], при которых излучатель располагается на поверхности Земли, так и с помощью вспомогательных излучателей, расположенных на летательных аппаратах [3]. Данному методу присущи некоторые недостатки. Так, при наземных измерениях можно получить ДН только в одной плоскости, причем точность измерения при этом будет весьма низкая из-за влияния неровностей рельефа местности и недостаточного удаления излучателя от исследуемой антенны. Исследование ДН с помощью летательных аппаратов отличается большими трудозатратами и затратами времени и ресурсов.

Наиболее близким к решению поставленной задачи является метод определения ДН антенны путем облучения с борта искусственного спутника Земли (ИСЗ) или с использованием излучения космических радиоисточников [4]. Достоинство метода - исследование ДН антенн, работающих в широком диапазоне длин волн, от сантиметровых до километровых; исследование ДН антенны, установленной по месту ее применения.

Однако малое количество спутников-маяков (низкоорбитальные ИСЗ-маяки) и жесткая геометрия орбит ИСЗ (геостационарные ИСЗ-маяки) не обеспечивают точного измерения ДН, поскольку для этого необходимо проводить измерения амплитуды как можно с меньшей угловой дискретностью в азимутальной плоскости и плоскости углов места. Кроме этого, при использовании ИСЗ необходимо дополнительно определять угловое положение излучателя.

Трудности при использовании космических радиоисточников связаны с низким отношением сигнал/шум при приеме сигналов радиоисточников и с большим интервалом времени заполнения апертуры - одна траектория в сутки в случае с неподвижной исследуемой антенной, а малая угловая дискретность расположения радиоисточников ограничивает возможности исследования антенн с узкой диаграммой направленности.

Целью изобретения является повышение точности, сокращение времени снятия диаграммы направленности и уменьшение стоимости исследования антенны.

Это достигается за счет того, что в качестве радиоисточников используют НИСЗ глобальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС [5, 6]. Данные об амплитуде радиосигналов НИСЗ, их угловых координатах и псевдодальности до НИСЗ представлены в Интернет в виде файлов в формате RINEX, являющихся стандартными файлами измерений навигационного приемника. Путем обработки RINEX-файлов формируют ряды значений амплитуды радиосигналов для каждого НИСЗ в функции его угловых координат. Полученные ряды нормируют на коэффициент, пропорциональный псевдодальности до соответствующего НИСЗ. Ряды нормированных значений амплитуды для всех НИСЗ когерентно суммируют и усредняют, получая, таким образом, зависимость амплитуды радиосигнала в точке приема в функции угла места и азимутального угла при постоянном расстоянии до источников излучения.

Достоинство предлагаемого способа измерения ДН - исследование направленных свойств антенны, установленной по месту ее применения. Такая возможность особенно актуальна для современных высокоточных радиотехнических систем, когда антенна приемника находится в окружении близко расположенных объектов или элементов конструкций, и принимаемые радиосигналы подвержены интерференционным искажениям. В этом случае предлагаемый способ позволяет измерить «реальную» ДН антенны с учетом воздействия отраженных радиоволн.

Предлагаемый способ измерения ДН антенны основан на том, что наземный двухчастотный навигационный приемник способен фиксировать радиосигналы от нескольких НИСЗ одновременно. При этом в зоне «видимости» приемника может находиться до 12 НС. Совместная когерентная во времени обработка данных об амплитуде радиосигналов всех «видимых» НИСЗ позволяет получить зависимость интенсивности принимаемых радиосигналов F(Θ,α) как функцию угловых координат - углов места Θ(t) и азимута α(t) направления на НИСЗ. При этом азимут α(t) - угол в горизонтальной плоскости между направлением на север и направлением на НИСЗ из точки приема, а угол места Θ(t) отсчитывают в вертикальной плоскости между направлением на НИСЗ из точки приема и горизонтальной плоскостью.

Под когерентностью во времени понимается в данном случае синхронизация данных об амплитуде радиосигналов всех «видимых» НИСЗ между собой и с единым системным временем глобальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС.

Данные наблюдений навигационного приемника GPS получают в виде файлов в формате RINEX [7], которые содержат результаты суточных измерений для всех «видимых» НИСЗ: значения относительной фазы для одной или обоих несущих, значения псевдодальности, значения относительной амплитуды принимаемых радиосигналов для одной или обоих несущих в виде отношения сигнал/шум (SNR) - S₁(t) и S₂(t), а также некоторые другие параметры. Кроме того, отдельно получают навигационные RINEX-файлы, содержащие эфемериды НИСЗ, которые используют для определения углов места Θ(t) и азимута α(t) направления на НИСЗ.

На фиг.1 в координатах «угол места-азимут» приведены зависимости, характеризующие положение траекторий НИСЗ относительно точки наблюдения для трех станций глобальной сети GPS [7], отличающихся широтным расположением. Для каждой исследуемой станции приведено ее название, географические координаты и количество траекторий НИСЗ, «видимых» в течение суток. Азимутальный угол α в градусах отсчитывают по круговой шкале. Концентрические окружности характеризуют изменение угла места Θ на НИСЗ в диапазоне 0-90°, причем центр каждого графика соответствует Θ=90°.

Как видно из чертежа, на низких широтах (фиг.1 «а») обеспечивается практически равномерное распределение траекторий во всем диапазоне углов Θ и α. С увеличением широты расположения приемной станции картина распределения траекторий искажается (фиг.1 «б» и «в»). В распределении появляется ярко выраженная область, ограниченная диапазоном углов Θ и α, в пределах которой не могут пролегать траектории НИСЗ. Это объясняется геометрией группировки НИСЗ GPS.

Таким образом, использование НИСЗ GPS/ГЛОНАСС может обеспечить практически равномерное заполнение апертуры при измерении ДН. При этом время заполнения апертуры сокращается, по крайней мере, на порядок по сравнению с использованием низкоорбитальных ИСЗ-маяков (до 10-15 траекторий за сутки) и на два порядка по сравнению с использованием космических радиоисточников (1 траектория за сутки).

При измерении ДН с использованием предлагаемого способа необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с геометрией группировки НИСЗ и характером распространения радиоволн в атмосфере Земли.

Во-первых, в целях повышения достоверности измерения ДН следует использовать исходные данные об амплитуде радиосигналов для НИСЗ с углами места Θ>10°, поскольку радиосигналы от НИСЗ с низкими углами места (Θ<10°) претерпевают существенные искажения при распространении через тропосферу Земли [8].

Во-вторых, необходимо учитывать изменение во времени геометрии системы «НИСЗ-приемник», поскольку период обращения НИСЗ GPS/ГЛОНАСС не кратен 12 часам [5, 6].

В-третьих, расстояние между антенной и НИСЗ изменяется во времени, а необходимым условием для правильного и точного измерения ДН является постоянная во времени интенсивность сигнала излучателя, поэтому величину амплитуды принимаемого радиосигнала необходимо нормировать на коэффициент, пропорциональный дальности до НИСЗ.

С учетом указанных выше особенностей обработку данных при измерении ДН с использованием предлагаемого способа производят следующим образом.

1. Из стандартных RINEX-файлов, полученных по сети Интернет, путем обработки извлекают временные ряды значений относительной амплитуды принимаемых радиосигналов S₁(t) и S₂(t), ряды значений углов места Θ(t) и азимутальных углов α(t) направления на НИСЗ, а также временной ряд значений псевдодальности до НИСЗ C₁(t).

2. Среди сформированной совокупности временных рядов выбирают ряды, значения которых получены при углах места Θ(t)>10°. Для обеспечения постоянной во времени интенсивности сигнала излучателя значения амплитуды S₁(t) и S₂(t), содержащиеся в выбранных временных рядах, нормируют на коэффициенты γ, пропорциональные псевдодальности C₁(t) до соответствующих НИСЗ: S_норм(t)=S₁(t)×γ(S_норм(t)=S₂(t)×γ).

3. Диаграмма направленности в графическом виде представляет собой двумерное распределение интенсивности принимаемого сигнала в координатах «угол места-азимут» направления на НИСЗ - F(Θ,α). Последовательность действий для построения распределения F(Θ,α) сводится к следующему.

4. Диапазон углов Θ(0-90°) и α(0-360°) разбивают на элементарные участки. При этом образуется сетка ячеек, в которой размеры элементарной ячейки - ΔΘ, Δα - определяются требуемой точностью построения ДН.

5. Сетку ячеек заполняют значениями амплитуды S_норм(Θ, α) полученными для всех «видимых» НИСЗ за интервал времени накопления (например, за сутки). Номер ячейки - m_Θ, m_α - определяют исходя из текущих значений углового положения НИСЗ Θ и α-m_Θ=Θ/ΔΘ, m_α=α/Δα. Сумму значений амплитуды ∑S_норм(Θ, α) для каждой ячейки усредняют по количеству записанных в ячейку значений n: .

6. Для каждой ячейки с номером m_Θ, m_α определяют ячейку с номером m_x, m_y в горизонтальной плоскости, совпадающей с плоскостью расположения приемной антенны. В каждую ячейку горизонтальной плоскости записывают соответствующее ей значение в координатах «угол места-азимут»: . Таким образом, образуется проекция распределения величин на горизонтальную плоскость.

7. Полученные для каждой ячейки m_x, m_y усредненные значения нормируют на максимальное значение . Результат представляют в виде зависимости интенсивности принимаемого радиосигнала в прямоугольных координатах.

8. Для получения F(Θ, α) в координатах «угол места-азимут» на плоскость распределения величин F(x, у) накладывают трафарет в виде концентрических окружностей. Тогда угол места Θ направления на НС определяется радиусом окружности (центр окружности соответствует Θ=90°), а азимутальный угол α отсчитывают по часовой стрелке вдоль окружности от направления на север (0°), как это показано на фиг.2.

Данная зависимость (фиг.2) получена по результатам обработки рядов измерения относительной амплитуды радиосигнала S₁(t) всех НИСЗ, «видимых» навигационным приемником станции COSA (33.6° с.ш., 111.9° з.д.) глобальной наземной сети GPS [9] в течение суток 16 марта 2003 г. На изолиниях нанесены значения функции F(Θ, α) в относительных единицах. Максимальные и минимальные значения приведены на вертикальной градационной шкале.

Анализ полученной зависимости F(Θ, α) в данном случае позволяет сделать вывод, что исследуемая антенная система навигационного приемника станции COSA имеет практически равномерную ДН, представляющую собой полусферу. Эти результаты подтверждаются теоретическими сведениями об антенных системах приемников спутниковой навигационной системы [5, 6].

В рамках предлагаемого способа измерения ДН антенны возможно проведение дополнительной оценки ДН путем сечения функции F(Θ, α) (фиг.2) двумя вертикальными плоскостями. Результат такой оценки представлен на фиг.3 в виде зависимостей интенсивности сигнала в двух взаимно перпендикулярных сечениях - A₁A₁ и B₁B₁ (фиг.3«а», «б»). Как видно из чертежа, интенсивность сигнала в каждом из сечений является практически равномерной и по величине близка к единице. Это свидетельствует о равномерности диаграммы направленности F(Θ, α) (фиг.2).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения ДН, сократить время и уменьшить стоимость исследования антенны за счет применения наиболее высокоточной, высокотехнологичной и широкодоступной из существующих в настоящее время радиотехнических систем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. М.: Связь, 1972, 352 с.

2. Миклашевская А.В. Автоматические измерители в диапазоне СВЧ. М.: Связь, 1972, 167 с.

3. Авторское свидетельство СССР №320787, кл. G 01 R 29/10, 1969.

4. Авторское свидетельство СССР №1059516, кл. G 01 R 29/10, 1981 (прототип).

5. Харисов В.Н., Перов А.И., Болдин В.А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1998, 400 с.

6. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000, 270 с.

7. Gurtner W. RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2.// http://igscb.ipl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex2.txt, 1993.

8. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1975, 280 с.

9. Warnart R. The study of the TEC and its irregularities using a regional network of GPS stations// IGS worksh. Proc, 1995, pp.249-263.

Способ определения диаграммы направленности антенны путем измерения амплитуды сигнала точечного радиоисточника, расположенного в дальней зоне антенны, и угловых координат источника, отличающийся тем, что в качестве радиоисточников используют навигационные искусственные спутники Земли (НИСЗ) глобальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС; данные об амплитуде радиосигналов НИСЗ, их угловых координатах и псевдодальности до НИСЗ представлены в Интернет в виде файлов в формате RINEX, являющихся стандартными файлами измерений навигационного приемника; путем обработки RINEX-файлов формируют ряды значений амплитуды радиосигналов для каждого НИСЗ в функции его угловых координат; из совокупности сформированных рядов выбирают ряды, полученные для углов места НИСЗ более 10°, которые нормируют на коэффициенты, пропорциональные псевдодальности до соответствующих НИСЗ; ряды нормированных значений амплитуды для всех НИСЗ когерентно суммируют и усредняют, получая, таким образом, зависимость амплитуды радиосигнала в точке приема в функции угла места и азимутального угла при постоянном расстоянии до источников излучения.