Совмещенная антенна
Изобретение относится к антеннам. Совмещенная антенна включает: антенну глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с фазовым центром антенны ГНСС; и лучеобразующую антенну с фазовым центром лучеобразующей антенны. При этом фазовый центр антенны ГНСС и фазовый центр лучеобразующей антенны совмещены по двум осям. Технический результат заключается в уменьшении погрешности определения дистанции. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к совмещенной антенне. В частности, настоящее изобретение относится, помимо прочего, к совмещенной лучеобразующей антенне и антенне глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Ссылка на известный уровень техники в настоящем документе не должна рассматриваться как признание того факта, что такой уровень техники представляет собой сведения общего характера, общеизвестные в Австралии или где-либо еще.
Использование глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), такой как GPS и ГЛОНАСС, получило широкое распространение для определения местоположения объекта в пространстве вокруг Земли, главным образом, на ее поверхности. Спутниковые приемники используют сигналы со спутников для определения своего местоположения обычно с точностью до нескольких метров. Однако спутникам требуется линия прямой видимости, если прохождение сигналов затруднено препятствиями в виде высоких конструкций, такими как горы или многоэтажные дома, которые снижают эффективность определения местоположения. В определенных случаях, например при нахождении приемника внутри помещения, обычно теряется даже также сама возможность определения местоположения.
В зонах наличия известных для ГНСС препятствий могут быть использованы наземные псевдоспутники, называемые «псевдолигами», которые представляют собой наземные приемопередатчики, расположенные в зоне прямой видимости. Однако псевдолиты характеризуются множеством недостатков, например, сложностью размещения и совмещения с системами ГНСС таким образом, чтобы они не мешали друг другу, а также погрешностями, обусловленными отражением сигналов, и т.п. При размещении внутри помещения потолок, полы и стены представляют собой многочисленные поверхности, от которых отражаются сигналы и которые служат препятствиями для их прохождения, результате чего погрешности многопутевого распространения приводят к существенным погрешностям определения дистанции псевдолитами.
Цель настоящего изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить совмещенную антенну, которая могла бы преодолеть или свести к минимуму один или несколько из указанных недостатков или проблем или которая могла, по меньшей мере, обеспечить полезное альтернативное решение.
Прочие предпочтительные цели настоящего изобретения станут понятны из описания, представленного ниже.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена совмещенная антенна, которая состоит из следующих элементов:
антенны глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с фазовым центром антенны ГНСС; и
лучеобразующей антенны с фазовым центром лучеобразующей антенны;
при этом фазовый центр антенны ГНСС и фазовый центр лучеобразующей антенны совмещены, по меньшей мере, по одной оси.
В предпочтительном варианте антенна ГНСС и лучеобразующая антенна совмещены по двум осям, предпочтительно - по двум горизонтальным осям, образующим горизонтальную плоскость. В предпочтительном варианте смещения фазового центра заданы заранее. Совмещенная антенна в своем предпочтительном варианте также содержит приемник.
Совмещенная антенна, а предпочтительно - приемник совмещенной антенны, в предпочтительном варианте компенсирует любое смещение между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны. Предпочтительно, чтобы совмещенная антенна компенсировала расхождения по оси, предпочтительно - расхождения по вертикальной оси, для обеспечения эффективного совмещения фазовых центров по всем осям.
В предпочтительном варианте лучеобразующая антенна предоставляет данные об ориентации, такие как наклон относительно поперечной оси, наклон относительно продольной оси и угловая ориентация. В предпочтительном варианте с использованием данных об ориентации компенсируются расхождения по оси, предпочтительно - расхождения по вертикальной оси. В альтернативном варианте или в качестве дополнения совмещенная антенна может также содержать один или несколько датчиков, по данным с которых в предпочтительном варианте компенсируются расхождения по оси.
В предпочтительном варианте лучеобразующая антенна представляет собой практически полусферическую или сферическую антенну. Предпочтительно, чтобы антенна ГНСС представляла собой прямоугольную микрополосковую антенну. Предпочтительно, чтобы антенна ГНСС располагалась на поверхности лучеобразующей антенны. Предпочтительно, чтобы антенна ГНСС располагалась в верхней части лучеобразующей антенны, а в еще более предпочтительном варианте - в самом верху лучеобразующей антенны. Предпочтительно, чтобы фазовые центры антенны ГНСС и лучеобразующей антенны были совмещены по вертикальной оси.
В предпочтительном варианте обе антенны - антенна ГНСС и лучеобразующая антенна - заключены в корпус. Антенна ГНСС в предпочтительном варианте монтируется на поверхности лучеобразующей антенны; при этом она может быть закреплена жестко или с возможностью съема. В альтернативном варианте антенна ГНСС и лучеобразующая антенна могут представлять собой единое целое.
В предпочтительном варианте, как антенна ГНСС, так и лучеобразующая антенна снабжена отдельным сигнальным соединителем внутри корпуса. Предпочтительно, чтобы отдельный сигнальный соединитель представлял собой радиочастотный соединитель (РЧ-соединитель). Предпочтительно, чтобы каждая из антенн - и антенна ГНСС, и лучеобразующая антенна - были связаны с приемником антенны, предпочтительно через соответствующий РЧ-соединитель.
Приемник антенны в предпочтительном варианте представляет собой общий приемник антенны ГНСС и лучеобразующей антенны для определения местоположения. В предпочтительном варианте приемник антенны обрабатывает сигналы с одной из антенн - антенны ГНСС или лучеобразующей антенны - или с обеих этих антенн для определения местоположения приемника.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ определения расчетного местоположения совмещенной антенны, соединенной с приемником; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии:
определение доступности глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) для взаимодействия с приемником;
прием сигнала ГНСС с глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с использованием антенны ГНСС совмещенной антенны, если выявлена доступность системы ГНСС;
доступности наземной системы позиционирования для взаимодействия с приемником;
прием наземного сигнала с наземной системы позиционирования с использованием лучеобразующей антенны, совмещенной с антенной ГНСС, если выявлена доступность наземной системы позиционирования;
обработка сигнала ГНСС, если выявлена доступность системы ГНСС, и наземного сигнала, если выявлена доступность наземной системы позиционирования; и
определение расчетного местоположения совмещенной антенны с использованием сигнала ГНСС, если выявлена доступность системы ГНСС, и с использованием наземного сигнала, если выявлена доступность наземной системы позиционирования.
Стадия обработки сигнала ГНСС, если выявлена доступность системы ГНСС, и наземного сигнала, если выявлена доступность наземной системы позиционирования, в предпочтительном варианте также включает в себя стадию компенсации смещения между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны. В предпочтительном варианте лучеобразующая антенна предоставляет данные об ориентации, такие как наклон относительно поперечной оси, наклон относительно продольной оси и угловая ориентация, и эти данные об ориентации используются для компенсации смещения между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны.
Прочие признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из подробного описания, представленного ниже.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны ниже в настоящем документе исключительно в качестве примера в привязке к прилагаемым чертежам, где:
На фиг. 1 показано перспективное изображение совмещенной антенны, состоящей из антенны ГНСС и полусферической лучеобразующей антенны, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 2 показано перспективное изображение совмещенной антенны, состоящей из антенны ГНСС и сферической лучеобразующей антенны, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 3 показано схематическое изображение совмещенной антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая стадии способа согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения; а
На фиг. 5 схематически проиллюстрировано использование заявленного изобретения в городских условиях.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
На фиг. 1 показано перспективное изображение совмещенной антенны (10), состоящей из практически полусферической лучеобразующей антенны (20) и антенны глобальной навигационной спутниковой антенны (ГНСС) в форме практически плоской прямоугольной микрополосковой антенны (40). Плоская прямоугольная микрополосковая антенна (40) ГНСС расположена на самой верху лучеобразующей антенны (20); при этом фазовый центр прямоугольной микрополосковой антенны (40) ГНСС совмещен с фазовым центром лучеобразующей антенны (20) по двум горизонтальным осям прямоугольной системы координат, которые образуют горизонтальную плоскость. Соответственно, фазовые центры двух антенн совмещены по вертикальной оси, но с небольшим смещением по вертикали.
На фиг. 2 проиллюстрирована похожая совмещенная антенна (10), у которой вместо практически полусферической лучеобразующей антенны (20) предусмотрена практически сферическая лучеобразующая антенна. В остальном совмещенная антенна (10), представленная на фиг. 2, аналогична антенне, проиллюстрированной на фиг. 1. Повторим, что прямоугольная микрополосковая антенна (40) ГНСС расположена на самом верху лучеобразующей антенны (20); при этом фазовый центр прямоугольной микрополосковой антенны (40) ГНСС совмещен с фазовым центром лучеобразующей антенны (20) по двум горизонтальным осям прямоугольной системы координат, которые образуют горизонтальную плоскость. Соответственно, фазовые центры двух антенн совмещены по вертикальной оси, но с небольшим смещением по вертикали.
На фиг. 3 показано схематическое изображение совмещенной антенны (10), состоящей из лучеобразующей антенны (20) и прямоугольной микрополосковой антенны (40) ГНСС. Лучеобразующая антенна (20), проиллюстрированная на фиг. 3, является практически сферической, но следует понимать, что могут быть использованы и иные схемы, такие как с использованием практически полусферической формы антенны, как это показано на фиг. 1. Антенна (40) ГНСС расположена, как уже было сказано, на самом верху лучеобразующей антенны (20), что является предпочтительным, но не обязательным местоположением антенны (40) ГНСС относительно лучеобразующей антенны (20).
Антенна (40) ГНСС и лучеобразующая антенна (20) физически размещены в одном корпусе (не показан), но для каждой из них предусмотрен свой собственный радиочастотный соединитель (РЧ-соединитель). В частности, лучеобразующая антенна (20) снабжена РЧ-соединителем (22), а антенна (40) ГНСС снабжена РЧ-соединителем (42). Два РЧ-соединителя (22) и (42) присоединены к приемнику (60) антенны, который представляет собой общий приемник системы ГНСС и наземного позиционирования. РЧ-соединители (22) и (42) позволяют приемнику (60) принимать сигналы с обеих антенн (20) и (40).
На фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая стадии способа определения расчетного положения совмещенной антенны (10), взаимодействующей с приемником (60). Приемник (60) определяет, доступна ли система ГНСС (стадия 100), а также доступна ли наземная система позиционирования (стадия 110). Если система ГНСС доступна, то принимается сигнал ГНСС (стадия 102), и если доступна наземная система позиционирования, то принимается наземный позиционирующий сигнал (стадия 112). Затем сигналы обрабатываются (стадия 120), обычно - приемником (60), а расчетное положение определяется с использованием сигнала ГНСС, если выявлена доступность системы ГНСС, и с использованием наземного сигнала, если выявлена доступность наземной системы позиционирования (стадия 122).
Если выявлено, что доступна только одна система, - или система ГНСС, или наземная система позиционирования, - то приемник (60) может определить расчетное положение, используя только одну из указанных систем. При доступности обеих систем приемник (60) может определять местоположение, используя сигналы одной или обеих систем, в зависимости от того, какие из них обеспечивают большую точность и надежность.
Во время работы лучеобразующая антенна (20) также способна предоставлять приемнику (60) данные об ориентации, такие как наклон относительно поперечной оси, наклон относительно продольной оси и угловая ориентация, которые могут быть использованы для компенсации смещения фазовых центров антенны ГНСС и лучеобразующей антенны. После выполнения компенсации антенна (40) ГНСС и лучеобразующая антенна (20) эффективно совмещаются, как в горизонтальной плоскости, так и по вертикальной оси.
На фиг. 5 приведен пример использования заявленного изобретения в городских условиях. Хотя изображена городская среда с препятствиями в виде зданий, эти условия не носят ограничительного характера, и следует понимать, что идея изобретения может в равной мере относиться и к другим условиям, таким как внешняя среда с естественными препятствиями в виде гор или холмов или внутренняя среда с препятствиями в виде стен, дверей и окон.
Как показано на фиг. 5, устройство (80), содержащее совмещенную антенну (10), расположено на уровне земли или примерно на уровне земли в промежутке между городскими зданиями (82). Приемник (60) совмещенной антенны (10) в устройстве (80) способно использовать сигналы с ГНСС и наземных систем позиционирования для определения местоположения устройства (80), например, с использованием способа по фиг. 4.
В сценарии, который проиллюстрирован на фиг. 5, устройство (80) находится в пределах прямой видимости спутника (84). Устройство (80) не находится в пределах прямой видимости спутников (86) и (88) ГНСС, так как указанные спутники загорожены зданиями (82). Кроме того, приемник (60) совмещенной антенны (10) в устройстве (80) способен принимать сигналы с передатчиков (90) и (92) наземной системы позиционирования с использованием лучеобразующей антенны (20). В этой ситуации для определения расчетного местоположения устройства (80) приемник (60) может использовать как один сигнал, так оба указанных сигнала.
После определения доступности или недоступности сигналов для одной из систем приемник (60) устройства (80) способен использовать сигналы с другой системы для определения расчетного местоположения устройства (80). В общем, предполагается, что система ГНСС обеспечит более широкое покрытие на преимущественно открытых участках, где менее целесообразно устанавливать множество наземных систем позиционирования, а эти наземные системы позиционирования обеспечат более широкое покрытие на преимущественно закрытых участках, где система ГНСС недоступна или работает ненадежно.
Совмещенная антенна (10) успешно обеспечивает точное и надежное позиционирование, как на открытом пространстве, так и в окружающей среде с препятствиями для системы ГНСС. Совмещенная антенна (10) представляет собой единый антенный блок, используемый в системах ГНСС и наземных системах позиционирования с фазовыми центрами лучеобразующей антенны (20) и антенны (40) ГНСС, эффективно совмещенными за счет физического совмещения, по меньшей мере, по одной оси и компенсации не совмещенных осей.
Лучеобразующая антенна (40) особенно хорошо подходит для использования в замкнутом пространстве, обеспечивая точное определение местоположения в условиях многолучевого распространения, например, внутри помещений, где не могут быть эффективно использованы псевдолиты и иные устройства подобного рода. Совмещенная антенна (10) позволяет определять местоположение устройства (80) в самых разных ситуациях, в том числе там, где традиционно сложно обеспечить точное позиционирование. Совмещенная антенна (10) позволяет обеспечить плавный переход между ГНСС и наземной системой позиционирования, непрерывно предоставляя высокоточную информацию о местоположении вне зависимости от окружающих условий.
Ссылки на фазовые центры в настоящем документе также включают в себя условные фазовые центры любой антенны с ограниченной или несферической диаграммой направленности электромагнитных волн.
В настоящей заявке такие прилагательные, как первый и второй, левый и правый, верхний и нижний, и другие прилагательные подобного рода могут быть использованы исключительно для того, чтобы можно было отличить один элемент или действие от другого элемента или действия; при этом не обязательно требуется или подразумевается именно такое соотношение или порядок. Там, где позволяет контекст, ссылка на целое число, элемент или стадию (и тому подобное) не должна толковаться как ограничивающаяся таким целым числом, элементом или стадией, а как относящаяся к одному или нескольким таким целым числам, элементам или стадиям.
Представленное выше описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения носит исключительно иллюстративный характер для любого специалиста в соответствующей области техники. Оно не носит исчерпывающего характера и не ограничивается лишь единственным раскрытым вариантом реализации заявленного изобретения. Как было сказано выше, для специалиста в данной области техники очевидно, что на базе предложенной идеи могут быть реализованы многочисленные альтернативные варианты и модификации настоящего изобретения. Соответственно, хотя были описаны конкретные альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалиста в данной области техники очевидны и иные варианты его реализации, которые могут быть относительно легко разработаны. Настоящее изобретение охватывает все альтернативные варианты, модификации и вариации своего осуществления, которые были описаны в настоящем документе, а также прочие варианты своей реализации, которые входят в объем и не противоречат сущности описанного выше изобретения.
В настоящей заявке термины «содержит», «включает в себя», «содержащий», «включающий в себя» и другие подобные термины означают неисключительное включение, обозначающее, что способ, система или устройство, включающее в себя перечень определенных элементов, содержит не только указанные элементы, но может также включать в себя и иные элементы, не указанные в перечне.
1. Совмещенная антенна, включающая:
антенну глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с фазовым центром антенны ГНСС; и
лучеобразующую антенну с фазовым центром лучеобразующей антенны;
при этом фазовый центр антенны ГНСС и фазовый центр лучеобразующей антенны совмещены по двум осям.
2. Совмещенная антенна по п. 1, причем антенна ГНСС и лучеобразующая антенна совмещены по двум горизонтальным осям, образующим горизонтальную плоскость.
3. Совмещенная антенна по п. 1, причем любое смещение фазовых центров задано заранее.
4. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем она дополнительно включает в себя приемник.
5. Совмещенная антенна по любому из пп. 1 -3, причем антенна компенсирует любое смещение между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны.
6. Совмещенная антенна по п. 5, причем совмещенная антенна компенсирует расхождения по оси для обеспечения эффективного совмещения фазовых центров по всем осям.
7. Совмещенная антенна по п. 6, причем совмещенная антенна компенсирует расхождения по вертикальной оси.
8. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем лучеобразующая антенна предоставляет данные об ориентации, такие как наклон относительно поперечной оси, наклон относительно продольной оси и угловая ориентация.
9. Совмещенная антенна по п. 8, причем расхождения по оси между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны компенсируются с использованием данных об ориентации.
10. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем она дополнительно включает в себя один или несколько датчиков; при этом расхождения по оси между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны компенсируются с использованием одного или нескольких датчиков.
11. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем лучеобразующая антенна представляет собой полусферическую или сферическую антенну.
12. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем антенна ГНСС представляет собой прямоугольную микрополосковую антенну.
13. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем антенна ГНСС располагается на поверхности лучеобразующей антенны.
14. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем антенна ГНСС располагается в верхней части лучеобразующей антенны.
15. Совмещенная антенна по п. 14, причем антенна ГНСС располагается в самой верхней части лучеобразующей антенны.
16. Совмещенная антенна по любому из пп. 1-3, причем обе антенны - антенна ГНСС и лучеобразующая антенна - заключены в корпус.
17. Совмещенная антенна по п. 16, причем обе антенны - как антенна ГНСС, так и лучеобразующая антенна - снабжены отдельным сигнальным соединителем внутри корпуса.
18. Совмещенная антенна по п. 17, причем каждая из антенн - и антенна ГНСС, и лучеобразующая антенна - связаны с приемником антенны через соответствующие РЧ-соединители.
19. Совмещенная антенна по п. 18, причем приемник антенны представляет собой общий приемник антенны ГНСС и лучеобразующей антенны для определения местоположения, который обрабатывает сигналы с одной из антенн - антенны ГНСС или лучеобразующей антенны - или с обеих этих антенн для определения своего местоположения.
20. Способ определения расчетного местоположения совмещенной антенны, соединенной с приемником, причем способ включает в себя следующие стадии:
определение доступности глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) для взаимодействия с приемником;
прием сигнала ГНСС с глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с использованием антенны ГНСС совмещенной антенны, если выявлена доступность системы ГНСС;
определение доступности наземной системы позиционирования для взаимодействия с приемником;
прием наземного сигнала с наземной системы позиционирования с использованием лучеобразующей антенны, совмещенной с антенной ГНСС, если выявлена доступность наземной системы позиционирования;
обработка сигнала ГНСС, если выявлена его доступность, и наземного сигнала, если выявлена его доступность для приемника; и
определение расчетного местоположения совмещенной антенны с использованием сигнала ГНСС, если выявлена его доступность, и с использованием наземного сигнала, если выявлена его доступность.
21. Способ по п. 20, причем стадия обработки сигнала ГНСС, если выявлена его доступность, и наземного сигнала, если выявлена его доступность для приемника, дополнительно включает в себя стадию компенсации смещения между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны.
22. Способ по п. 21, причем лучеобразующая антенна предоставляет данные об ориентации лучеобразующей антенны, а стадия компенсации смещения между фазовым центром антенны ГНСС и фазовым центром лучеобразующей антенны предполагает использование указанных данных об ориентации.
