Власники патенту RU 2279100:
Інститут сонячно-земної фізики СО РАН (RU)
Винахід відноситься до техніки антенних вимірювань і може бути використано для дослідження діаграм спрямованості (ДН) антенних систем різних радіотехнічних систем. Технічним результатом є підвищення точності, скорочення часу зняття ДН і зменшення вартості дослідження антени. Спосіб заснований на вимірюванні амплітуди сигналу точкового радиоисточника, розташованого в далекій зоні дії антени, і кутових координат джерела, при цьому в якості радіоджерел використовують кілька навігаційних штучних супутників Землі (НІСЗ) глобальних навігаційних систем GPS / ГЛОНАСС; дані про амплітуду радіосигналів НІСЗ, їх кутових координатах і псевдо до НІСЗ представлені в Інтернет в вигляді файлів у форматах RINEX; шляхом обробки RINEX-файлів формують ряди значень амплітуди радіосигналів для кожного НІСЗ в функції його кутових координат, з сукупності рядів вибирають ряди, отримані для кутів місця НІСЗ більше 10, які нормують на коефіцієнти, пропорційні псевдодальності до відповідних НІСЗ; ряди нормованих значень амплітуди для всіх НІСЗ когерентно підсумовують і усредняют. 3 мул.
Винахід відноситься до техніки антенних вимірювань.
Відомо кілька способів вимірювання діаграми спрямованості (ДН) антен [1, 2].
Один з них [2] - метод обертової антени - заснований на тому, що досліджувана антена обертається у вертикальній і горизонтальній площинах, а випромінювач нерухомий. При цьому амплітуда сигналу на виході антени залежить від кута повороту антени в азимутальної площині і площині кутів місця. Цей метод застосовується при вивченні антен надвисоких частот, при макетування, а також при вивченні найпростіших антен метрових хвиль. Гідність методу - запис ДН в автоматичному режимі з одночасним вимірюванням кутів повороту антени. До недоліків можна віднести обмеження на геометричні розміри досліджуваних антен і труднощі при знятті ДН антени, встановленої на якомусь об'єкті.
Принцип іншого способу вимірювання ДН-методу нерухомої антени полягає в тому, що положення і орієнтація досліджуваної антени залишаються незмінними, а джерело випромінювання переміщується навколо неї по кругових траєкторіях. Метод нерухомої антени застосовується при дослідженні ДН антен радіоцентрів, антен на радіорелейних лініях зв'язку і т.п. При цьому визначити ДН можна як наземними вимірами [1], при яких випромінювач розташовується на поверхні Землі, так і за допомогою допоміжних випромінювачів, розташованих на літальних апаратах [3]. Даному методу притаманні деякі недоліки. Так, при наземних вимірах можна отримати ДН тільки в одній площині, причому точність вимірювання при цьому буде досить низька через вплив нерівностей рельєфу місцевості і недостатнього видалення випромінювача від досліджуваної антени. Дослідження ДН за допомогою літальних апаратів відрізняється великими затратами і витратами часу і ресурсів.
Найбільш близьким до вирішення поставленого завдання є метод визначення ДН антени шляхом опромінення з борту штучного супутника Землі (ШСЗ) або з використанням випромінювання космічних радіоджерел [4]. Гідність методу - дослідження ДН антен, що працюють в широкому діапазоні довжин хвиль, від сантиметрових до кілометрових; дослідження ДН антени, встановленої за місцем її застосування.
Однак мала кількість супутників-маяків (низькоорбітальні ШСЗ-маяки) і жорстка геометрія орбіт ШСЗ (геостаціонарні ШСЗ-маяки) не забезпечують точного вимірювання ДН, оскільки для цього необхідно проводити вимірювання амплітуди якомога з меншою кутовий дискретністю в азимутальной площині і площині кутів місця. Крім цього, при використанні ШСЗ необхідно додатково визначати кутове положення випромінювача.
Труднощі при використанні космічних радіоджерел пов'язані з низьким відношенням сигнал / шум при прийомі сигналів радіоджерел і з великим інтервалом часу заповнення апертури - одна траєкторія на добу у випадку з нерухомою досліджуваної антеною, а мала кутова дискретність розташування радіоджерел обмежує можливості дослідження антен з вузькою діаграмою спрямованості.
Метою винаходу є підвищення точності, скорочення часу зняття діаграми спрямованості і зменшення вартості дослідження антени.
Це досягається за рахунок того, що в якості радіоджерел використовують НІСЗ глобальних навігаційних систем GPS / ГЛОНАСС [5, 6]. Дані про амплітуду радіосигналів НІСЗ, їх кутових координатах і псевдо до НІСЗ представлені в Інтернет в вигляді файлів у форматі RINEX, є стандартними файлами вимірювань навігаційного приймача. Шляхом обробки RINEX-файлів формують ряди значень амплітуди радіосигналів для кожного НІСЗ в функції його кутових координат. Отримані ряди нормують на коефіцієнт, пропорційний псевдодальності до відповідного НІСЗ. Ряди нормованих значень амплітуди для всіх НІСЗ когерентно підсумовують і усредняют, отримуючи, таким чином, залежність амплітуди радіосигналу в точці прийому в функції кута місця і азимутального кута при постійній відстані до джерел випромінювання.
Гідність запропонованого способу вимірювання ДН - дослідження спрямованих властивостей антени, встановленої за місцем її застосування. Така можливість особливо актуальна для сучасних високоточних радіотехнічних систем, коли антена приймача знаходиться в оточенні об'єктів на близькій відстані або елементів конструкцій, і прийняті радіосигнали схильні інтерференційним спотворень. В цьому випадку пропонований спосіб дозволяє виміряти «реальну» ДН антени з урахуванням впливу відбитих радіохвиль.
Пропонований спосіб вимірювання ДН антени заснований на тому, що наземний двочастотної навігаційний приймач здатний фіксувати радіосигнали від декількох НІСЗ одночасно. При цьому в зоні «видимості» приймача може знаходитися до 12 НС. Спільна когерентная в часі обробка даних про амплітуду радіосигналів всіх «видимих» НІСЗ дозволяє отримати залежність інтенсивності прийнятих радіосигналів F (# x00398;, # x003B1;) як функцію кутових координат - кутів місця # X00398; (t) і азимута # X003B1; (t) направлення на НІСЗ. При цьому азимут # X003B1; (t) - кут в горизонтальній площині між напрямком на північ і напрямком на НІСЗ з точки прийому, а кут місця # X00398; (t) відраховують у вертикальній площині між напрямком на НІСЗ з точки прийому і горизонтальною площиною.
Під когерентністю в часі розуміється в даному випадку синхронізація даних про амплітуду радіосигналів всіх «видимих» НІСЗ між собою і з єдиним системним часом глобальних навігаційних систем GPS / ГЛОНАСС.
Дані спостережень навігаційного приймача GPS отримують у вигляді файлів у форматі RINEX [7], які містять результати добових вимірів для всіх «видимих» НІСЗ: значення відносної фази для однієї або обох несучих, значення псевдодальності, значення відносної амплітуди прийнятих радіосигналів для однієї або обох несучих у вигляді відношення сигнал / шум (SNR) - S1 (t) і S2 (t), а також деякі інші параметри. Крім того, окремо отримують навігаційні RINEX-файли, що містять ефемериди НІСЗ, які використовують для визначення кутів місця # X00398; (t) і азимута # X003B1; (t) направлення на НІСЗ.
На фіг.1 в координатах «кут місця-азимут» наведено залежності, що характеризують стан траєкторій НІСЗ щодо точки спостереження для трьох станцій глобальної мережі GPS [7], що відрізняються широтним розташуванням. Для кожної досліджуваної станції приведено її назву, географічні координати і кількість траєкторій НІСЗ, «видимих» протягом доби. азимутальний кут # X003B1; в градусах відраховують по круговій шкалі. Концентричні кола характеризують зміна кута місця # X00398; на НІСЗ в діапазоні 0-90 # x000B0 ;, причому центр кожного графіка відповідає # X00398; = 90 # x000B0 ;.
Як видно з креслення, на низьких широтах (фіг.1 «а») забезпечується практично рівномірний розподіл траєкторій у всьому діапазоні кутів # X00398; і # X003B1 ;. Зі збільшенням широти розташування приймальні станції картина розподілу траєкторій спотворюється (фіг.1 «б» і «в»). У розподілі з'являється яскраво виражена область, обмежена діапазоном кутів # X00398; і # X003B1 ;, в межах якої не можуть пролягати траєкторії НІСЗ. Це пояснюється геометрією угруповання НІСЗ GPS.
Таким чином, використання НІСЗ GPS / ГЛОНАСС може забезпечити практично рівномірне заповнення апертури при вимірюванні ДН. При цьому час заповнення апертури скорочується, по крайней мере, на порядок в порівнянні з використанням низькоорбітальних ШСЗ-маяків (до 10-15 траєкторій за добу) і на два порядки в порівнянні з використанням космічних радіоджерел (1 траєкторія за добу).
При вимірі ДН з використанням запропонованого способу необхідно враховувати ряд особливостей, пов'язаних з геометрією угруповання НІСЗ і характером поширення радіохвиль в атмосфері Землі.
По-перше, з метою підвищення достовірності вимірювання ДН слід використовувати вихідні дані про амплітуду радіосигналів для НІСЗ з кутами місця # X00398;> 10 # x000B0 ;, оскільки радіосигнали від НІСЗ з низькими кутами місця (# x00398;<10°) претерпевают существенные искажения при распространении через тропосферу Земли [8].
По-друге, необхідно враховувати зміну в часі геометрії системи «НІСЗ-приймач», оскільки період обертання НІСЗ GPS / ГЛОНАСС не кратний 12 години [5, 6].
По-третє, відстань між антеною та НІСЗ змінюється в часі, а необхідною умовою для правильного і точного вимірювання ДН є постійна в часі інтенсивність сигналу випромінювача, тому величину амплітуди радіосигналу необхідно унормувати на коефіцієнт, пропорційний дальності до НІСЗ.
З урахуванням зазначених вище особливостей обробку даних при вимірюванні ДН з використанням запропонованого способу роблять у такий спосіб.
1. Зі стандартних RINEX-файлів, отриманих по мережі Інтернет, шляхом обробки витягують тимчасові ряди значень відносної амплітуди прийнятих радіосигналів S1 (t) і S2 (t), ряди значень кутів місця # X00398; (t) і азимутальних кутів # X003B1; (t) направлення на НІСЗ, а також тимчасової ряд значень псевдодальності до НІСЗ C1 (t).
2. Серед сформованої сукупності часових рядів вибирають ряди, значення яких отримані при кутах місця # X00398; (t)> 10 # x000B0 ;. Для забезпечення постійної в часі інтенсивності сигналу випромінювача значення амплітуди S1 (t) і S2 (t), що містяться в обраних тимчасових рядах, нормують на коефіцієнти # X003B3 ;, пропорційні псевдодальності C1 (t) до відповідних НІСЗ: Sнорм (t) = S1 (t) # x000D7; # x003B3; (Sнорм (t) = S2 (t) # x000D7; # x003B3;).
3. Діаграма спрямованості в графічному вигляді є двовимірний розподіл інтенсивності сигналу в координатах «кут місця-азимут» напряму на НІСЗ - F (# x00398;, # x003B1;). Послідовність дій для побудови розподілу F (# x00398;, # x003B1;) зводиться до наступного.
4. Діапазон кутів # X00398; (0-90 # x000B0;) і # X003B1; (0-360 # x000B0;) розбивають на елементарні ділянки. При цьому утворюється сітка осередків, в якій розміри елементарної комірки - # X00394; # x00398 ;, # X00394; # x003B1; - визначаються необхідною точністю побудови ДН.
5. Сітку осередків заповнюють значеннями амплітуди Sнорм (# x00398 ;, # X003B1;) отриманими для всіх «видимих» НІСЗ за інтервал часу накопичення (наприклад, за добу). Номер комірки - m # x00398 ;. m # x003B1; - визначають виходячи з поточних значень кутового положення НІСЗ # X00398; і # X003B1; -m # x00398; = # X00398; / # x00394; # x00398 ;, m # x003B1; = # X003B1; / # x00394; # x003B1 ;. Суму значень амплітуди # X02211; Sнорм (# x00398 ;, # X003B1;) для кожного осередку усредняют за кількістю записаних в осередок значень n:.
6. Для кожного осередку з номером m # x00398 ;. m # x003B1; визначають осередок з номером mx. my в горизонтальній площині, що збігається з площиною розташування прийомної антени. У кожну клітинку горизонтальній площині записують відповідне їй значення в координатах «кут місця-азимут»:. Таким чином, утворюється проекція розподілу величин на горизонтальну площину.
7. Отримані для кожного осередку mx. my усереднені значення нормують на максимальне значення. Результат представляють у вигляді залежності інтенсивності радіосигналу в прямокутних координатах.
8. Для отримання F (# x00398 ;, # X003B1;) в координатах «кут місця-азимут» на площину розподілу величин F (x, у) накладають трафарет у вигляді концентричних кіл. Тоді кут місця # X00398; направлення на НС визначається радіусом окружності (центр кола відповідає # X00398; = 90 # x000B0;), а азимутальний кут # X003B1; відраховують за годинниковою стрілкою вздовж окружності від напрямку на північ (0 # x000B0;), як це показано на фіг.2.
Аналіз отриманої залежності F (# x00398 ;, # X003B1;) в даному випадку дозволяє зробити висновок, що досліджувана антенна система навігаційного приймача станції COSA має практично рівномірну ДН, що представляє собою півсферу. Ці результати підтверджуються теоретичними відомостями про антенних системах приймачів супутникової навігаційної системи [5, 6].
В рамках запропонованого способу вимірювання ДН антени можливе проведення додаткової оцінки ДН шляхом перетину функції F (# x00398 ;, # X003B1;) (фіг.2) двома вертикальними площинами. Результат такої оцінки представлений на Фіг.3 у вигляді залежностей інтенсивності сигналу в двох взаємно перпендикулярних перетинах - A1 A1 і B1 B1 (фіг.3 «а», «б»). Як видно з креслення, інтенсивність сигналу в кожному з перетинів є практично рівномірною і за величиною близька до одиниці. Це свідчить про рівномірність діаграми спрямованості F (# x00398 ;, # X003B1;) (фіг.2).
Таким чином, пропонований спосіб дозволяє підвищити точність вимірювання ДН, скоротити час і зменшити вартість дослідження антени за рахунок застосування найбільш високоточної, високотехнологічної і широкодоступної з існуючих в даний час радіотехнічних систем.
1. Фрадін А.З. Рижков Е.В. Вимірювання параметрів антенно-фідерних пристроїв. М. Зв'язок, 1972, 352 с.
2. Миклашевская А.В. Автоматичні вимірювачі в діапазоні СВЧ. М. Зв'язок, 1972, 167 с.
8. Грудінская Г.П. Поширення радіохвиль. М. Вища школа, 1975, 280 с.
Спосіб визначення діаграми спрямованості антени шляхом вимірювання амплітуди сигналу точкового радиоисточника, розташованого в далекій зоні антени, і кутових координат джерела, що відрізняється тим, що в якості радіоджерел використовують навігаційні штучні супутники Землі (НІСЗ) глобальних навігаційних систем GPS / ГЛОНАСС; дані про амплітуду радіосигналів НІСЗ, їх кутових координатах і псевдо до НІСЗ представлені в Інтернет в вигляді файлів у форматі RINEX, є стандартними файлами вимірювань навігаційного приймача; шляхом обробки RINEX-файлів формують ряди значень амплітуди радіосигналів для кожного НІСЗ в функції його кутових координат; з сукупності сформованих рядів вибирають ряди, отримані для кутів місця НІСЗ більше 10 # x000B0 ;, які нормують на коефіцієнти, пропорційні псевдодальності до відповідних НІСЗ; ряди нормованих значень амплітуди для всіх НІСЗ когерентно підсумовують і усредняют, отримуючи, таким чином, залежність амплітуди радіосигналу в точці прийому в функції кута місця і азимутального кута при постійній відстані до джерел випромінювання.