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
[1][2][3]
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
[4][5][6][7]
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
[8][9][10][11][12][13]
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
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
4. Обсуждение
Первым переизлучающим объектом является вертикальный штырь высотой
Вертикальный штырь
Фазовые диаграммы направленности, рассчитанные для этой простейшей модели, представлены на рис. 2. Верхняя и нижняя границы диаграммы показаны синими пунктирными кругами, а разность фаз ΔΦ составляет 35,3° для R = 100 м и 9,5° для R = 400 м. Очевидно, что на больших расстояниях от антенны возбуждение отражающего объекта передаваемым сигналом слабее и разность фаз меньше.
Фазовая диаграмма направленности модели «вертикальный штырь» при различных расстояниях от начала координат
Фазовая неравномерность для модели вертикального штыря
Также был исследован штырь с двумя противовесами длиной h/2. Противовесы, расположенные на поверхности земли, почти вдвое увеличивают общую эквивалентную длину штыря, а максимальная фазовая неравномерность возникает на высоте 40 м (рис. 4), однако величина неравномерности уменьшается.
Фазовая неравномерность для модели вертикального штыря с противовесами
Объект «мачта» имитирует мачту башенного крана, опору ЛЭП или подобное сооружение. Объект состоит из одинаковых секций, образованных вертикальными проводниками, размещенными в углах квадрата со стороной 1,8 м (рис. 5). Высота секций 10 м, в основании секций вертикальные проводники соединены друг с другом четырьмя перемычками.
Мачта
Мачта имеет больший эквивалентный радиус по сравнению с тонким штырем и, следовательно, будет эффективно возбуждаться в более широком диапазоне частот. Другими словами, значительная фазовая неравномерность возникнет для мачт разного диапазона высот, что видно из рис. 6.
Фазовая неравномерность для модели мачты
Г-образный проводник имитирует башенный кран с вертикальной мачтой, горизонтальной стрелой и свисающим тросом (рис. 7). Размеры объекта: высота вертикальной части h, длина стрелы и кабеля h/2. Нижний конец вертикальной части касается поверхности земли.
Г-образный проводник
Анализ фазовой неравномерности модели показывает, что объект такого типа имеет два «резонанса»: на высоте 40 и 80 м, рис. 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.
Π-образная опора
Фазовая неравномерность для модели П-образной опоры
Λ-образная опора
h, и на частоте 1,9 МГц резонансная высота составляет около 76 м (см. рис. 12).
Фазовая неравномерность для модели Λ-образной опоры
Т-образная опора (рис. 13) может рассматриваться как монополь с емкостной нагрузкой, уменьшающей резонансную высоту по сравнению с прямым вертикальным штырем (рис. 14).
Т-образная опора
Фазовая неравномерность для модели Т-образной опоры
Плоский экран представляет собой прямоугольную сетку из проводников с шагом 2 м, имитирующую арматуру бетонной стены (рис. 15). Нижние концы вертикальных штырей касаются поверхности земли.
Плоский экран
Плоский экран приводит к большой неравномерности фазы в широком диапазоне высот объекта и расстояний до антенны. Так, фазовая ошибка 10° появляется на расстояниях до 150 м при высоте экрана всего 30 м (рис. 16), что эквивалентно 9-этажному зданию.
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
Минимально допустимое расстояние между антенной РНС и отражающим объектом
| Тип объекта | h | |||
| 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.