Разработка и исследование методов и средств измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, кандидат наук Баженов, Николай Рудольфович

• Баженов, Николай Рудольфович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Баженов, Николай Рудольфович

Содержание

Введение

Глава 1 Состояние современной техники измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя

1.1 Влияние характеристик антенн навигационной аппаратуры потребителя при выполнении координатно-временных измерений

1.2 Сравнительный анализ методов измерения фазового центра антенны

1.3 Сравнительный анализ методов измерений задержки сигнала в антенне навигационной аппаратуры потребителя

Глава 2 Теоретические предпосылки создания исходных эталонов фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя

2.1 Анализ поля излучающей системы при измерении фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя

2.2 Обоснование метода измерения положения фазового центра антенны в дальней зоне

2.3 Выбор метода воспроизведения группового времени запаздывания в антенне

2.4 Оценка достижимой в безэховых камерах точности измерений фазовых параметров антенн

Глава 3 Методы уменьшения погрешностей, возникающих при измерениях фазовых параметров антенн в безэховой камере

3.1 Исследование поля излучающей антенны для обоснования размеров рабочей зоны

3.2 Исследование поля антенн навигационной аппаратуры потребителя в условиях безэховой камеры

3.3 Разработка метода уменьшения влияния остаточных отражений в безэховой камере на точность измерения группового времени запаздывания в антенне

Глава 4 Разработка эталонных мер задержки для воспроизведения группового времени запаздывания в антенне

4.1 Обоснование применимости биконической антенны в качестве эталонной меры задержки

4.2 Разработка модели биконической антенны с симметрирующим устройством для расчета группового времени запаздывания

4.3 Оценка погрешности воспроизведения единицы группового времени запаздывания эталонными мерами задержки

Глава 5 Исследование метрологических характеристик исходных эталонов фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя

5.1 Обоснование структуры и принцип работы эталонов

5.2 Оценка погрешности воспроизведения координат фазового центра

5.3 Оценка погрешности воспроизведения угла сдвига фаз при измерении фазовой диаграммы антенны

5.4 Оценка точности измерения координат фазового центра антенны и изменений его положения в зависимости от угла места и азимута

5.5 Оценка погрешности воспроизведения группового времени запаздывания в спиральных антеннах методом трех антенн

5.6 Сравнение метода эталонного поля и метода эталонной антенны для оценки погрешности передачи группового времени запаздывания в антенне

5.7 Оценка точности измерений группового времени запаздывания в антеннах навигационной аппаратуры потребителя

Заключение

Список литературы

136

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов и средств измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя»

Введение

В рамках развития глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС существует необходимость в повышении точности навигационной аппаратуры потребителя (НАП), предназначенной для определения местоположения и выдачи потребителю точного времени. Неотъемлемой частью такой аппаратуры является приемная антенна, параметры которой и исследуются в диссертационной работе.

Глобальные навигационные спутниковые системы относятся к радиодальномерным системам. Определение координат потребителя проводятся по измерениям псевдодальностей через временные интервалы от момента излучения до момента приема навигационного сигнала между навигационными космическими аппаратами и потребителем [1, 2]. Поскольку измеряются псевдодальности в разных направлениях приема навигационных сигналов, то приемная антенна должна представляться в виде точки. В идеальном случае это центр сферы, образованной эквифазной поверхностью, называемый фазовым центром антенны [3]. В действительности же фазовая диаграмма антенны отличается от идеальной диаграммы, а фазовый центр смещен относительно физической точки, к которой возможна привязка координат потребителя, что приводит к погрешности измерения дальности до нескольких сантиметров и более [4, 5].

В качестве координат навигационных космических аппаратов используются координаты их центров масс. При измерениях также учитывается смещение фазового центра антенны навигационного космического аппарата относительно центра масс, которое нормируется в секторе углов излучения, покрывающем поверхность Земли и околоземное пространство до 2000 км. Точность определения координат навигационных космических аппаратов

составляет несколько десятков сантиметров, поэтому требования к точности измерений положения фазового центра их антенн ниже, чем у антенн навигационной аппаратуры потребителя, когда возможна точная привязка координат потребителя к поверхности Земли. Такая задача возникает при обеспечении миллиметровой точности относительных измерений в геодезии [6], в этом случае исключаются источники погрешности, связанные с сегментом навигационных космических аппаратов. Высокая точность позиционирования также возможна при выполнении абсолютных измерений с учетом точной информации о положении навигационных космических аппаратов и их бортовых шкалах времени [7, 8, 9].

Высокая стабильность бортовых шкал времени навигационных космических аппаратов обеспечила возможность передачи точного времени потребителю глобальных навигационных спутниковых систем [10, 11, 12]. Для получения точного времени необходимо зафиксировать момент прохождения навигационного сигнала через фазовый центр антенны потребителя. Поскольку это физически невозможно, то возникает необходимость в оценке дополнительного параметра - временной задержки в антенне, которая определяется, как групповое время запаздывания между фазовым центром и выходом антенны. Для случая кодового разделения сигналов GPS в каждом из диапазонов частот временная задержка в антенне одинакова для всех навигационных космических аппаратов с точностью до ее угловой зависимости, которая достигает 1-2 нс [13] и нивелируется при длительных измерениях. Для частотного разделения сигналов в ГЛОНАСС в антенне возникает неравномерность задержки от частоты из-за применения полосовых фильтров, усилителей и других частотно-зависимых элементов. В результате навигационные сигналы ГЛОНАСС на разных несущих частотах при прохождении через антенну имеют различные значения временной задержки, что приводит к дополнительной погрешности определения координат и точного

времени. Неравномерность задержки в прецизионных антеннах составляет около 1 нс (или порядка 0,3 м в пересчете в псевдодальность), в антеннах общего применения может достигать до 10 нс (или порядка 3 м в пересчете в псевдодальность). Кроме оценки относительной межчастотной задержки в антенне, существует необходимость и в определении ее абсолютных значений, которые напрямую влияют на точность передачи времени потребителю [14].

В 90-х годах прошлого столетия по сигналам ГЛОНАСС обеспечивалась точность определения местоположения потребителей на уровне десятков метров и времени на уровне 1 мкс, поэтому данными характеристиками антенны можно было пренебречь. В стандартах [15, 16], относящихся к глобальной навигационной спутниковой системе и в терминах, связанных с понятием дальности, не была определена точка в системе координат антенны, которая принимается за координаты потребителя при решении навигационной задачи. В соответствии с требованиями федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы» к 2020 году должна обеспечиваться точность определения местоположения на уровне 0,5 м (в части эквивалентной точности определения псевдодальности до навигационного космического аппарата) и времени на уровне 4 нс. Для таких показателей точности необходимо, чтобы инструментальная погрешность НАП была пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью ГЛОНАСС. Уменьшение инструментальной погрешности НАП возможно в том числе за счет введения поправок на положение фазового центра и задержку в антенне при определении местоположения [17, 18] и при передаче точного времени потребителю [14, 19, 20, 21]. Текущие требования к точности калибровки антенны по временной задержке составляют 0,2 нс в диапазоне углов приема сигналов навигационных космических аппаратов. Погрешность определения координат фазового центра в соответствии с такими требованиями должна быть не более 5 мм (эквивалентно временной задержке порядка 17 пс).

Поэтому целью работы является обеспечение требуемого уровня точности измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС.

Существующие Государственные эталоны величин обеспечивают измерения угла сдвига фаз и группового времени запаздывания на сверхвысоких частотах только в коаксиальных и волноводных трактах, тогда как измерения параметров антенн должны проводиться в условиях свободного пространства. Методы измерений положения фазового центра антенн были рассмотрены в работах Бородулина А.А., Захарьева Л.Н, Цейтлина Н.М., Миляева П.В. [22, 23, 24, 25] и были реализованы в различных измерительных комплексах, при этом оценка погрешности измерений положения фазового центра антенн НАП и задержки в антенне на уровне исходных эталонов ранее не проводилась.

В работах зарубежных авторов Bartels G.A., Zeimetz P., Gorres B., Meertens. C. [4, 26, 27, 28] показаны влияющие на точность калибровки антенны по фазовому центру антенны факторы, а выводы о точности основываются на сходимости результатов измерений в безэховой камере с результатами измерений по реальным сигналам навигационных космических аппаратов в системе GPS в пределах 2-3 мм. При этом полный анализ погрешностей, в том числе систематической погрешности, измерений положения фазового центра ранее не проводился. Калибровка антенн GPS по абсолютной временной задержке в лаборатории CNES (Франция) совместно с BIPM и лаборатории NRL (США) осуществляется в безэховых камерах с точностью 0,4 - 0,9 нс [29]. При этом калибровка проводится только в направлении вертикальной оси симметрии антенны, тогда как задержка в антенне имеет угловую зависимость и существует необходимость в ее оценке. В лаборатории NPL (Великобритания) проводились измерения угловой зависимости задержки, но при оценке точности измерений не учтено

увеличение влияния отражений в безэховой камере в диапазоне углов места [30].

Таким образом, возникает противоречие между современными требованиями к точности измерений нормируемых электрических параметров антенн НАП системы ГЛОНАСС и возможностями обеспечить данные требования с применением существующих Государственных эталонов величин и методов измерений, что подтверждает актуальность научной задачи по разработке и исследованию исходных эталонов и методов уменьшения погрешности измерений фазовых параметров антенн НАП.

Для ее решения в диссертации были поставлены и решены следующие частные научные задачи:

1. Разработка и исследование методов воспроизведения единицы группового времени запаздывания в эталонных антеннах.

2. Разработка методов оценки погрешностей, возникающих при проведении измерений фазовых параметров антенн в условиях безэховой камеры.

3. Разработка методов уменьшения погрешности передачи единицы группового времени запаздывания в антенне.

4. Оценка итоговой точности калибровки антенн навигационной аппаратуры потребителя по положению фазового центра и групповому времени запаздывания.

Объектом исследований является комплекс для измерения фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя в безэховой камере ФГУП «ВНИИФТРИ».

Предметом исследований являются методы измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя в безэховой камере.

Положения, выносимые на защиту:

1. Получены уравнения для численной оценки погрешности измерений фазовой диаграммы антенны и группового времени запаздывания в антенне в диапазоне углов места из-за влияния отражений в безэховой камере за счет установленной связи между погрешностью измерений и коэффициентом безэховости, учитывающей амплитудную диаграмму направленности антенны.

2. Определение фазовой диаграммы антенны путем измерений в рабочей зоне с нормированной неоднородностью поля для уменьшения влияния кривизны волнового фронта и влияния отражений в безэховой камере обеспечивает измерение положения фазового центра антенны навигационной аппаратуры потребителя с расширенной неопределенностью 2,1 мм.

3. Эталонные меры задержки, номинальные значения которых рассчитаны на основе разработанной математической модели биконической антенны с симметрирующим устройством, позволяют воспроизводить единицу группового времени запаздывания в антенне на частотах ГЛОНАСС с неисключенной систематической погрешностью не более 0,08 нс.

4. Разработанный метод уменьшения влияния отражений в безэховой камере за счет линейной аппроксимации зависимости временной задержки от расстояния между антеннами позволяет достичь расширенной неопределенности измерений группового времени запаздывания в антеннах навигационной аппаратуры потребителя в диапазоне углов места не более 0,2 нс.

Научная новизна полученных в работе результатов:

1. Впервые для навигационной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС проведена оценка положения фазового центра антенны и группового времени запаздывания в антенне с обеспечением метрологической прослеживаемости измерений к Государственным первичным эталонам единиц величин.

2. Впервые разработан расчетный метод оценки погрешности измерений фазовой диаграммы антенны и группового времени запаздывания в антенне навигационной аппаратуры потребителя из-за отражений в безэховой камере через коэффициент безэховости, которым нормируется уровень остаточных отражений и амплитудную диаграмму направленности антенны.

3. Для оценки неисключенной систематической погрешности измерений группового времени запаздывания в антеннах навигационной аппаратуры потребителя впервые разработаны эталонные меры задержки, номинальные значения которых рассчитаны для идеальных условий свободного пространства.

4. Обосновано применение метода уменьшения влияния отражений в безэховой камере путем линейной аппроксимации группового времени запаздывания в выбранном с учетом периодов интерференции диапазоне расстояний между антеннами, который по сравнению с измерением задержки при фиксированном расстоянии позволил повысить точность измерений более чем в 6 раз.

Методы исследований. В диссертации применены теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования проведены на основе электродинамического расчета, теории цепей, математического анализа, математической статистики, математического моделирования и теории антенн. Экспериментальные исследования проведены на базе безэховой камеры ФГУП «ВНИИФТРИ».

Достоверность результатов подтверждается применением при экспериментальных исследованиях аттестованных эталонов и средств измерений утвержденного типа, использованием двух независимых методов воспроизведения группового времени запаздывания в антенне (метод трех антенн и расчетные эталонные меры). Полученные экспериментальные результаты соответствуют предварительно проведенным теоретическим исследованиям.

Практическая значимость результатов исследований заключается в обеспечении единства измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС за счет созданных Государственных исходных эталонов и разработанных методик калибровки. Это обеспечило возможность измерений абсолютных значений координат фазового центра и группового времени запаздывания в антеннах с требуемой точностью. Полученные результаты обеспечивают уменьшение инструментальной погрешности навигационной аппаратуры потребителя для повышения точности определения местоположения и передачи точного времени потребителю по сигналам ГЛОНАСС.

Основные положения и результаты работы внедрены при:

- разработке Государственного эталона единиц угла сдвига фаз в диапазоне значений от 0° до 360° в антенне и координат электрического (фазового) центра антенны в диапазоне значений от 0 до 170 мм в диапазоне частот от 1,1 до 1,7 ГГц (регистрационный номер эталона 3.1.77Т.0212.2016);

- разработке Государственного эталона единицы группового времени запаздывания в диапазоне значений от 0,1 до 1000 нс в антеннах навигационной аппаратуры потребителя в диапазоне частот от 1,1 до 1,7 ГГц (регистрационный номер эталона 3.1.77Т.0211.2016);

- разработке методик калибровки антенн навигационной аппаратуры потребителя по координатам электрического центра антенны и групповому времени запаздывания в антенне МК 08-40-2015 и МК 08-41-2015;

- разработке ГОСТ Р 8.773-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Антенны навигационной аппаратуры потребителей глобальной навигационной спутниковой системы. Нормируемые электрические параметры и методы их измерений»;

- разработке комплекса для измерения параметров антенно-фидерных устройств КИП АФУ МГФК.411711.142 при выполнении составной части ОКР

«Метрология-2016», аппаратно-программных средств калибровки измерительных средств с использованием имитатора навигационного сигнала АПС КИНС МГФК.411711.192 при выполнении составной части ОКР «Сантиметр-В», финансируемых в рамках федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2011 г.), научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов «Метрология в XXI веке» (ФГУП «ВНИИФТРИ» 2014 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Метрология в радиоэлектронике» (п. Менделеево, 2014, 2016 г.г.), международной конференции прецизионных электромагнитных измерений (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2014). Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах молодых ученых и аспирантов ФГУП «ВНИИФТРИ».

Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий и в 7 докладах на научно-технических конференциях.

Глава 1 Состояние современной техники измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя

Необходимым условием для повышения точности выполнения координатно-временных измерений с использованием навигационной аппаратуры потребителя является учет фазовых и временных поправок антенно-фидерных устройств. При этом точность координатно-временных измерений обусловлена точностью определения этих поправок. В главе проведен обзор состояния современной техники измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя.

1.1 Влияние характеристик антенн навигационной аппаратуры потребителя при выполнении координатно-временных измерений

При выполнении координатно-временных измерений решается навигационная задача, путем проведения измерений расстояний (псевдодальностей) от нескольких навигационных космических аппаратов до антенны НАП радиочастотным методом (рисунок 1.1).

При проведении исследований рассмотрен опыт оценки фазовых параметров антенн НАП, используемых для измерений по сигналам GPS, из-за схожести навигационных систем и близости несущих частот ГЛОНАСС и GPS. Координатно-временные измерения разделяются на два вида: кодовые и фазовые измерения. При кодовых измерениях в системе GPS псевдодальность P(t) от i-го навигационного космического аппарата (НКА) до антенны НАП в момент времени t в соответствии с [31] представляется в виде

P (t) = p (t) + d'op6 + cdT (t) + dT (t) + d'n (t) + dHAn (t)- d (t ) + sp, (1.1)

где - геометрическое расстояние от ьго НКА до антенны НАП, м; dорб - погрешность орбиты НКА, м; с - скорость света, м/с;

dT(t) = (ЛНАП - ЖНка) - величина, описывающая смещение шкалы времени потребителя dtНАП относительно бортовой шкалы времени НКА dtНкА';

й1^ - погрешность псевдодальности из-за тропосферной задержки, м;

- погрешность псевдодальности из-за ионосферной задержки, м;

dНАП - погрешность псевдодальности из-за задержки сигнала в приемнике и антенне НАП, м;

^ - погрешность псевдодальности из-за задержки сигнала в ьм НКА, м; £1 - погрешность измерения псевдодальности, связанная с многолучевой

помехой и шумом приемника, м.

НКА 2 (х2, у2, г2)

НКА 1 (х1, у1, 21)

НКА 3 (хз, уз, гз)

НКА 4 (х4, у4, г4)

оординаты потребителя (х0, у0, г0)

Рисунок 1.1 - Решение навигационной задачи

При фазовых измерениях псевдодальность описывается выражением Ф (t) = pl (t) + dlop6 + cdT (t) + d\ (t) - dи (t) + dHAn (t) - d'(t) + + , (1.2)

где X - длина волны на несущей частоте навигационного сигнала, м;

N - целое число, характеризующее неоднозначность фазовых измерений;

slф - погрешность измерения псевдодальности, связанная с многолучевой помехой и шумом приемника, м.

Геометрическое расстояние от i-го НКА до антенны НАП определяется выражением

p' > (1.3)

где Xi, yi, Zi - известные на момент измерения координаты НКА;

x0, yo, z0 - координаты потребителя.

В результате решения системы уравнений псевдодальностей, состоящей минимум из 4 уравнений, определяются величина dT(t) и координаты потребителя x0, y0, z0 - координаты некоторой точки в пространстве. При фазовых измерениях эту точку в зарубежной литературе принято называть фазовым центром антенны (antenna phase center) [1, 32], при кодовых измерениях встречается термин - «code (group) phase center» [33]. Они могут не совпадать, но эти две точки расположены настолько близко, что на практике при кодовых измерениях нет необходимости в их разделении.

Под фазовым центром понимается точка, относительно которой поверхность равных фаз в волновой зоне представляет собой поверхность сферы [34]. В этом случае фазовый центр антенны - это центр сфероидальной эквифазной поверхности, а антенна обладает идеальной фазовой диаграммой и не вносит погрешности измерения псевдодальности. Антенны НАП, как правило, фазового центра в строгом понимании не имеют из-за отклонений

фазовой диаграммы от идеальной [3]. Для таких антенн может быть найдена точка, которую называют «центром излучения» или «эффективным фазовым центром» [3, 35], относительно которой эквифазная поверхность наименее отклоняется от поверхности сферы, и соответственно фазовая диаграмма наиболее близка к идеальной фазовой диаграмме (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - К определению фазового центра

В соответствии [36] эта точка стандартизована и названа «электрическим центром антенны». Координаты электрического центра связаны с базовой системой координат антенны, началом которой является физическая опорная точка антенны, совпадающая с пересечением вертикальной оси симметрии антенны и плоскостью, образованной ее посадочным местом (рисунок 1.2). В диссертационной работе, чтобы исключить путаницу в терминологии, используется термин - «фазовый центр», имея в виду электрический центр.

В диссертационной работе исследуются измерительные антенны НАП, применяемые в аппаратуре высокоточного позиционирования и высокоточного

сравнения шкал времени. Наиболее широко в такой аппаратуре применяются геодезические антенны НАП. Геодезические антенны НАП по конструкции можно разделить на антенны без дополнительного экрана для подавления многолучевой помехи и на антенны с импедансно-кольцевидным экраном плоской и объемной формы типа «choke-ring» (рисунок 1.3). При этом размеры антенн НАП, как правило, не превышают нескольких дециметров.

Рисунок 1.3 - Антенны НАП

В навигационной системе GPS модель введения поправок реализована в программном обеспечении НАП [18, 37, 38, 39], в которой учитывает как смещение фазового центра (PCO, phase center offset), так и изменение его положения в зависимости от угла места и азимута, обусловленное фазовой диаграммой, (PCV, phase center variation), по формуле

Ьг(в,ф) = dpco + dpcv=a-r0+ — - АФ(в,<р), (1.4)

где Лг(в, ф) - суммарная фазовая поправка в направлении НКА; dpco - поправка на смещение фазового центра относительно начала базовой системы координат антенны dpco =а-г0,м;

d - поправка на изменение положения фазового центра в зависимости

Я

от угла места и азимута в направлении НКА: dPCK =--ЛФ(в,ф), м;

2п

ЛФ(в,ф) - отличие фазовой диаграммы антенны от эталонной фазовой диаграммы;

а - вектор, соединяющий начало базовой системы координат антенны с фазовым центром;

г0 - единичный вектор в направлении от антенны НАЛ к НКА. Частоты в навигационных системах ГЛОНАСС и GPS расположены вблизи частот 1200 и 1600 МГц, поэтому зачастую навигационная аппаратура потребителя поддерживает обе системы для повышения надежности и улучшения точностных характеристик. В связи с этим для антенн НАП системы ГЛОНАСС предложена аналогичная модель учета фазовых поправок [36].

При выполнении координатно-временных измерений, антенна НАП устанавливается строго вертикально над точкой, координаты которой известны или должны быть измерены, при этом ось симметрии антенны направлена вверх. Поправка на смещение фазового центра выражается в координатах x, y, z в декартовой системе координат. Координата z направлена вдоль вертикальной оси симметрии антенны и в протоколе ANTEX (ANTenna EXchange), который стандартизован для навигационной аппаратуры потребителя системы GPS [38], обозначается «UP». Координата x и y направлены на Восток и Север, соответственно, и в протоколе ANTEX обозначаются «EAST» и «NORTH».

Смещение фазового центра антенна по осям х и у, как правило, незначительно, тогда как по оси z - для разных типов антенн варьируется от 50 до 170 мм.

На рисунке 1.4 представлен пример зависимости от угла места и азимута. Как правило, размах значений не превышает нескольких десятков миллиметров, а азимутальная зависимость может достигать нескольких

миллиметров. Поэтому поправка в протоколе АЫТЕХ задается в виде

угловой зависимости в диапазоне от 0 до 90° по углу места и от 0 до 360° по азимуту или только в виде зависимости от угла места.

Рисунок 1.4 - Пример поправки dpCV антенны НАП

В формулы (1.1) и (1.2) входит величина dнАп, которая связана с временной задержкой при прохождении сигнала в антенне и приемнике НАП. Временная задержка в антенне НАП формируется в антенном элементе, а также в активных и пассивных узлах антенны: малошумящем усилителе, фильтрах, квадратурных направленных ответвителях и мостах. В активных антеннах она достигает десятков наносекунд. Временная задержка в антенне НАП зависит от частоты, а также направления принимаемого навигационного сигнала (угла места и азимута НКА).

В навигационной системе GPS, когда все НКА передают сигналы на одной частоте из диапазонов L1 и L2, величина dHAn одинакова для всех НКА, за исключением угловой зависимости временной задержки в антенне НАП, которая обычно не превышает двух наносекунд [13]. Двухчастотная аппаратура применяется для исключения погрешности, связанной с временной задержкой в ионосфере. Однако значения dHAn на разных частотах отличаются, а разница между значениями ограничивает точность учета ионосферной задержки, поэтому необходимо учитывать межчастотную задержку. В навигационной системе ГЛОНАСС с частотным разделением сигналов кроме межчастотной задержки возникает межлитерная задержка внутри каждого из диапазонов частот. Межчастотная и угловая временные задержки в антенне НАП увеличивают размах значений величины dT(t), которая определяется при решении навигационной задачи одновременно с координатами потребителя. Имеется опыт учета угловой зависимости задержки сигнала в антенне (GDV -group delay variation), при котором отмечается заметное уменьшение «кодового шума» и в результате наблюдается повышение точности измерений по сигналам GPS [40]. Поскольку учет угловой зависимости задержки сигнала в антенне не всегда поддерживает программным обеспечением навигационного приемника, то в большинстве случаев для повышения точности измерений учитываются только абсолютные задержки сигнала в антенне на каждой частоте [20, 21].

1.2 Сравнительный анализ методов измерения фазового центра антенны

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баженов, Николай Рудольфович, 2017 год

Список литературы

1 Яценков, В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС [Текст] / В.С. Яценков. - М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 272 с.

2 Бакитько, Р.В. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования [Текст] / Бакитько Р.В., Булавский Н.Т., Горев А.П. [и др.]; под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. - М.: Радиотехника, 2005. - 688 с.

3 Марков, Г.Т. Антенны [Текст] / Г.Т. Макаров, Д.М.Сазонов - М.: Энергия, 1975. - 528 с.

4 Bartels, G.A. GPS-Antenna Phase Center Measurements Performed in an Anechoic Chamber [Текст] / G.A. Bartels. - Delft : Delft University Press, 1997. -64 p.

5 Menge, F. Results of Absolute Field Calibration of GPS Antenna PCV [Текст] / F. Menge, G. Seeber, C. Volksen // ION GPS-98. - Tennessee, Nashville, 1998. - P. 31-38.

6 Глобальная навигационная спутниковая система. Методы и технологии выполнения геодезических и землеустроительных работ. Метрологическое обеспечение. Основные положения [Текст]: ГОСТ Р 53606-2009. - Введ. 2011 -М.: Стандартинформ, 2010. - 12 с.

7 Chen, К. Real-Time Precise Point Positioning and Its Potential Applications [Текст] / K. Chen // Proceedings of ION GNSS 2004. - California, Long Beach, September 21-24, 2004.

8 Kouba, J. GPS Precise Point Positioning Using IGS Orbit Products [Текст] / J. Kouba, P. Heroux // GPS Solutions. - 2001.-Vol.5. - No.2. - P. 12-28.

9 Zumberge, J.F. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks [Текст] / J.F. Zumberge, M.B. Heflin, D.C.

Jefferson, M.M. Watkins, and F.H. Webb // Journal of Geophysical Research. - 1997. - Vol. 102. - P. 5005-5017.

10 Gifford, A. One Way GPS Time Transfer 2000 [Текст] / A. Gifford // 32nd Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. - 2000.

11 Levine, J. A Review of Time and Frequency Transfer Methods [Текст] / J. Levine // Metrologia. - 2008. - P. 45, 162-174.

12 Lombardi, M. A. Time and Frequency Measurements Using the Global Positioning System [Текст] / M. A. Lombardi, L. M. Nelson, A. N. Novick and V. S. Zhang // Cal Lab: The International Journal of Metrology. - 2001. - P. 3, 26-33.

13 Wubbena, G. Group Delay Antenna Calibration with the Geo++ Robot. Extension to Code Observable [Текст] / G. Wubbena, M. Schmitz, M. Propp // Poster presented at the IGS Analysis Workshop 2008. - Miami Beach, Florida, June 2-6, 2008.

14 Plumb, John Absolute Calibration of a Geodetic Time Transfer System [Текст] / John Plumb, Kristine M. Larson, Joe White, and Ed Powers // JOURNAL OF LATEX CLASS FILES. - NOVEMBER 2002. - VOL. 1. - NO. 11.

15 Глобальная навигационная спутниковая система. Параметры радионавигационного поля. Технические требования и методы испытаний [Текст]: ГОСТ 32454-2013. - Введ. 2014. - М.: Стнадартинформ, 2014. - 20 с.

16 Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения [Текст]: ГОСТ Р 52928-2010. - Введ. 2011. - М.: Стнадартинформ, 2011. - 16 с.

17 Армизонов, Н. Е. Фазовые характеристики и фазовые центры антенн навигационной аппаратуры пользователей спутниковых радионавигационных систем [Текст] / Н. Е. Армизонов, А. Г. Козлов // Радиотехника. - М.: Радиотехника, 2000. - N 5.- С.61-66

18 Rothacher, M. Combination of Antenna Phase Center Offsets and Variations. [Текст] / M. Rothacher, G. Mader // Antenna calibration set: IGS_01, International GPS Service for Geodynamics (IGS). - 1996.

19 Gerrit de Jong GLONASS/GPS Time Transfer and the Problem of Determination of Receiver Delays [Текст] / Gerrit de Jong // 29th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. - Long Beach, CA, 1997.

20 Azoubib, J. A test of the use of GLONASS precise code for high-precision time transfer [Текст] / J. Azoubib and W. Lewandowski // 30th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. - 1998. - P. 201-210.

21 Jong, G. GLONASS/GPS Time Transfer and the Problem of the Determination of Receiver Delays [Текст] / Jong, G., W. Lewandowski // Proceedings PTTI'97. - 1997. - P. 229-240.

22 Захарьев, Л.Н. Методы измерения характеристик антенн СВЧ [Текст] / Захарьев Л.Н., Леманский А.А., Турчин В.И. [и др.]; под ред. Н.М. Цейтлина. -М.: Радио и связь, 1985. - 386 с.

23 Бородулин, А.А. Определение фазового центра излучателя по методу наименьших квадратов [Текст] / А.А. Бородулин // Радиотехника. - М., 1958. -вып. 13. - с. 67 - 70.

24 Гридин, Ю.И. Метод определения фазового центра антенн [Текст] / Ю.И. Гридин [и др.] // Радиоэлектроника. - М., 1990. - т. ЗЗ, № 3.- с.43-37.

25 Пат. № 2326393, Российская Федерация, C2 Кл. G01R 29/10. Способ определения положения фазового центра антенны [Текст] / П.В. Миляев, А.П. Миляев, В.Л. Морев, И.Н. Калинин; опубл. 10.06.2008, Бюл. 16.

26 Becker, M. New Results from Anechoic Chamber Absolute Antenna Calibration, abstract number G21A-0093, 2007, AGU Fall Meeting [Текст] / M. Becker, P. Zeimetz and W. Schluter [et al.] // Preparing for Galileo. - San Francisco, CA, December 11-14, 2007.

27 Gorres, B. Absolute calibration of GPS antennas: Laboratory results and comparison with field and robot techniques [Текст] / B. Gorres, J. Campbell, M. Becker, M. Siemes // GNSS Solutions. - 2006. - DOI 10.1007/s10291-005-0015-3. -Vol.10. - P. 136-145.

28 Meertens, C., C. Alber, J. Braun, C. Rocken, B. Stephens, R. Ware, M. Exner and P. Kolesnikoff Field and anechoic chamber tests of GPS antennas [ Текст] / R. E. Neilan, P. Van Scoy, and J. F. Zumberge // IGS Workshop; 1996 IGS Analysis Center Workshop. - IGS Cent. Bur., Jet Propulsion Lab., Pasadena, Calif., 1996. -P. 107-118

29 Proia, А. Absolute calibration of GNSS time transfer systems: NRL and CNES techniques comparison [Текст] / G. Cibiel, J. White, D. Wilson, K. Senior // Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), 2011 Joint Conference of the IEEE International, 2-5 May 2011

30 Miller, Ph. The Measurement of Antenna Group Delay [Текст] / Philip Miller // The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2014 - P. 1488-1492

31 Rama Rao B., Kunyzs W., Fante R., McDonald K. GPS.NSS Antennas [Текст] / B. Rama Rao, W.Kunyzs, R. Fante, K. McDonald. - Artech House, 2013. -404 p.

32 Schupler, B.R. How Different Antennas Affect the GPS Observable [Текст] / B.R. Schupler, T.A. Clark // GPS World. - November/December 1991. -No. 10.

33 Alfred R. Lopez Calibration of LAAS Reference Antennas [Текст] / Alfred R. Lopez // ION GPS 2001. - Salt Lake City, UT, 11-14 September 2001. - P. 12091219.

34 Вольперт, А. Р. О фазовом центра антенн [Текст] / А.Р. Вольперт // Радиотехника. - М., 1961. - т.16, №3. - с. 3 - 12.

35 Турчин, В.И., Цейтлин Н.М. Амплифазометрический метод антенных измерений. Обзор [Текст] / В.И. Турчин, Н.М. Цейтлин // Радиотехника и электроника. - М., 1979. - т.24, №12. - с. 2382-2413.

36 ГСИ. Антенны навигационной аппаратуры потребителей глобальной навигационной спутниковой системы. Нормируемые электрические параметры и методы их измерений [Текст]: ГОСТ Р 8.773-2011. - Введ. 2013. - М.: Изд-во Стандартинформ, 2013. - 11 с.

37 Rolf Dach, Urs Hugentobler, Pierre Fridez, Michael Meindl Bernese GPS Software. Version 5.0 [Текст] / Rolf Dach, Urs Hugentobler, Pierre Fridez, Michael Meindl. - Astronomical Institute, University of Bern, January 2007. - 612 p.

38 ANTEX: The Antenna Exchange Format, Version 1.4 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/station/general/antex14.txt (дата обращения 22.11.2014).

39 Wübbena, G. The GPS Adjustment Software Package -GEONAP-Concepts and Models [Текст] / G. Wübbena // Proceedings of the Fifth International Symposium on Satellite Positioning. - Las Cruces, New Mexico, 1989. - P. 452-461.

40 Kersten, Tobias GNSS Group Delay Variations - Potential for Improving GNSS Based Time and Frequency Transfer [Текст] / Kersten, Tobias, Schön, Steffen // Proceedings of the 43rd Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting. - CA, Long Beach, November 2011. - P. 255-270.

41 Ямпольский, В.Г. О фазовом центре рупорных излучателей [Текст] / В.Г. Ямпольский // Антенны. - Москва: Связь, 1972. - вып. 16. - с.127-134.

42 Carter, D. Phase Centers of microwave antennas [Текст] / D. Carter // IRE Trans. Antennas and Prop. - Oct 1956. - Vol. AP-4. - P. 597-600.

43 Hu, Y.Y. A method of determining phase centers and its applications to electromagnetic horns [Текст] / Y.H. Hu // Journal of the Franklin Institute. - Jan 1961. - Vol.271. - P 31-39.

44 Гальченко, H.A. Определение фазового центра излучателей микрополосковых диаграммообразующих устройств [Текст] / H.A. Гальченко, Г.А. Гальченко, A.B. Шишкина // Автоматизированное проектирование устройств СВЧ: сб. / Москва. МИРЭА. - М., 1991. - с.103-109.

45 Hertel, T.W., Phase Center based on the three antenna method [Текст] / T.W. Hertel // IEEE Int. Symp. Of Antennas and Propag. Society. - June 22-27, 2003. -Vol. 3. - P. 816-819.

46 Tuovinen, J., Lehto, A., Raisanen, A. A novel differential phase method to measure phase pattern and phase center of a horn antenna at 110 GHz [Текст] / J. Tuovinen, A. Lehto , A. Raisanen // 1990 IEEE APS International Symposium Digest. - Dallas, Texas, 1990. - IEEE cat. no. 90CH2776-3. - P. 1302-1305.

47 Trovinen, J. Phase measurements of millimetre wave antennas at 105-190 GHz with a novel differential phase method [Текст] / J. Trovinen, A. Lehto, A. Raisanenn // Microwaves, Antennas and Propagation. - Radio Lab., Helsinki Univ. of Technol., Espoo, Finland., IEE Proceedings H 05/1991. - DOI:10.1049/ip-h-2.1991.0020.

48 Zeimetz, P. and Kuhlmann, H. Validation of the Laboratory Calibration of Geodetic Antennas based on GPS Measurements [Текст] / P. Zeimetz and H. Kuhlmann // International Federation of Surveyors. Proceedings of the FIG Congress 2010. - Sydney, 2010.

49 Zeimetz, P. and Kuhlmann, H. On the Accuracy of Absolute GNSS Antenna Calibration and the Conception of a New Anechoic Chamber [Текст] / P. Zeimetz and H. Kuhlmann // Integrating Generations. - Stockholm, Sweden, June 14-19, 2008.

50 Татарников, Д.В. Экраны антенн высокоточной геодезии по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Часть 2. Полупрозрачные экраны из композитных материалов [Текст] / Д.В. Татарников // Антенны. - М.: Радиотехника, 2008. - вып. 6. - с. 3-13.

51 Tranquilla, J.M. Analysis of a Choke Ring Groundplane for Multypath Control in Global Positioning System (GPS) [Текст] / Tranquilla J.M., J.P.Carr, H.M. Al-Rizzo // Applications IEEE Trans.- AP, 1994. - Vol.42. - No 7.

52 Wubbena, G. Absolute GNSS Antenna Calibration with a Robot: Repeatability of Phase Variations, Calibration of GLONASS and Determination of Carrier-to-Noise Pattern [Текст] / G. Wubbena, M. Schmitz, G. Boettcher, C. Schumann// Perspectives and Visions for 2010 and beyond. - IGS Workshop 2006, Darmstadt, Germany, May 8-12, 2006.

53 Bilich, A., Mader, G.L. GNSS Absolute Antenna Calibration at the National Geodetic Survey [Текст] / A. Bilich, G.L. Mader // Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2010). - Portland, OR, September 2010. - P. 1369-1377.

54 Schmitz, M. Tests of phase center variations of various GPS antennas, and some results [Текст] / M. Schmitz ,G. Wubbena, G. Boettcher // GPS Solutions 6(1-2). - 2002. - P. 18-27.

55 Mader, G. L. and MacKay, J. R. Calibration of GPS antennas, in IGS Workshop [Текст] / R. E. Neilan, P. Van Scoy, and J. F. Zumberge // 1996 IGS Analysis Center Workshop. - IGS Cent. Bur., Jet Propulsion Lab., Pasadena, Calif., 1996. - P. - 81-105

56 Rolf, D. Improved antenna phase center models for GLONASS [Текст] / Dach Rolf, Ralf Schmid, Martin Schmitz, Daniela Thaller, Stefan Schaer, Simon Lutz, Peter Steigenberger, Gerhard Wubbena, Gerhard Beutler // GPS Solution. -2011.

57 Wübbena, G. Near-field Effects on GNSS Sites: Analysis using Absolute Robot Calibrations and Procedures to Determine Corrections [Текст] / G. Wübbena, M. Schmitz, G. Boettcher // Proceedings of IGS Workshop 2006. Perspectives and Visions for 2010 and beyond. - Darmstadt, Germany, 2006.

58 Van Graas GPS Antenna Phase and Group Delay Corrections [Текст] / van Graas, Frank, Bartone, Chris, Arthur, Tom // Proceedings of the 2004 National Technical Meeting of The Institute of Navigation. - San Diego, CA, January 2004. -P. 399-408.

59 Murphy, T., P. Geren, and T. Pankaskie GPS Antenna Group Delay Variation Induced Errors in a GNSS Based Precision Approach and Landing Systems [Текст] / T. Murphy, P. Geren and T. Pankaskie // Proceedings 2007 ION GNSS Conference, 20th International Meeting of the Satellite Division. - 2007.

60 Семенов, В.А. Влияние рассогласования в линии передачи на стабильность положения амплитудных минимумов фазоманипулированного радиосигнала на оси времени [Текст] / Семенов В.А. // Метрология в XXI веке. Доклады научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов.- М. 2013. - с. 40-46.

61 Семенов, В.А. Измерение времени задержки информационного сигнала и группового времени задержки (ГВЗ) в трактах АФУ ГНСС «ГЛОНАСС» [Текст]/ Семёнов В.А., Баженов Н.Р., Колотыгин С.А. // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий. Тезисы докладов IV Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2011

62 Тищенко, В. А. Исследование поля тонкой биконической антенны в режиме генерации [Текст] / В. А. Тищенко, Токатлы В. И., Лукьянов В. И., Баженов Н. Р. // Измерительная техника. - М., 2011. - №10. - с. 43-48.

63 Тищенко, В.А. Уравнение измерения для метода двух (трех) антенн любого типа [Текст] / В.А. Тищенко, В.И. Токатлы, С.А. Колотыгин, В.И. Лукьянов // Измерительная техника. М., 2012. - № 11. - с. 33-36.

64 Майзельс, Е.Н. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей / Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. - М.: Советское радио, 1972. - 232 с.

65 Appel-Hansen, J. Reflectivity Level of Radio Anechoic Chambers [Текст] / J. Appel-Hansen // IEEE Trans. Antennas Propagat. July 1973. -Vol 21. - P/ 490-498.

66 Brian B. Tian, Free space VSWR method for anechoic chamber electromagnetic performance evaluation. MI technologies [Электронный ресурс] -режим доступа: http://www.mitechnologies.com (дата обращения 20.02.2013).

67 Баженов, Н.Р. Влияние характеристик радиобезэховых камер на погрешность измерения фазовых параметров антенн [Текст] / Н.Р. Баженов // Метрология в XXI веке. Доклады научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов. - М., 2013. - с. 28-36.

68 Соколов, И.В. Параметры измерительной биконической антенны [Текст] / И.В. Соколов // Измерительная техника. - М., 1986. - Вып. 11 - с. 51-52.

69 Бузинов, В.С. Исследование точности конструкции конусов для образцовых биконических антенн [Текст] / В.С. Бузинов, П.Е. Иванов, Н.Н. Исхакова // Исследования в области прецизионных радиотехнических измерений: сб. науч. тр. / ФГУП «ВНИИФТРИ», Москва. - М., 1987г, с. 150.

70 Тищенко, В.А. Государственный первичный эталон единицы напряженности электрического поля в диапазоне частот от 0,0003 до 1000 МГц [Текст] / В.А. Тищенко, В.И. Токатлы, В.И. Лукьянов // Измерительная техника.

- М., 2012. - вып. 9. - с. 3-7.

71 Тищенко, В.А. Поля и токи тонкой биконической антенны. Постановка задачи. Параметры антенны в режиме генерации [Текст] / В.А. Тищенко, Токатлы В.И., Лукьянов В.И. // Измерительная техника. - М., 2008. - № 1. - с. 43

- 46.

72 Schelkunoff S.A. Electromagnetic waves [Текст] / S.A. Schelkunoff. - New York : D. Van Nostrand Company, 1943. - 530 p.

73 Тищенко, В.А. Расчет входного сопротивления и действующей высоты биконической антенны с малым углом раствора [Тескт] / В.А. Тищенко, В.И. Токатлы // Исследование метрологических характеристик эталонов и

образцовых приборов в области радиоизмерений СВЧ: сб. науч. тр. - ФГУП «ВНИИФТРИ», Москва. - М., 1983. - с.60 - 67.

74 Фетисов, С.С. Разработка биконической антенны для измерения фазовых характеристик антенн, применяемых в системе ГЛОНАСС [Текст] / Фетисов С.С. // Метрология в XXI веке: доклады научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и специалистов. - М., 2013. - с.52-58.

75 Харченко, К. Симметрирующие устройства антенн / К. Харченко // Радио. - [Москва], 1966. - вып. 2. - с. 24-25.

76 Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ [Текст] / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н.Терешин. - М.: Связьиздат, 1957. - 699 с.

77 Эталоны. Способы выражения точности. [Текст]: ГОСТ 8.381-2009. -Введ. 2012. - М.: Изд-во Стандартинформ, 2011. - 18 с.

78 Olaf Ostwald Group and Phase Delay Measurements with Vector Network Analyzer ZVR. Application Note 1EZ35_1E [Электронный ресурс] - Режим доступа: www2.rohde-schwarz.com (дата обращения 24.03.2016).

79 Vector Network Analyzer Uncertainty Calculator. Версия 4.9.6.31 от 18.02.2015 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://keysight.com (дата обращения 22.03.2016).