Экраны для уменьшения эффекта многолучевого приема

Экраны для уменьшения эффекта многолучевого приема

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к антенной технике и, в частности, к экранам, использующимся для уменьшения эффекта приема антенной многолучевого сигнала.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) позволяют определять местоположение с высокой точностью. Современные ГНСС включают в себя американскую систему глобального позиционирования GPS и российскую ГЛОНАСС. Также в стадии разработки находятся и другие ГНСС, такие как европейская ГНСС Galileo. Приемник системы глобального позиционирования принимает и обрабатывает сигналы, переданные спутниками, расположенными в зоне прямой видимости приемника. Спутниковые сигналы представляют собой сигналы несущих частот, модулированные псевдослучайными двоичными кодами. Приемник измеряет временные задержки принятых сигналов относительно локальных эталонных часов или гетеродина. Кодовые измерения позволяют определить псевдодальности между спутниками и приемником. Псевдодальности отличаются от реальных дальностей - расстояний - между приемником и спутниками из-за наличия различного рода ошибок, а также из-за различий в шкалах времени приемника и спутников. Если приняты сигналы от достаточно большого количества спутников, измеренные псевдодальности могут быть использованы для определения координат и для согласования шкал времени в приемнике. Такой режим измерений называют автономным режимом, поскольку измерения производятся одним приемником. Автономная система обеспечивает метровую точность измерений.

[0003] Для повышения точности, стабильности и надежности измерений были разработаны системы дифференциальной навигации. В системах дифференциальной навигации местоположение определяется относительно некоторой базовой станции. Обычно базовая станция неподвижна, и ее координаты известны с высокой точностью, например, с помощью геодезических измерений. В состав базовой станции входит навигационный приемник, который принимает спутниковые сигналы и может определить координаты базовой станции с помощью ГНСС измерений.

[0004] Пользователь, местоположение которого требуется определить, может быть как неподвижным, так и мобильным. В системах дифференциальной навигации пользователь всегда считается мобильным (ровером). Ровер также содержит навигационный приемник, который принимает спутниковые сигналы. Измерения, обработанные на базовой станции, по линии связи передаются на ровер. Для обеспечения подвижности ровера линия связи обычно беспроводная. Для улучшения точности определения собственных координат ровер обрабатывает измерения, полученные с базовой станции, вместе с измерениями, полученными с помощью собственного приемника. В дифференциальном навигационном режиме повышение точности достигается тем, что ошибки, возникающие в приемнике ровера и в приемнике базовой станции, сильно коррелированы. Поскольку координаты базовой станции точно известны, измерения на базовой станции могут быть использованы для компенсации ошибок на ровере. Дифференциальная глобальная спутниковая навигационная система (ДГНСС) вычисляет позиции только на основании псевдодальностей.

[0005] Дальнейшее повышение точности определения позиции в ДГНСС может происходить за счет дополнения кодовых измерений псевдодальностей измерениями фаз несущих спутниковых сигналов. Если фазы несущих спутниковых сигналов, переданных одним и тем же спутником, измерены и навигационным приемником ровера, и навигационным приемником базы, то обработка двух наборов измерений фазы несущей может привести к улучшению точности определения позиции до долей длины волны несущей, достигнув, таким образом, величины в 1-2 см. Дифференциальную навигационную спутниковую систему, которая вычисляет позиции на основании измерений фаз несущих сигналов в реальном времени в дополнении к кодовым измерениям псевдодальностей, часто называют системой кинематики в реальном времени или RTK (Real Time Kinematic).

[0006] Различные методы обработки сигналов могут исправить некоторые ошибки и повысить точность определения позиции. Основным источником не устраненных ошибок является прием многолучевого сигнала приемной антенной. В дополнении к приему прямых сигналов от спутников антенна принимает так же сигналы, отраженные от близкорасположенных объектов. Отраженные сигналы обрабатываются вместе с прямыми и вызывают ошибки в измерениях временной задержки, а также ошибки в измерениях по фазе несущей. В свою очередь эти ошибки приводят к ошибкам в определении позиции. В частности, ошибка многолучевости может быть основным источником ошибок при определении позиции базовой станции с помощью ГНСС. Таким образом, методы и устройства, позволяющие уменьшить эффект многолучевого приема, оказываются полезными.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Антенная система для приема сигналов круговой поляризации от спутников систем спутниковой навигации включает высокоимпедансный емкостной экран (ВИЕЭ) и антенну, расположенную над ВИЕЭ. Отношение низ/верх антенны в направлении надира имеет заданное максимальное значение. Поперечные размеры ВИЕЭ выбираются из условия обеспечения заданного значения отношения низ/верх антенной системы под определенным углом возвышения, соответствующим углу возвышения низколетящих спутников. Высота установки антенны над ВИЕЭ выбирается так, чтобы обеспечить заданный минимальный уровень диаграммы направленности антенны под заданным углом.

[0008] Эти и другие преимущества изобретения будут очевидны специалисту в данной области со ссылкой на следующее подробное описание и приложенные чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] На рис. 1 показано схематическое изображение падающих и отраженных лучей.

[0010] На рис. 2 показаны графики зависимости уровней диаграммы направленности от угла возвышения.

[0011] На рис. 3 схематично показано распределение электромагнитного поля вблизи ВИЕЭ.

[0012] На рис. 4 показан график зависимости реактивной составляющей поверхностного импеданса от частоты.

[0013] На рис. 5 схематично показано затенение лучей высокоимпедансным емкостным экраном.

[0014] На рис. 6А-6С показаны графики зависимости величин F₊₁₂ и DU₁₂ от нормированной высоты антенны над ВИЕЭ.

[0015] На рис. 7А-7С показаны графики зависимости уровня диаграммы направленности от угла возвышения.

[0016] На рис. 8 показаны графики зависимостей величин F₁₂ и DU₁₂ от нормированных габаритных размеров ВИЕЭ.

[0017] На рис. 9 показаны графики зависимости уровня диаграммы направленности от угла возвышения.

[0018] На рис. 10A-10D схематично показаны плоские проводящие пластины различной формы.

[0019] На рис. 11А-11D схематично показана конструкция ВИЕЭ.

[0020] На рис. 12A-12F схематично показана антенная система с ВИЕЭ и

[0021] на рис. 13А-13С схематично показана антенная система с ВИЕЭ.

[0022] На рис. 14А-14С схематично показана конструкция штыря с увеличенным концом,

[0023] на рис. 15А-15С схематично показана конструкция штыря с увеличенным концом,

[0024] на рис. 16А-16С схематично показана конструкция штыря с увеличенным концом и

[0025] на рис. 17А-17С схематично показана конструкция штыря с увеличенным концом.

[0026] На рис. 18А-18С схематично показаны размеры различных вариантов проводящих элементов.

[0027] На рис. 19А показан график зависимости величины DU₁₂ от нормированных габаритных размеров ВИЕЭ и

[0028] на рис 19В показан график зависимости величины F₁₂ от нормированной высоты установки антенны над ВИЕЭ.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0029] На рис. 1 схематично изображена антенна 102, расположенная над поверхностью земли 104. Для упрощения рисунка поддерживающие антенну элементы не показаны. На рисунке показана декартова система координат с осями х 101 и z 105. Ось y (не показана) направлена в плоскость рисунка. На открытой местности направление +z (верх), зенит указывает в небо, а направление -z (низ), надир, - на поверхность. Плоскость х - y лежит в плоскости локального горизонта.

[0030] На рис. 1 электромагнитные волны представлены в виде лучей, падающих под углом возвышения θ^е к горизонту. Горизонту соответствует угол θ^е=0°, зениту - угол θ^е=+90°, а надиру - угол θ^е=-90°. Падающие лучи, такие как лучи 110 и 112, имеют положительный угол возвышения. Лучи, отраженные от земли 104, такие как луч 114, имеют отрицательный угол возвышения. При этом область пространства с отрицательными значениями углов возвышения называют областью многолучевого сигнала, а также задней (или нижней) полусферой. Луч 110 падает непосредственно на антенну 102 и называется прямым лучом. Угол падения прямого луча 110 по отношению к горизонту равен θ^е. Луч 112 падает непосредственно на землю 104, а его угол падения также равен θ^е. Считается, что луч 112 отражается зеркально. Луч 114, называемый отраженным лучом, падает на антенну 102. Угол падения отраженного луча 114 по отношению к горизонту равен -θ^е.

[0031] Для количественной оценки способности антенны подавлять отраженный сигнал используется следующее соотношение:

Величина DU(θ^e) (отношение низ/верх) равна отношению уровня диаграммы направленности антенны F(-θ^e) в задней полусфере к уровню диаграммы направленности антенны F(θ^e) в передней полусфере под зеркальным углом, где F представляет собой уровень по напряжению. Отношение низ/верх в дБ имеет вид:

[0032] На рис. 2 показана типичная диаграмма направленности 202 антенны глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). По горизонтальной оси 201 отложен угол возвышения θ^e в градусах. По вертикальной оси 203 отложены уровни диаграммы направленности (ДН) антенны в дБ. Максимальное значение уровня ДН достигается в направлении зенита (θ^е=+90°), уровень ДН в направлении зенита, обозначенный F_ZENITH, 211 принят равным 0 дБ. Уровень ДН в направлении надира (θ^е=-90°) обозначен как F_NADIR.

[0033] В алгоритмах определения координат обычно используется маска углов возвышения от 10 до 12 градусов: сигналы от спутников с углами возвышения меньше 10-12 градусов не включаются в обработку, поскольку эти сигналы приводят к большим ошибкам в определении координат. Однако сигналы от «низколетящих» спутников (то есть спутников, углы возвышения которых немногим больше 10-12 градусов) имеют первостепенное значение при расчете координат; они определяют коэффициент снижения точности (DOP).

[0034] Сигналы от низколетящих спутников, зеркально отраженные от подстилающей поверхности, приходят под углом возвышения примерно от -10 до -12 градусов. Идеальная ГНСС антенна в этом случае имела бы диаграмму направленности, показанную на графике 204. Уровень ДН является константой (0 дБ) от зенита до углов возвышения примерно 10-12 градусов. На углах, меньших 10-12 градусов, - резкий спад до минус бесконечности. Этот спад позволяет подавлять прием всех отраженных сигналов. Однако реализация такой ступенчатой диаграммы направленности потребовала бы антенны бесконечного большого размера.

[0035] График 202 на рис. 2 показывает пример практически реализуемой диаграммы направленности. В дополнении к зениту F_ZENITH 211 и надиру F_NADIR 213 на рис. 2 обозначены F₊₁₂ 221 - уровень ДН (в дБ) при θ^е=+12° и F_-12 223 - уровень (в дБ) ДН при θ^е=-12°. Уровень ДН F₊₁₂ 221 характеризует способность ГНСС антенны принимать сигналы от низколетящих спутников. Согласно вышесказанному желательно, чтобы величина F₊₁₂ была максимально возможной (то есть стремилась к 0 дБ). Обычно при уменьшении угла возвышения от +12 градусов к надиру уровень ДН уменьшается. Величина F_-12 может грубо характеризовать способность ГНСС антенны подавлять многолучевые сигналы. Из сказанного выше желательно, чтобы величина F_-12 была как можно меньше (то есть стремилась к минус бесконечности). Таким образом, желательно, чтобы по мере уменьшения угла возвышения от примерно +(10…12) градусов до примерно -(10…12) градусов уровень ДН уменьшался как можно резче (то есть чтобы перепад стремился к минус бесконечности).

[0036] Как обсуждалось выше, для системы дифференциальной навигации важна высокая точность определения позиции базовой станции с помощью ГНСС. В качестве базовой станции обычно используется антенна типа чок-ринг (см., например, J.M. Tranquilla, et al., «Analysis of a Choke Ring Groundplane for Multipath Control in Global Positioning System (GPS) Applications», IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Вып. 42, №7, стр. 905-911, июль 1994). Антенна типа чок-ринг включает антенный элемент, который устанавливается непосредственно на экран типа чок-ринг. Типичные значения уровней ДН для антенны типа чок-ринг: F₊₁₂=-13 дБ, F_-12=-20 дБ и F_NADIR=-25 дБ … -30 дБ. Использование типичной антенны типа чок-ринг позволяет достигнуть точности позиционирования в ±1 см.

[0037] Хотя ГНСС антенны используются в режиме приема, стандартная практика антенной техники требует анализа свойств антенны в режиме передачи. В соответствии с известной теоремой взаимности характеристики антенны в режиме передачи соответствуют характеристикам антенны в режиме приема.

[0038] Здесь считается, что, будучи заданы, геометрические требования выполняются, если они выполняются с заданной (например, антенным инженером) погрешностью. При задании погрешности принимаются во внимание практические возможности производства и компромисс между производственными затратами и приемлемыми характеристиками. Например, две длины одинаковы, если они одинаковы в пределах заданной погрешности; две оси ортогональны друг другу, если угол между ними составляет 90 градусов +/- заданная погрешность.

[0039] В соответствии с изобретением антенная система использует высокоимпедансный емкостной экран (ВИЕЭ). Сначала описывается теоретическое обоснование ВИЕЭ. На рис. 3 схематично показаны граничные условия. Излучатель 302 (например, антенна) расположен на верхней поверхности проводящего экрана 310. Граничная поверхность 330, изображенная пунктирной линией, разделяет две среды: воздух 320 и проводящий экран 310. Показана нормаль 301 n → 0 , перпендикулярная к граничной поверхности 330. Граничные условия для импеданса выглядят следующим образом:

где E → τ - касательная составляющая электрического поля, H → τ - касательная составляющая магнитного поля, Z_S - поверхностный импеданс.

[0040] Есть два граничных случая: Z_S=0 называют условием короткого замыкания, a Z_S→∞ - условием холостого хода. Условие короткого замыкания Z_S=0 выполняется строго, если поверхность проводящего экрана идеально плоская и если проводящий экран выполнен из идеально проводящего проводника с нулевым сопротивлением. На практике хорошими приближениями к плоскому проводящему экрану являются экраны, выполненные из таких проводников, как медь или алюминий. Для удовлетворения условию холостого хода Z_S→∞ проводящий экран содержит частый набор (сетку) проводящих элементов, который будет описан ниже. «Частый» означает, что расстояние между проводящими элементами мало по сравнению с длиной волны электромагнитного излучения, принимаемого или передаваемого антенной.

[0041] Антенны разработаны для работы в определенном частотном диапазоне. Для условия короткого замыкания Z_S=0 конфигурация проводящего экрана не зависит от частоты. Однако для условия холостого хода Z_S→∞ конфигурация проводящего экрана частотно зависима. Строго говоря, условие холостого хода Z_S→∞ выполняется только на резонансной частоте набора проводящих элементов.

[0042] Для приложений, представляющих интерес, Z_S почти полностью реактивно. То есть активная (резистивная) часть импеданса мала. Малая (в идеале равная нулю) активная часть желательна по двум причинам. Во-первых, наличие активной части приводит к нежелательной потери мощности сигнала. Во-вторых, резонанс, требующий высоких значений Z_S для получения желаемого условия холостого хода, трудно реализуем в случае, если активная составляющая Z_S значительна.

[0043] Типичная частотная зависимость чисто реактивной составляющей Z_S на частотах, близких к резонансной, схематично показана на рис. 4. По горизонтальной оси 401 отложена частота, а по вертикальной оси 403 - реактивная составляющая Z_S. Резонансная частота отмечена вертикальной пунктирной линией 411. На резонансной частоте выполняется условие холостого хода Z→∞. На частотах ниже резонансной импеданс имеет индуктивный характер с положительной составляющей Z_S (кривая 410), а на частотах выше резонансной импеданс имеет емкостной характер с отрицательной составляющей Z_S (кривая 412). Индуктивная составляющая Z_S в данном случае недопустима, поскольку индуктивный импеданс приводит к возбуждению поверхностной волны, которая нарушает требуемый режим работы проводящего экрана.

[0044] В процессе производства неизбежны незначительные отклонения в конструкции проводящего экрана. Эти отклонения могут вызвать незначительное смещение резонансной частоты вверх, и Z_S в некоторых случаях может стать индуктивной в интересующем диапазоне частот. Как обсуждалось выше, индуктивная составляющая Z_S недопустима. Таким образом, на практике конструкция экрана выполняется так, чтобы величина Z_S была максимально возможно большой, обеспечивая тем самым значение резонансной частоты строго ниже рабочего диапазона.

[0045] Для описываемых вариантов конструкции предпочтительным является использование высокоимпедансного емкостного экрана. То есть реактивная составляющая Z_S имеет емкостной характер, и условие холостого хода на резонансной частоте Z_S→∞ выполняется настолько строго, насколько это практически реализуемо. Далее обсуждаются причины, по которым требуется ВИЕЭ. Следуя обычной практике, применяемой в антенной технике, вместо фактически трехмерной задачи рассматривается двумерная. При этом анализ упрощается, а основные результаты, касающиеся характеристик антенны, приблизительно совпадают с результатами решения трехмерной задачи. Представим двумерную задачу для конструкции, показанной на рис. 3. Если выполняется условие короткого замыкания Z_S=0, тогда электрический ток j → S , текущий по поверхности проводящего экрана, затухает как

где j_S - амплитуда j → S ; |x| - расстояние от источника (расположенного в х=0) [см. рис. 3], a k=2π/λ, где k - волновое число, а λ - интересующая длина волны.

[0046] Однако в случае высокоимпедансной Z_S электрическое и магнитное поля вдоль граничной поверхности затухают как

и

Эти величины затухают намного быстрее, чем величина в (Е4). Выражения (Е5А) и (Е5В) показывают также, что Е_τ и Н_τ обратно пропорциональны Z_S. To есть по мере увеличения Z_S поля затухают быстрее. Быстрое затухание полей желательно по следующей причине.

[0047] Вернемся к рис. 3. Пусть антенна работает в режиме передачи. Если бы граничная поверхность 330 представляла собой высокоимпедансный емкостной экран (ВИЕЭ), то электромагнитные волны, распространяющиеся от излучателя 302, покинули бы ее быстрее, чем в случае, если бы граничная поверхность представляла собой плоский проводящий экран. На рис. 3 схематично показано распределение электромагнитного поля. Стрелки 311 показывают излучение электромагнитного поля, направленное вверх. Тонкими пунктирными линиями показано электромагнитное поле 313, распространяющееся вдоль граничной поверхности 330. Если граничная поверхность представляет собой ВИЕЭ, то по мере распространения от излучателя к краю (то есть к внешнему периметру) ВИЕЭ электромагнитное поле 313 затухает быстрее, приводя к тому, что лишь малая часть излученной мощности достигает края ВИЕЭ. Таким образом, лишь малая часть излученной мощности испытает дифракцию на краях проводящего экрана 310 и распространится в направлении ниже проводящего экрана 310. Стрелки 315 показывают электромагнитное поле, распространяющееся в направлении поверхности.

[0048] Таким образом, при использовании ВИЕЭ в режиме передачи уровни диаграммы направленности антенны в направлении вниз малы в сравнении с уровнями диаграммы направленности в направлении вверх. Соответственно, в режиме приема ВИЕЭ подавляет прием многолучевых сигналов, распространяющихся под антенной. Как обсуждалось выше, такое подавление многолучевых сигналов и является желательным. Однако в режиме передачи такое «принуждение» электромагнитных волн распространяться от излучателя к краю ВИЕЭ приводит также и к обужению диаграммы направленности в направлениях, близких к горизонту. В режиме приема это соответствует ухудшению чувствительности к сигналам от низколетящих спутников. Как обсуждалось выше, такое ухудшение является нежелательным. Таким образом, казалось бы, что ВИЕЭ непригодны для использования в ГНСС.

[0049] Согласно изобретению антенная система включает антенну, установленную над поверхностью ВИЕЭ. ВИЕЭ представляет собой проводящий экран с некоторой структурой, которая позволяет создать на проводящем экране высокоимпедансную емкостную поверхность. Анализ измерений неожиданно показывает, что при правильном выборе параметров конструкции такие антенные системы могут одновременно обеспечить как высокую степень подавления многолучевого сигнала, так и высокую чувствительность к сигналам от низколетящих спутников. Следовательно, такие антенные системы хорошо подходят для использования в ГНСС.

[0050] Как обсуждалось выше, для подавления многолучевого сигнала предпочтительным является сведение к минимуму уровня ДН F_-12. Обычный способ уменьшения уровня ДН F_-12 - это увеличение размера проводящего экрана. При этом в режиме передачи, величина излученной мощности, достигшей края проводящего экрана, уменьшается, следовательно, мощность, испытывающая дифракцию на краях экрана и, соответственно, интенсивность поля под антенной уменьшается (см. рис. 3). Однако в случае ВИЕЭ увеличение размера проводящего экрана приводит к обужению диаграммы направленности в направлениях над горизонтом, таким образом, величина F₊₁₂ уменьшается. Как сказано выше, для слежения за низколетящими спутниками требуется большое значение F₊₁₂.

[0051] Согласно изобретению в дополнении к увеличению размера ВИЕЭ увеличивается также высота установки антенны над ВИЕЭ. На рис. 5 антенна 502 установлена над ВИЕЭ 510. Ось z 105 ортогональна ВИЕЭ 510 и проходит через его геометрический центр. ВИЕЭ 510 имеет характерный поперечный размер L 511. Например, если ВИЕЭ имеет форму круга, характерный размер L - это диаметр окружности. Так же в случае если ВИЕЭ - квадрат, то размер L представляет собой длину стороны квадрата. В общем случае форма ВИЕЭ может быть любой.

[0052] Высота установки антенны 502 над ВИЕЭ 510 обозначена как h 513 (высота отсчитывается по оси z). Стрелками 501 показано электромагнитное поле, излучаемое антенной 502 (в режиме передачи). В области ниже горизонта сигналы, распространяющиеся под углами, большими θ_sh 523, затенены ВИЕЭ 510. Угол затенения θ_sh 523 ограничен границей тени 521, которая определяется лучами, проходящими от антенны 502 к периметру ВИЕЭ 510.

[0053] По мере увеличения высоты h диаграмма направленности антенны расширяется, то есть значение F₊₁₂ увеличивается (качество приема сигналов от низколетящих спутников улучшается). Однако по мере увеличения h угол затенения θ_sh также увеличивается, то есть значение F_-12 увеличивается (подавление отраженного от поверхности сигнала ухудшается). Как было сказано выше, способность антенны подавлять прием многолучевого сигнала характеризуется отношением низ/верх DU(θ^e). Одним из показателей качества работы антенны является отношение низ/верх под углом θ^е=12°:

Выражение (Е6) приведено в относительных единицах. Или в дБ, из (Е2):

Как обсуждалось выше, для максимизации подавления многолучевых сигналов величина DU₁₂ должна быть минимизирована.

[0054] На рис. 6А-6С показаны графики зависимостей DU₁₂ и F₊₁₂ от h для различных значений L, являющиеся результатами математического моделирования. На рисунках по горизонтальной оси отложена нормированная высота (h/λ), где λ - длина волны электромагнитного поля, принятого или излученного антенной. В случае когда антенная система спроектирована для работы в определенной полосе частот (полоса частот определена от низшей частоты до высшей), значение λ соответствует длине волны нижней частоты указанной полосы частот, то есть наибольшей рабочей длине волны. По вертикальной оси отложен уровень мощности в дБ. На рис. 6А-6С показаны графики зависимостей значения DU₁₂ (график 602, 612 и 622 соответственно) и F₊₁₂ (график 604, 614 и 624 соответственно) от нормированной высоты на рис. 6А при L=7λ, на рис. 6В - при L=15λ, на рис. 6С - при L=30λ.

[0055] В диапазоне высот h от 0 до примерно (0.5-0.6)λ величина F₊₁₂ быстро возрастает, а величина DU₁₂ остается почти постоянной. Это соотношение сохраняется для всех трех значений L. Для надежного слежения за низколетящими спутниками достаточно, чтобы значение F₊₁₂ лежало в диапазоне от примерно -12 дБ до примерно -14 дБ. Для математического моделирования этот диапазон может быть обеспечен для значений h от примерно 0.25λ до примерно 0.6λ.

[0056] Дальнейший анализ показывает, что для постоянного значения h по мере увеличения L DU₁₂ увеличивается, тогда как величина F₊₁₂ может оставаться постоянной в диапазоне от примерно -12 дБ до примерно -14 дБ. На рис. 8 по горизонтальной оси отложен нормированный поперечный размер (L/λ). Ho вертикальной оси отложен уровень мощности в дБ. Величины DU₁₂ (802) и F₊₁₂ (804) показаны для h=0.5λ. В диапазоне L (1-30)λ величина F₊₁₂ остается внутри диапазона значений от примерно -12 дБ до примерно -14 дБ, тогда как величина DU₁₂ уменьшается по мере увеличения L. Таким образом, при сохранении приемлемого значения F₊₁₂ требуемое значение DU₁₂ может быть получено при достаточно большом значении L. Этот результат является неожиданным и может быть с пользой применен для ГНСС.

[0057] Вышеизложенный анализ проведен с учетом того, что F(θ^e) представлена как квадратный корень полной мощности. Этот анализ предполагает также, что поляризации прямого и отраженного сигнала совпадают. Однако сигналы ГНСС являются сигналами круговой поляризации, в частности правой круговой поляризации. При более детальном анализе отдельно рассматриваются ДН антенны для электрического (E) и магнитного (H) полей. На рис. 7А-7С показаны диаграммы направленности для различных конфигураций антенной системы. По горизонтальной оси отложен угол возвышения, а по вертикальной оси - уровень ДН в дБ.

[0058] На рис. 7А представлены результаты анализа для высоты установки антенны над ВИЕЭ h=0.45λ. В данном случае диаграмма направленности антенны является однородной и имеет всенаправленный характер. То есть диаграмма направленности антенны в направлении вниз (по отношению к ВИЕЭ) такая же, как диаграмма направленности в направлении вверх. График 702 показывает диаграмму направленности антенны в Е-плоскости, график 704 - диаграмму направленности в Н-плоскости. На графике 704 виден сильный провал в диаграмме направленности в Н-плоскости в диапазоне углов возвышения примерно от 40 до 50 градусов. Этот провал ухудшает поляризационные характеристики антенны круговой поляризации и приводит к неприемлемому ухудшению работоспособности антенны.

[0059] На рис. 7В показаны результаты анализа для другой антенны, расположенной также на высоте h=0.45λ. В данном варианте используется направленная антенна с отношением низ/верх в направлении надира -15 дБ. График 712 показывает диаграмму направленности в Е-плоскости, а график 714 - диаграмму направленности в Н-плоскости. В диаграмме направленности в Н-плоскости виден провал, не превышающий 5 дБ относительно уровня диаграммы направленности в Е-плоскости. В этом случае работоспособность антенны круговой поляризации не ухудшается. На практике для получения удовлетворительной работоспособности антенной системы вместе с ВИЕЭ используются антенны с отношением низ/верх -12 дБ и ниже. Поскольку многие доступные на рынке ГНСС антенны имеют требуемое отношение низ/верх, антенные системы, по варианту предложенного изобретения могут быть построены преимущественно с использованием этих доступных на рынке ГНСС антенн.

[0060] На рис. 7С представлены результаты анализа для той же направленной антенны, которая используется для получения результатов рис. 7В, но установленной на высоте 0.95λ над ВИЕЭ. Графики показывают, что происходит в случае, когда превышен интервал значений h примерно от 0.25λ до 0.6λ. График 722 показывает ДН в Е-плоскости, график 724 - ДН в Н-плоскости. В диаграммах направленности как в Е-, так и в Н-плоскости видны осцилляции над горизонтом. Эти осцилляции ухудшают работоспособность антенны. Таким образом, пределы изменения h примерно от 0.25λ до 0.6λ позволяют достигнуть подходящего диапазона изменений F₊₁₂, DU₁₂, а также гладких вариаций ДН антенны как в Е-, так и в Н-плоскости.

[0061] Для построения ВИЕЭ могут использоваться различные структуры. Некоторые структуры представляют собой наборы проводящих элементов. С точки зрения ширины рабочего диапазона частот предпочтительным является проводящий экран, в котором в качестве проводящих элементов используются проводящие штыри. На рис. 11А-11D показан ВИЕЭ, работающий во всем диапазоне частот ГНСС от 1165 МГц до 1605 МГц. На рис. 11А показана декартова система координат с осями х 101, y 103 и z 105. На рис. 11В показан вид сверху (Вид А) ВИЕЭ 1100. На рис. 11C показана перспектива (Вид Р) фрагмента ВИЕЭ. На рис. 11D показано сечение (Вид Х-Х′) фрагмента ВИЕЭ.

[0062] ВИЕЭ 1100 включает плоскую проводящую пластину 1102 и набор проводящих штырей 1104, гальванически соединенных с проводящей пластиной 1102. На рис. 11C показан увеличенный вид фрагмента набора проводящих штырей. Согласно рис. 11В плоская проводящая пластина 1102 имеет форму круга с диаметром L 1101. Набор проводящих штырей представляет собой массив элементов, в котором расстояние между штырями по оси х равно s 1113, а расстояние между штырями по оси y равно s 1115. Согласно рис. 11D плоская проводящая пластина имеет толщину (высоту) Т 1105. Проводящие штыри 1104 перпендикулярны плоскости проводящей пластины 1102. Каждый проводящий штырь имеет цилиндрическую форму, диаметр d 1121 и длину (высоту) t 1123. Высокоимпедансная емкостная поверхность 1151, показанная пунктирной линией, проходит по верхней части набора проводящих штырей 1104.

[0063] В представленном варианте конструкции величина расстояния s меняется в пределах примерно от 0.2λ до 0.4λ. Максимальное значение диаметра d приблизительно равно одной восьмой указанного расстояния s. Для диапазона частот ГНСС это означает, что величина d может лежать в диапазоне от 4 мм до 8 мм. Штыри могут представлять собой винты, вкрученные в плоскую проводящую пластину 1102. Поскольку при длине (высоте) штыря, равной четверти длины волны, возникает резонанс, то величина t должна быть немного больше чем 0.25λ, например, лежать в пределах 0.255λ до 0.260λ. На частоте 1159 МГц это соответствует диапазону значений от 66 мм до 68 мм.

[0064] Плоская проводящая пластина может иметь различную геометрическую форму. На рис. 10A-10D показано несколько примеров. Плоскость рисунков - это плоскость х-y, перпендикулярная оси z. На рис. 10А изображена плоская проводящая пластина 1002 квадратной формы, на рис. 10B - пластина 1004, имеющая форму шестиугольника, на рис. 10С изображена круглая пластина 1006, а на рис. 10D - плоская проводящая пластина 1008 восьмиугольной формы. Для использования в ГНСС плоская проводящая пластина должна быть симметрична относительно оси z и, таким образом, может быть иметь форму круга или правильного многоугольника. Для других приложений, в которых не требуется аксиальная симметрия, могут использоваться пластины другой формы, например эллиптической, прямоугольной или формы неправильного многоугольника.

[0065] При соответствующем масштабировании размеров в зависимости от длины волны λ варианты конструкции ВИЕЭ могут быть настроены на различные частоты. В приведенном варианте конструкции рабочая частота антенной системы равна 5700 МГц, что соответствует длине волны λ 5.26 см. Плоская проводящая пластина имеет форму круга, а набор проводящих элементов выполнен в виде массива элементов (см. рис. 11А-11D). Диаметр плоской проводящей пластины составляет примерно 13.5λ (71 см). Расстояние s между соседними проводящими штырями составляет около 0.2λ (1.1 см), а их длина составляет около 0.3λ (1.6 см). Высота установки антенны над высокоимпедансной проводящей поверхностью, проходящей через концы штырей, лежит в диапазоне примерно от 0.1λ (0.53 см) до 0.5λ (2.6 см). Расположение антенны над ВИЕЭ такое же, как показанное на рис. 12Е. Используется микрополосковая антенна с собственным проводящим экраном размера λ/2 (обсуждение ниже). Указанная микрополосковая антенна имеет отношение низ/верх в направлении надира, равное -15 дБ.

[0066] На рис. 9 показаны графики измеренных диаграмм направленности (нормированные суммарные плотности потока мощности) для различных значений h. По горизонтальной оси отложен угол возвышения в градусах, а по вертикальной оси - уровень ДН в дБ. Графики 902, 904, 906 и 908 показывают уровни ДН для h=(0.1, 0.3, 0.4, 0.5)λ соответственно. Из графиков видно, что при h≥0.3λ F₊₁₂ лежит в диапазоне примерно от -11 дБ до -9 дБ, a F_-12 лежит в диапазоне примерно от -35 дБ до -40 дБ; DU₁₂ меньше -20 дБ, a F_NADIR меньше -40 дБ.

[0067] Согласно инженерным принципам разработки антенн, если размеры антенны масштабируются относительно длины волны, то основные рабочие характеристики остаются по существу одинаковыми. Таким образом, описанная выше антенная система, работающая на частоте 5700 МГц, может быть масштабирована для ГНСС при сохранении по существу одинаковых величин F₊₁₂, F_-12, DU₁₂ и F_NADIR. Частоте ГНСС 1170 МГц соответствует длина волны λ=26.5 см. Диаметр ВИЕЭ равен 12λ=3.1 м, длина штыря равна 0.26λ=6.7 см, а высота установки антенны над концами штырей составляет 0.3λ=7.7 см.

[0068] Таким образом, согласно вариантам конструкции изобретения рабочие характеристики антенной системы значительно превосходят соответствующие характеристики обычной антенны типа чок-ринг: одновременно достигнуто как лучшее подавление многолучевости, так и лучшее слежение за низколетящими спутниками. Улучшение подавления многолучевости приводит к улучшению точности позиционирования, которая при этом составляет около ±1 мм, то есть на порядок лучшей по сравнению с точностью, достигаемой обычными антеннами типа чок-ринг (около ±1 см).

[0069] На рис. 12А, 12F показаны размеры антенной системы 1200. На рис. 12А показана декартова система координат с осями x 101, y 103 и z 105. На рис. 12В показан вид сверху (Вид А) на антенную систему 1200. На рис. 12С показан перспективный вид (Вид Р) фрагмента ВИЕЭ 1206. На рис 12D показан вид сбоку (Вид В) на антенную системы 1200. На рис. 12Е показаны размеры антенной системы 1200.

[0070] Согласно рис. 12В и 12D антенная система 1200 включает ВИЕЭ 1206 и антенну 1216, установленную над ВИЕЭ 1206 на антенной стойке 1220. ВИЕЭ 1206 установлен на опорной раме (не показана), которая обеспечивает ориентацию ВИЕЭ 1206 вдоль требуемого направления. ВИЕЭ 1206 включает плоскую проводящую пластину 1202 и набор проводящих штырей 1204. Плоская проводящая пластина 1202 имеет круглую фор