Искажения ФАЗОВОЙ диаграммы направленности антенн средневолновых наземных радионавигационных систем из-за многолучевого распространения
Искажения ФАЗОВОЙ диаграммы направленности антенн средневолновых наземных радионавигационных систем из-за многолучевого распространения
Аннотация
Проведено моделирование многолучевого распространения сигнала на частоте 1,9 МГц для различных положений переизлучающих объектов относительно передающей антенны. Рассмотрены объекты в виде вертикального штыря, мачты, плоского экрана и опор различной формы. Рассчитаны фазовые диаграммы направленности системы «передающая антенна + окружающие предметы», затем с помощью математической обработки вычислена неравномерность фазовой ДН по азимуту. Вычисления проведены для различных расстояний между антенной и отражающим объектом и различной высоты отражающего объекта. Показано, что искажения фазовой диаграммы направленности величиной более 10 градусов могут иметь место на расстояниях между отражающим объектом и антенной до 500 м и более. Большое значение имеют высота и форма объекта.
1. Введение
Спутниковая навигация, благодаря глобальной зоне действия, всепогодности, точности, низкой стоимости для потребителей, стала основным, а иногда и единственным источником навигационной информации для морских объектов. В то же время на фоне повсеместного проникновения спутниковой навигации в различные области человеческой деятельности, в последнее время все большее внимание уделяется вопросам ее надежности, достоверности, точности. Основным недостатком спутниковых навигационных систем является низкая помехоустойчивость, по отношению к непреднамеренным и специально формируемым помехам: заградительным и имитационным
, . Низкая помехоустойчивость спутниковых навигационных систем вызвана крайне малым уровнем радиосигнала у поверхности Земли, вследствие большой удаленности до навигационных космических аппаратов. Ожидается, что в дальнейшем ситуация с надежностью спутниковой навигации будет ухудшаться, в том числе и из-за увеличения доступности аппаратуры постановки помех .В последнее время, при поиске надежных источников навигационной информации для морских потребителей все большее внимание уделяется локальным навигационным системам с наземным расположением передающих станций. Более того, в РФ применение комбинированных каналов приема сигналов, работающих как по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем, так и по сигналам наземных систем радионавигации является обязательным требованием Правил по оборудованию морских судов
. Аналогичным образом обстоит ситуация за рубежом. В частности, с 2016 г. ведется разработка наземной РНС eLORAN в Республике Корея и уже продемонстрированы первые результаты . В Великобритании проведено исследование, посвященное вопросам надежности, целостности и доступности навигационной информации для морских судов . Результатом работы стал вывод о необходимости резервной навигационной системы.Требуемая точность определения координат в наземных радионавигационных системах (РНС) составляет несколько метров или даже меньше в отдельных приложениях РНС. Одним из факторов, приводящих к ухудшению точности позиционирования, является многолучевое распространение сигнала, т.е. переизлучение сигнала от окружающих антенну объектов. В реальной ситуации очень сложно, если вообще возможно, выбрать размещение передающей антенны РНС на достаточном удалении от каких-либо объектов – опор линий электропередачи (ЛЭП), строительных кранов, зданий и так далее. Поэтому важной задачей является определение минимального расстояния от антенны до таких объектов и их максимальные размеры, которые можно считать приемлемыми.
2. Методы и принципы исследования
На приемную антенну РНС помимо прямой волны от базовой станции, содержащей полезную информацию (время распространения сигнала), приходит еще волна, отраженная от объектов, окружающих приемную антенну (мачты, краны, здания и т.д.). Переизлучение волн от проводящих объектов можно объяснить следующим образом. Электромагнитная волна, излучаемая антенной базовой станции, достигает проводящего объекта и индуцирует поверхностный ток. Индуцированный поверхностный ток, в свою очередь, создает вторичную электромагнитную волну, распространяющуюся от проводящего объекта. Амплитуда и фаза новой переизлученной волны будут зависеть от частоты, формы и положения отражающего объекта. Таким образом, на вход приемника от антенны поступает сумма двух сигналов: прямого (несущего полезную информацию) и переизлученного. В общем случае фаза этой суммы будет отличаться от фазы прямого сигнала. В результате для сложно-модулированного сигнала при наличии отражений будут возникать ошибки как по фазе, так и по задержке.
Подробный обзор проблемы переизлучения и возможных способов борьбы с ним приведен в . В работах
, , , , представлены результаты последних исследований, описывающие влияние отражающих объектов на амплитудные диаграммы направленности средневолновых АМ-радиостанций.Целью всех вышеперечисленных исследований была оценка изменений амплитудной диаграммы направленности, тогда как для задач радионавигации основной интерес представляют фаза и групповое время запаздывания сигнала. Таким образом, актуальной задачей является анализ изменений фазовой диаграммы направленности (ФДН) передающей антенны РНС в присутствии отражающих объектов.
Целью настоящего исследования является выработка рекомендаций о минимально допустимом расстоянии между антенной и отражающими объектами, при котором искажения формы ФДН находятся в приемлемых пределах. Для этого следует провести электродинамическое моделирование ситуаций размещения передающей антенны РНС вблизи отражающих объектов различной формы, определить величину фазовых искажений в зависимости от расстояния до отражающих объектов и их размеров, и выполнить оценку неравномерности ФДН.
3. Основные результаты
В ходе работы выполнено моделирование антенны при наличии различных окружающих объектов, расположенных на плоской горизонтальной поверхности. Для всех моделей передающая антенна представляет собой вертикальный несимметричный монополь длиной 22 м с радиальным наземным экраном и опорными растяжками. Она размещается в начале координат и работает в диапазоне средних частот.
В отсутствие окружающих объектов (идеальный случай) передающая антенна РНС излучает во всех направлениях равномерно, а фазовая диаграмма направленности представляет собой круг. Отражающий объект, расположенный вблизи антенны, возбуждается передаваемым сигналом и переизлучает часть энергии с определенной амплитудой и фазой. В результате фазовая диаграмма направленности системы «антенна — отражающий объект» отличается от круга. Это приводит к систематической ошибке определения псевдодальности, которая зависит от взаимного положения пользователя РНС и базовой станции. Например, фазовая ошибка всего в 10° приведет к ошибке псевдодальности примерно λ/36, что равно 4,4 метра на частоте 1,9 МГц. Такие значения ошибок неприемлемы во многих ситуациях. Амплитудные диаграммы направленности также искажаются, однако на точность позиционирования в РНС в первую очередь влияет фаза сигнала.
Моделирование проводилось методом моментов. Антенна и отражающие объекты размещаются на «средней» земле. Для каждой модели рассчитаны азимутальные фазовые диаграммы направленности Φ(φ) в диапазоне частот 1–3 МГц, затем фазовая неравномерность оценивается как ΔΦ = max(Φ(φ)) – min(Φ(φ)) в пределах азимутального сектора φ = 0...360°. Расчеты выполнены при изменении высоты отражающего объекта h = 20...100 м, и расстояния объекта от начала координат R = 20...500 м. Фазовая неравномерность отображается в виде контурной диаграммы ΔΦ(h, R).
Рассматривается несколько статических объектов: вертикальный штырь, вертикальный штырь с противовесами, мачта, Г-образный проводник, П, Л, Т-образные опоры и плоский экран. Для всех моделей объекты состоят из идеальных электрических проводников (PEC) радиусом 8 мм. Все представленные ниже результаты приведены для частоты f = 1,9 МГц.
4. Обсуждение
Первым переизлучающим объектом является вертикальный штырь высотой h, расположенный на расстоянии R от начала координат (рис. 1). Нижний конец штыря касается поверхности земли.
Рисунок 1 - Вертикальный штырь
Рисунок 2 - Фазовая диаграмма направленности модели «вертикальный штырь» при различных расстояниях от начала координат
Примечание: h = 80 м
Рисунок 3 - Фазовая неравномерность для модели вертикального штыря
Рисунок 4 - Фазовая неравномерность для модели вертикального штыря с противовесами
Рисунок 5 - Мачта
Рисунок 6 - Фазовая неравномерность для модели мачты
Рисунок 7 - Г-образный проводник
Рисунок 8 - Фазовая неравномерность для модели Г-образного проводника
Общая длина П-образной опоры (рис. 9) составляет 2,5h. Когда это значение равно длине волны, индуцированный ток максимален и опора становится резонансной. Для 1,9 МГц λ ≈ 158 м и резонансная высота h составляет около 63 м. Из рис. 10 можно увидеть максимальную неравномерность фазы в области этого значения для разных R.
Рисунок 9 - Π-образная опора
Рисунок 10 - Фазовая неравномерность для модели П-образной опоры
Рисунок 11 - Λ-образная опора
Рисунок 12 - Фазовая неравномерность для модели Λ-образной опоры
Рисунок 13 - Т-образная опора
Рисунок 14 - Фазовая неравномерность для модели Т-образной опоры
Рисунок 15 - Плоский экран
Рисунок 16 - Фазовая неравномерность для модели плоского экрана, ширина экрана 20 м
5. Анализ полученных результатов
Их полученных выше результатов моделирования следует, что отражающие объекты могут внести в ФДН антенны искажения величиной в десятки градусов даже при небольших расстояниях до антенны порядка 100-200 метров. В качестве допустимого значения неравномерности ФДН передающей антенны примем величину 10°, что в первом приближении соответствует ошибке определения координат около 4 м для центральной рабочей частоты 1,9 МГц. Исходя из этой величины, можно определить минимально допустимое расстояние Rmin между антенной РНС и близлежащим отражающим объектом. Полученные значения сведены в таблицу для объектов разного типа и высоты объекта h. Прочерк означает, что при данной высоте объекта на любом расстоянии его до антенны искажения ФДН менее 10°.
Таблица 1 - Минимально допустимое расстояние между антенной РНС и отражающим объектом
Тип объекта | Высота объекта h, м | |||
20 | 40 | 60 | 80 | |
Вертикальный штырь | − | − | 80 | 380 |
Вертикальный штырь с противовесами | − | 180 | 80 | 60 |
Мачта | − | − | 280 | 360 |
Г-образный проводник | − | 160 | 40 | >500 |
Π-образная опора | − | 40 | 460 | 320 |
Λ-образная опора | − | − | 160 | 480 |
Т-образная опора | − | − | 280 | 100 |
Плоский экран шириной 20 м | 40 | 220 | 240 | 260 |
Из приведенных данных можно сделать следующие выводы. Отражающие объекты высотой 20 м и менее, кроме плоского экрана, могут не приниматься во внимание. Существенные искажения в форму ФДН вносят вертикальный штырь с противовесами, Г-образный проводник и П-образная опора, которые при высоте всего 40 м должны быть отнесены на расстояние не менее 200 м от антенны. Максимальное влияние на ФДН оказывает плоский отражающий экран (здание), и расположение объектов такого типа вблизи антенны следует анализировать отдельно в каждом конкретном случае. Все отражающие объекты высотой 80 м и более должны быть расположены не ближе 400 м от антенны.
6. Заключение
Результаты моделирования, представленные в данной работе, показывают, что проводящие объекты, расположенные вблизи передающей антенны наземной РНС, приводят к значительным искажениям ФДН антенны и могут вызывать недопустимые ошибки в оценках координат пользователя. Величина искажения ФДН зависит от формы и высоты отражающих объектов, при этом наибольшие искажения вызывают объекты сложной структуры с высотой в четверть длины волны. При выборе мест размещения передающих антенн необходимо тщательно анализировать окружающую обстановку. Полученные в работе оценки позволяют с приемлемой для практического применения точностью определить допустимые минимальные расстояния от антенны до объектов различной формы и высоты.