СПОСОБЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МНОГОЛУЧЕВЫХ ОТРАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБОВ ИСПЫТАНИЙ Российский патент 2017 года по МПК H01Q9/12 

Область и уровень техники

[001]. Изобретение относится к области радиотехники, в частности к области построения испытательных стендов для проведения радиотехнических измерений и опытов с сигналами Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Compass, QZSS).

[002]. Устройства позиционирования и навигации по сигналам ГНСС могут использоваться в условиях, когда на прямой линии между передающей антенной спутника и приемной антенной устройства находятся какие либо затеняющие препятствия. Такими затеняющими препятствиями могут быть горы, холмы, здания, мосты, тоннели, вышки, провода, деревья, кусты, и т.д.

[003]. Данные препятствия могут искажать (ослаблять и изменять) исходный первоначальный спутниковый сигнал.

[004]. При перемещении спутников по небосклону, затухание спутникового сигнала в кроне деревьев и многократные переотражения между нижней границей кроны и поверхностью земли приводят к образованию резких и хаотических осцилляций сигнала на выходе приемной антенны по амплитуде и фазе, а также к возможным перескокам фазы на 180 и более градусов.

[005]. Искажения исходного первоначального спутникового сигнала приводят к ошибкам в работе устройств позиционирования и навигации. Указанные искажения сигнала на выходе приемной антенны эквиваленты появлению амплитудных и фазовых возмущений (осцилляций) в ДН приемной антенны. Для этих осцилляций далее будут использоваться понятия амплитудной F(θ) [дБ] и фазовой Ф(θ) [град] диаграмм направленности (ДН), показывающих зависимость амплитуды и фазы принятых сигналов от направления прихода сигнала.

[006]. Характер искажения исходного первоначального спутникового сигнала зависит от формы и размера затеняющего препятствия и свойств его поверхности (проводимости, влажности и т.п.).

[007]. Дополнительно некоторые из свойств настоящих реальных препятствий могут быстро, неожиданно и непредсказуемо меняться. Поверхность препятствий из-за дождя или снега может менять влажность и проводимость. Листья деревьев или кусты из-за ветра могут менять форму препятствия, и его положение относительно приемной антенной устройства.

[008]. Отдельным видом искажений являются искажения, вызванные многократным отражением первоначального спутникового сигнала. Сигнал от спутника может пройти через полупрозрачное препятствие, отразиться от поверхности земли, попасть на нижнюю часть препятствия (например на листья нижних веток дерева), отразится от нижней части препятствия в направлении земли, попасть на землю, отразиться от земли, и т.д.

[009]. Геометрия таких отражений может быть очень сложной. При этом на приемную антенну устройства позиционирования и навигации будут приходить разные "копии" первоначального спутникового сигнала. Эти копии будут искажены по фазе и амплитуде как по отношению к первоначальному сигналу, так и по отношению друг к другу.

[0010]. Необходимо уметь создавать подобные искажения сигналов спутников. Это позволит сравнивать и отрабатывать работу системы позиционирования при наличии препятствия и без него.

[0011]. Для изучения и моделирования работы устройств позиционирования при наличии искажений из-за отражения в радиотехнике используют испытательные стенды.

[0012]. Известен испытательный стенд содержащий генератор моделирующий эхо-сигналы, повторенные с различными задержками для имитации переотражений от объектов, и способ его использования (патент US 7,650,261). Однако данный генератор не позволяет вносить в сигналы искажения, характерные для многократных отражений от полупрозрачных препятствий.

[0013]. Известен способ создания испытательного стенда в виде проводящей полуплоскости (металлического листа) установленной вертикально (P. Ya. Ufimtsev, Theory of Edge Diffraction in Electromagnetics, Tech Science Press, Encino, California, 2003. ISBN 0-9657001-7-8).

[0014]. Подобный стенд позволяет получать полное затенение в зоне тени полуплоскости, а также амплитудные и фазовые искажения сигнала на выходе антенны при перемещении спутника из области полного затенения антенны полуплоскостью в область прямой видимости между антенной приемника и спутником, т.н. переходной зоне.

[0015]. Однако данный способ имеет следующие существенные недостатки.

[0016]. Он не позволяет получать амплитудные и фазовые осцилляции сигнала на выходе антенны при угловом перемещении спутника во всей верхней полусфере.

[0017]. Размеры металлического листа равны порядка 10 метрам по вертикали, что затрудняет монтаж и практическое использование стенда.

[0018]. Дополнительно, взаимодействие сигналов спутников с листом сильно зависит от ориентации спутников относительно листа.

[0019]. Так, например, при расположении приемной антенны устройства в освещенной зоне листа, на антенну воздействует отражения от листа (так называемая верхняя многолучевость), которая частично отфильтровывается антенной по поляризационному признаку.

[0020]. При расположении антенны устройства в теневой зоне основной вклад вносит краевая волна, возбуждаемая ребром листа, при этом сигнал такой краевой волны быстро убывает при заходе спутника в тень.

[0021]. Поэтому использование испытательного стенда в виде проводящей полуплоскости (металлического листа) не позволяет получать искажения сигналов в виде резких и многочисленных осцилляций диаграммы направленности антенны по амплитуде и фазе, характерные для многократных отражений от полупрозрачных препятствий.

[0022]. И, в частности, подобные искажениям, возникающим при расположении приемной антенны устройства под кроной деревьев.

[0023]. Задачей заявляемого изобретения является построение испытательных радиотехнических стендов имитирующих характеристики настоящих реальных препятствий, из-за которых спутниковые сигналы многократно отражаются и искажаются.

Краткое раскрытие существа изобретения

[0024]. Данное изобретение относится к способам построения тестовых установок, моделирующих многолучевые отражения сигналов ГНСС, устройствам для реализации указанных методов и использованию указанных устройств, которые, по существу, устраняют один или несколько недостатков, присущих вышеуказанным устройствам.

[0025]. В качестве одного из вариантов изобретения, для имитации препятствий с многократным отражением предлагается использовать испытательные стенды, включающие в себя верхний экран, полупрозрачный для радиосигналов, и отражающий нижний экран.

[0026]. Полупрозрачный верхний экран может иметь форму полусферы, цилиндрического туннеля, параболоида и т.д.

[0027]. Для отработки алгоритмов позиционирования движущихся объектов в условиях действия затенения предлагается использовать испытательные стенды, включающие в себя верхний экран, полупрозрачный для радиосигналов, выполненный в виде полуцилиндрического туннеля, внутри которого перемещается приемная антенна, а также отражающий нижний экран.

[0028]. Верхний экран имитирует нижнюю поверхность настоящих реальных полупрозрачных препятствий (например, листву нижних веток деревьев леса).

[0029]. В качестве материала полупрозрачного верхнего экрана могут применяться, например щелевые и ленточные сетки с емкостным и резистивно-емкостным импедансом полупрозрачные для радиосигналов.

[0030]. Отражающий нижний экран имитирует подстилающую поверхность (землю) при реальном применении устройств позиционирования и навигации.

[0031]. В качестве материала нижнего отражающего экрана могут применяться металлизированная фольга, отражающие сетки и т.д.

[0032]. При проведении имитации спутниковые сигналы будут многократно отражаться между полупрозрачным верхним экраном, и отражающим нижним экраном.

[0033]. Это будет подобно многократным отражениям спутниковых сигналов в полости между нижней поверхностью реальных препятствий и реальной землей.

[0034]. Испытательный приемник имитирует реальное устройство позиционирования и навигации.

[0035]. Приемную антенну испытательного приемника располагают в полости между полупрозрачным верхним экраном, и отражающим нижним экраном.

[0036]. Помещая приемную антенну испытательного приемника в полость между полупрозрачным верхним экраном, и отражающим нижним экраном испытательного стенда можно получить искажения, эквивалентные искажениям при реальных натурных испытаниях на реальных препятствиях.

[0037]. При проведении имитации на приемную антенну испытательного приемника будут приходить исходные первоначальные спутниковые сигналы и их отраженные "копии" искаженные по фазе и амплитуде.

[0038]. Параметры этих искажений будут зависеть от параметров (формы, размера, и материалов) верхнего и нижнего экранов, а также положения приемной антенны в полости между экранами.

[0039]. Комбинируя и подбирая параметры верхнего и нижнего экранов, можно получать параметры искажений, требуемые для конкретной программы испытаний или измерений.

[0040]. Вычислительная взаимозависимость параметров экранов и искажений будет описана далее.

[0041]. Комбинируя и подбирая параметры искажений, можно имитировать использование и работу реальных устройств позиционирования и навигации в большом количестве вариантов разных реальных условий.

[0042]. Применение испытательных стендов, построенных предлагаемым методом, позволяет проводить испытания новых образцов устройств позиционирования и навигации.

[0043]. Это дает возможность улучшать способы обработки спутниковых сигналов без проведения реальных натурных испытаний на реальных препятствиях.

[0044]. Дополнительно это позволяет получать "эталонные", постоянные и неизменные искажения, не зависящие от погоды, климата и других внешних условий.

[0045]. Это важно при проведении точных повторяющихся измерений.

[0046]. Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут изложены в описании, следующем ниже, станут очевидны из этого описания или могут быть изучены при практическом использовании изобретения. Преимущества изобретения будут реализованы с помощью устройства, детально описанного в тексте описания и формуле изобретения, а так же в приложенных чертежах.

[0047]. Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются примерными и пояснительными и предназначены для обеспечения дополнительного объяснения заявленного изобретения.

Описание фигур чертежей

[0048]. Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения дальнейшего понимания изобретения, и являющиеся неотъемлемой частью данного описания, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

[0049]. На чертежах представлено:

[0050]. На Фиг. 1 изображена схема многократных отражений спутниковых сигналов между нижней частью препятствия (листвой деревьев) и поверхностью земли.

[0051]. На Фиг. 2 изображена схема испытательного стенда с верхним экраном вида "полусфера", где: 2001 - антенна; 2002 - верхний экран вида "полусфера"; 2003 - нижний отражающий экран; R - радиус верхнего экрана; Н - высота антенны (2001) над нижним экраном; L - выступ нижнего экрана (2003) за границу верхнего экрана (2002).

[0052]. На Фиг. 3 изображен вариант конструкции верхнего экрана вида "полусфера" испытательного стенда, где: 3001 - печатные платы с вытравленным рисунком щелевой или ленточной сетки (с впаянными резисторами или без резисторов); 3002 - диэлектрический каркас для крепления печатных плат 3001; 3003 - крепления диэлектрического каркаса 3002 к земле.

[0053]. На Фиг. 4 показана вычисленная по формуле (F1) зависимость минимально возможного периода осцилляций по углу места Т_θ, измеряемого в градусах, от отношения радиуса экрана R к длине волны.

[0054]. На Фиг. 5 показана вычисленная по формуле (F3) зависимость глубины осцилляций амплитудной диаграммы направленности ΔF, измеряемой в децибелах, от величины модуля импеданса экрана нормированного к волновому сопротивлению свободного пространства

[0055]. На Фиг. 6 показана зависимость глубины осцилляций фазовой диаграммы направленности ΔФ, измеряемой в градусах, от величины модуля импеданса экрана нормированного к волновому сопротивлению свободного пространства

[0056]. На Фиг. 7а показаны амплитудная и фазовая диаграммы направленности вычисленные для примера №1.

[0057]. На Фиг. 7b показаны амплитудная и фазовая диаграммы направленности вычисленные для примера №2.

[0058]. На Фиг. 7с показаны амплитудная и фазовая диаграммы направленности вычисленные для примера №3.

[0059]. На Фиг. 7d показаны амплитудная и фазовая диаграммы направленности вычисленные для примера №4.

[0060]. На Фиг. 7е показаны амплитудная и фазовая диаграммы направленности, вычисленные для примера №5.

[0061]. На Фиг. 8а показана возможная конструкция щелевой сетки с емкостным импедансом, где: 8001 - квадраты металлизации, разделенные щелями, образующими щелевую структуру; 8002 - диэлектрическая подложка; d - период щелевой структуры; 2а - ширина щели; h - толщина подложки.

[0062]. На Фиг. 8b показана возможная конструкция щелевой сетки с резистивно-емкостным импедансом, где: 8001 - квадраты металлизации, разделенные щелями, образующими щелевую структуру; 8002 - диэлектрическая подложка; 8003 - резистор; d - период щелевой структуры; 2а - ширина щели; h - толщина подложки.

[0063]. На Фиг. 9а показана возможная конструкция ленточной сетки с индуктивным импедансом, где: 9001 - ленты металлизации; 9002 - диэлектрическая подложка; d - период ленточной структуры; 2а - ширина ленты; h - толщина подложки.

[0064]. На Фиг. 9b показана возможная конструкция ленточной сетки с резистивно-индуктивный импедансом, где: 9001 - ленты металлизации; 9002 - диэлектрическая подложка; 9003 - резистор; d - период ленточной структуры; 2а - ширина ленты; h - толщина подложки.

[0065]. На Фиг. 10 показан вариант использования испытательного стенда с безэховой камерой, где: 1001 - стены и потолок безэховой камеры; 1002 - пол безэховой камеры; 1003 - верхний экран; 1004 - внешняя приемная антенна; 1005 - излучающая антенна; 1006 - приемная антенна; 1007, 1008, 1009 - направления на спутники; 1010 - направление на излучающую антенну; 1011 - траектория перемещения излучающей антенны; 1012 - кабель.

[0066]. На Фиг. 11 изображена схема испытательного стенда с верхним экраном вида "туннель", (нижний отражающий экран - не показан); где: 2001 - антенна; 11001 - верхний экран вида " туннель "; R - радиус верхнего экрана; Н - высота антенны (2001) над нижним экраном; α - угол между лучом, проведенным от антенны, к крайней верхней точке верхнего экрана и направлением на горизонт; 11002 - подвижная платформа, на которой закреплена антенна.

Осуществление изобретения

[0067]. Далее будет приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.

[0068]. В антенной технике принято описывать характеристики антенн в режиме передачи сигналов.

[0069]. Соответствие (равенство, эквивалентность) диаграмм направленности (ДН) антенн в режимах приема и передачи сигналов устанавливается теоремой взаимности.

[0070]. Для целей вычисления и имитации, искажения принимаемых сигналов эквивалентны искажениям диаграммы направленности (ДН) (амплитудной ДН, и фазовой ДН) приемной антенны испытательного приемника.

[0071]. Реальные препятствия типа деревьев эквивалентны резким осцилляциям ДН по амплитуде и фазе.

[0072]. Эти искажения характеризуются минимальным угловым периодом осцилляций ДН Т_θ [град], глубиной осцилляций амплитудной ДН ΔF [дБ], глубиной осцилляций фазовой ДН ΔФ [град].

[0073]. Спутниковый сигнал является электромагнитной волной и взаимодействует с экраном.

[0074]. Параметры этого взаимодействия (степень отражения, поглощения и прохождения через экран) описываются величиной называемой "импеданс слоя" (радиотехническое обозначение - Z_S).

[0075]. Подбирая, можно обеспечить требуемую степень отражения сигнала, его поглощения и прохождения через сетку.

[0076]. Угол места θ изменяется от 0 до 90 градусов, при этом угол 0 градусов соответствует направлению на зенит, а угол 90 градусов соответствует направлению на горизонт.

[0077]. Минимальная высота поднятия антенны над нижним отражающим экраном - 0,4 радиуса верхнего экрана.

[0078]. Нижний отражающий экран могут изготавливать в виде металлической или металлизированной фольги (листа), а также в виде металлической сетки с периодом сетки d_з<0.2λ и диаметром проводников 2r_з>0.01λ.

[0079]. Для снижения влияния верхнего экрана сетка выступает за границу препятствия на расстояние L, в интервале 0<L<5λ.

Вычисление геометрических параметров и импеданса экрана

[0080]. Для вычисления геометрических параметров и импеданса верхнего радиопрозрачного экрана применяют приближенные формулы (F1-F6).

[0081]. Зависимость минимально возможного углового периода осцилляций ДН от отношения радиуса экрана к длине волны Т_θ приближенно описывается формулой (F1).

[0082].

где: R - радиус полусферического верхнего экрана; λ - длинна волны.

[0083]. Рабочим диапазоном радиуса экрана является отрезок

[0084]. При этом реализуются угловые осцилляции ДН с периодом Т_θ=1.5…11 град.

[0085]. Зависимость минимально возможного периода осцилляций по углу места Т_θ, измеряемого в градусах, от отношения радиуса экрана R к длине волны, вычисленная по формуле (F1) показана на (Фиг. 4).

[0086]. Из формулы (F1) следует формула (F2), позволяющая по заданному минимальному периоду угловых Т_θ осцилляций определить требуемый радиус экрана R:

[0087]. Зависимость глубины осцилляций амплитудной диаграммы направленности ΔF от величины модуля импеданса экрана нормированного к волновому сопротивлению свободного пространства приближенно описывается формулой (F3):

[0088]. где: - модуль импеданса экрана нормированный к волновому сопротивлению свободного пространства; lg() - десятичный логарифм.

[0089]. Зависимость глубины осцилляций амплитудной диаграммы направленности ΔF, измеряемой в децибелах, от величины модуля импеданса экрана нормированного к волновому сопротивлению свободного пространства вычисленная по формуле (F3) показана на (Фиг. 5).

[0090]. Рабочий диапазон модуля импеданса экрана приблизительно равен

[0091]. В диапазоне модуля импеданса экрана реализуются амплитудные осцилляции ДН с глубиной |ΔF|>20 дБ.

[0092]. В диапазоне модуля импеданса экрана реализуются амплитудные осцилляции ДН с глубиной |ΔF|=20…4 дБ.

[0093]. Из формулы (F3) следует формула (F4), позволяющая по заданной величине амплитудных осцилляций ДН ΔF определить требуемый модуль импеданса экрана

[0094]. Зависимость глубины осцилляций фазовой диаграммы направленности ΔФ от величины модуля импеданса экрана, нормированного к волновому сопротивлению свободного пространства приближенно описывается формулой (F5):

[0095]. Формула (F5) применима на интервале

[0096]. На этом интервале модуля импеданса экрана возникают фазовые осцилляции ДН с глубиной ΔФ=40…120 град.

[0097]. Для интервала модуля импеданса расчетная формула (F5) не применима, так как в этом интервале модуля импеданса фазовая ДН испытывает скачки фазы на 180 град.

[0098]. Искусственные препятствия, дающие скачки фазовой ДН на 180 град также представляют интерес, т.к. это соответствует случаю сильного затенения реальными препятствиями, приводящему к сильной изрезанности амплитудной и фазовой ДН.

[0099]. Зависимость глубины осцилляций фазовой диаграммы направленности ΔФ, измеряемой в градусах, от величины модуля импеданса экрана нормированного к волновому сопротивлению свободного пространства вычисленная по формуле (F5) показана на (Фиг. 6).

[00100]. Из формулы (F5) следует формула (F6), позволяющая по заданной величине фазовых осцилляций ДН ΔФ определить требуемый модуль импеданса экрана

[00101]. Приведем примеры применения заявляемых способов для расчета параметров верхнего радио-полупрозрачного экрана сферической формы, создающего задаваемые амплитудные и фазовые искажения, и угловой период осцилляций диаграммы направленности.

ПРИМЕР №1

[00102]. Задача состоит в создании стенда, реализующего осцилляции с периодом Т_θ=3 град и глубиной амплитудных осцилляций ΔF=7 дБ.

[00103]. По формуле (F2) вычисляют требуемый радиус верхнего экрана R:

[00104]. По формуле (F4), исходя из требований по глубине осцилляций амплитудной ДН вычисляют требуемый импеданс верхнего экрана Z_S:

[00105]. По формуле (F5) для модуля импеданса экрана вычисляют глубину осцилляций фазовой ДН:

[00106]. Амплитудная и фазовая диаграммы направленности, вычисленные для примера №1, показаны на (Фиг. 7а).

ПРИМЕР №2

[00107]. Задача состоит в создании стенда, реализующего осцилляции с периодом Т_θ=7 град и глубиной осцилляций фазовой ДН ΔФ=80 град.

[00108]. По формуле (F2) вычисляют требуемый радиус экрана R:

[00109]. По формуле (F6) исходя из требований по глубине осцилляций фазовой ДН, вычисляют требуемый импеданс экрана

[00110]. По формуле (F3) для модуля импеданса экрана вычисляют глубину осцилляций амплитудной ДН:

[00111]. Амплитудная и фазовая диаграммы направленности, вычисленные для примера №2, показаны на (Фиг. 7b).

ПРИМЕР №3

[00112]. Задача состоит в создании стенда, реализующего осцилляции с периодом Т_θ=5 град и скачками фазы на 180 град.

[00113]. По формуле (F2) вычисляют требуемый радиус экрана R:

[00114]. По формуле (F6) исходя из требования наличия скачков фазовой ДН на 180 град, выбирают модуль импеданса из интервала

[00115]. По формуле (F3) для модуля импеданса экрана вычисляют глубину осцилляций амплитудной ДН:

[00116]. Амплитудная и фазовая диаграммы направленности, вычисленные для примера №3, показаны на (Фиг. 7с).

ПРИМЕР №4

[00117]. Задача состоит в построении (вычислении) амплитудной и фазовой диаграмм направленности для экрана с радиусом R=10λ и импедансом материала экрана

[00118]. По формуле (F3) вычисляют, что глубина амплитудных провалов находится в пределах ΔF=-(4.4…6.1) дБ.

[00119]. По формуле (5) вычисляют, что фазовая ошибка находится в пределах

[00120]. Вычисленный угловой период осцилляций равен Т_θ=5 град.

[00121]. Амплитудная и фазовая диаграммы направленности, вычисленные для примера №4, показаны на (Фиг. 7d).

[00122]. Данный набор параметров верхнего экрана соответствует слабо искаженным сигналам со спутников.

ПРИМЕР №5

[00123]. Задача состоит в построении (вычислении) амплитудной и фазовой диаграмм направленности для экрана с радиусом R=25λ и импедансом экрана

[00124]. По формуле (F3) вычисляют, что глубина амплитудных провалов находится в пределах ΔF=-(9.6…11.3) дБ.

[00125]. По формуле (F5) вычисляют, что фазовая ошибка находится в пределах

[00126]. Вычисленный угловой период осцилляций составляет Тλ=5 град.

[00127]. Вычисленные амплитудная и фазовая диаграммы направленности показаны на (Фиг. 7d).

[00128]. Амплитудная и фазовая диаграммы направленности, вычисленные для примера №5 показаны на (Фиг. 7е).

[00129]. Данный набор параметров верхнего экрана соответствует сильно искаженным сигналам со спутников, с пропаданием сигналов отдельных спутников.

[00130]. При изготовлении верхнего радио-полупрозрачного экрана в форме туннеля, исходя из соображений перекрытия препятствием открытого неба, угол α между лучом, проведенным от антенны, расположенной на высоте Н к крайней верхней точке верхнего экрана и направлением на горизонт должен составлять не более 30 град.

[00131]. В этом случае формулы F1-F6 сохраняют свою применимость.

Вычисление параметров материала экрана

[00132]. Из уровня техники известны способы получения поверхностей (покрытий) с различным импедансом слоя Z_S путем использования щелевых и ленточных сеток.

[00133]. Аналитической (формульной) зависимости параметров щелевой или ленточной сеток от импеданса не существует, поэтому параметры сеток могут быть определены только путем подбора с использованием формул (F7, F8), и известных из уровня техники зависимостей импеданса сеток от вида и параметров материала сеток.

Щелевая сетка

[00134]. Щелевые сетки могут иметь емкостный и резистивно-емкостный импеданс. Возможная конструкция щелевой сетки с емкостным импедансом показана на Фиг. 8а.

[00135]. Возможная конструкция щелевой сетки с резистивно-емкостным импедансом показана на Фиг. 8b. При отсутствии впаянных в щели резисторов импеданс Z_S равен собственному импедансу щелевой структуры

[00136]. При впаянных в щели резисторах с сопротивлением R импеданс Z_S определяется по формуле:

[00137]. Импеданс щелевой сетки при заданных параметрах сетки определяется по формуле:

[00138]. где:

[00139]. J₀ () - функция Бесселя 0-го порядка; i - мнимая единица; λ - длина волны; 2а - ширина щелей; d - период щелевой сетки; h - толщина диэлектрической подложки; ε - диэлектрическая проницаемость подложки.

[00140]. Приведем пример применения заявляемого способа для расчета параметров материалов верхнего радио-полупрозрачного экрана сферической формы типа "щелевая сетка", создающего задаваемые амплитудные и фазовые искажения, и угловой период осцилляций диаграммы направленности.

ПРИМЕР №6

[00141]. Задача состоит в вычислении параметров щелевой сетки, имеющей импеданс на частоте (при ).

[00142]. С помощью формулы (F7) методом подбора параметров вычисляют один из возможных наборов параметров, соответствующий заданной величине импеданса:

2а=1.5 mm; d=19 mm; h=1.5 mm; ε=3.2

[00143]. При этом величина импеданса сетки получается равной

Ленточная сетка

[00144]. Ленточные сетки могут иметь индуктивный и резистивно-индуктивный импеданс. Возможная конструкция ленточной сетки с индуктивный импедансом показана на Фиг. 9а.

[00145]. Возможная конструкция ленточной сетки с резистивно-индуктивным импедансом показана на Фиг. 9b. При отсутствии впаянных в ленты резисторов импеданс Z_S равен собственному импедансу ленточной структуры:

[00146]. При впаянных в щели резисторах с сопротивлением R импеданс Z_S определяется по формуле:

[00147]. Импеданс ленточной сетки при заданных параметрах сетки определяется по формуле (F12):

где:

[00148]. J₀ () - функция Бесселя 0-го порядка; i - мнимая единица; λ - длина волны; 2а - ширина лент; d - период ленточной сетки; h - толщина диэлектрической подложки; ε - диэлектрическая проницаемость подложки.

[00149]. Приведем пример применения заявляемого способов для расчета параметров материалов верхнего радио-полупрозрачного экрана сферической формы типа "ленточная сетка", создающего задаваемые амплитудные и фазовые искажения, и угловой период осцилляций диаграммы направленности.

ПРИМЕР №7.

[00150]. Задача состоит в вычислении параметров ленточной сетки, имеющей импеданс на частоте (при длине волны ).

[00151]. С помощью формулы (F10) методом подбора параметров вычисляют один из возможных наборов параметров, соответствующий заданной величине импеданса:

2а=1 mm; d=42 mm; h=1.5 mm; ε=3.2

[00152]. При этом величина импеданса сетки получается равной

[00153]. Дополнительно, возможно использование заявляемого испытательного стенда совместно с безэховой камерой.

[00154]. Вариант использования испытательного стенда с безэховой камерой показан на Фиг. 10.

[00155]. Стенд совместно с безэховой камерой используют следующим образом.

[00156]. В безэховой камере с поглощающими стенами и потолком (1001), и отражающим полом (1002) устанавливают приемную антенну (1006).

[00157]. Над приемной антенной устанавливают верхний экран (1003).

[00158]. В качестве нижнего отражающего экрана используют пол безэховой камеры (1002), возможно с дополнительным расположением на нем отражающего покрытия.

[00159]. Вне камеры, в зоне прямой радиовидимости спутников устанавливают приемную антенну (1004), соединенную кабелем (1012) с излучающей антенной (1005).

[00160]. По направлениям (1007, 1008, 1109) принимают со спутников сигналы, по кабелю (1012) передают их к излучающей антенне (1005), передают их, и принимают приемной антенной (1006).

[00161]. Излучающую антенну (1005) в процессе приема-передачи перемещают по траектории (1011) вокруг экрана (1003).

[00162]. При использовании данного стенда сигналы всех спутников будут приходить к приемной антенне (1106) из направления на излучающую антенну (1010), при этом все эти сигналы будут иметь одинаковые амплитудно-фазовые искажения, обусловленные влиянием экрана (1003).

[00163]. Данный вариант использования испытательного стенда позволяет получить амплитудно-фазовые искажения, одинаковые для сигналов со всех спутников, зависящие от заранее известных угловых характеристик амплитудной и фазовой ДН препятствия и положения излучающей антенны (1005).

[00164]. Таким образом, пользуясь формулами (F1-F8), можно по задаваемым требуемым параметрам амплитудных и фазовых искажений, и угловым периодом осцилляций диаграммы направленности вычислять параметры испытательного стенда (размер экрана и параметры его материала) требующиеся для имитации естественных препятствий и отработки алгоритмов позиционирования, строить такой стенд и проводить испытания и измерения.

[00165]. Это решает задачу заявляемого изобретения по построению испытательных радиотехнических стендов имитирующих характеристики настоящих реальных препятствий, из-за наличия которых спутниковые сигналы многократно отражаются и искажаются.

[00166]. Как вариант, верхний экран может быть выполнен в форме полусферического тоннеля, как показано на Фиг. 11, антенна установлена на движущейся платформе и ориентирована таким образом, что угол α между лучом, проведенным от антенны к крайней верхней точке верхнего экрана, и направлением на горизонт составляет не более 30 градусов.

[00167]. Таким образом, поскольку описан предпочтительный вариант изобретения, специалистам в данной области должно быть очевидно, что с использованием указанного способа и устройства были достигнуты определенные преимущества.

[00168]. Следует также иметь в виду, что возможны различные модификации, адаптации и альтернативные варианты, которые могут быть выполнены в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Кроме того, изобретение определяется нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к области построения испытательных стендов для проведения радиотехнических измерений и опытов с сигналами Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС). Заявленный испытательный стенд для имитации многократного отражения сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) включает в себя верхний радио-полупрозрачный экран, имеющий преимущественно куполообразную форму; нижний радио-отражающий экран; верхний полупрозрачный экран, расположенный над нижним отражающим экраном; и антенну ГНСС, соединенную с приемником и расположенную между верхним экраном и нижним экраном. Технический результат – построение испытательных радиотехнических стендов, имитирующих характеристики настоящих реальных препятствий, из-за которых спутниковые сигналы многократно отражаются и искажаются. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ изготовления испытательных стендов для имитации многократного отражения сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС), включающий в себя:

изготовление верхнего радио-полупрозрачного экрана, где указанный экран выполнен, преимущественно, в форме колпака;

изготовление нижнего радиоотражающего экрана;

размещение верхнего радио-полупрозрачного экрана над нижним радиоотражающим экраном;

размещение в пространстве между верхним радио-полупрозрачным экраном и нижним радиоотражающим экраном ГНСС антенны, соединенной с приемником.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубина осцилляций фазовой диаграммы направленности ΔФ задана, и требуемый модуль импеданса материала верхнего экрана лежит в диапазоне от 0.1 до 0.45, где

ΔФ=180(2n+1) градусов, где n=1, 2, 3 ….

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубина осцилляций амплитудной диаграммы направленности (ΔF) задана как |ΔF|=20…4 дБ,

и модуль импеданса материала верхнего экрана определяется как

и

он лежит в диапазоне 0.2-1.2, и

при ΔF>20 дБ, модуль импеданса материала верхнего экрана лежит в диапазоне 0.1-0.2, где W₀ - волновое сопротивление свободного пространства.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нижний радиоотражающий экран изготавливается в виде металлической или металлизированной фольги (листа), или в виде металлической сетки с периодом сетки d_g<0.2λ и диаметром проводников 2r_g>0.01λ; при этом нижний экран может выступать за границу верхнего экрана на расстояние L, в интервале 0<L<5λ.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхний радио-полупрозрачный экран изготавливается в виде полуцилиндрического туннеля; и

в пространство между верхним и нижним экраном помещают подвижную платформу, на которой закрепляется антенна, ориентированная так, что угол α между лучом, проведенным от антенны к крайней верхней точке верхнего экрана и направлением на горизонт, составляет не более 30 градусов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхний радио-полупрозрачный экран изготавливается в виде щелевой сетки, имеющей емкостный и/или резистивно-емкостный импеданс.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, верхний радио-полупрозрачный экран изготавливается в виде ленточной сетки, имеющей индуктивный и/или резистивно-индуктивный импеданс.

8. Испытательный стенд для имитации многократного отражения сигналов Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС), содержащий:

верхний радио-полупрозрачный экран, где верхний экран преимущественно имеет форму колпака;

нижний радиоотражающий экран, при этом

верхний экран расположен над нижним экраном; и

антенну приемника сигналов навигационных спутников (ГНСС), размещенную в пространстве между верхним радио-полупрозрачным экраном и нижним радиоотражающим экраном, соединенную с этим приемником.

9. Испытательный стенд по п. 10, отличающийся тем, что задана глубина осцилляций фазовой диаграммы направленности (ΔФ), и модуль импеданса материала верхнего экрана лежит в диапазоне 0.1…0.45 и по заданной ΔФ определяется соотношением

, при этом ΔФ=180*(2n+1), где n=1, 2, 3 …, a W₀ - волновое сопротивление свободного пространства.

10. Испытательный стенд по п. 10, отличающийся тем, что модуль импеданса материала верхнего экрана лежит в диапазоне 0.2…1.2 и определяется соотношением , где |ΔF|=20…4 дБ, и

при |ΔF|>20 дБ модуль импеданса материала верхнего экрана лежит в диапазоне 0.1…0.2, где W₀ - волновое сопротивление свободного пространства.

11. Испытательный стенд для по п. 10, отличающийся тем, что нижний радиоотражающий экран изготавливается в виде металлической или металлизированной фольги, или в виде металлической сетки с периодом сетки d_g<0.2λ и диаметром проводников 2r_g>0.01λ; при этом нижний экран может выступать за границу верхнего экрана на расстояние L, в интервале 0<L<5λ.

12. Испытательный стенд по п. 10, отличающийся тем, что верхний радиополупрозрачный экран изготавливается в виде полуцилиндрического туннеля; и

в пространстве между верхним и нижним экраном размещена подвижная платформа, на которой закреплена антенна; и

антенна ориентирована так, что угол α между лучом, проведенным от антенны, к крайней верхней точке верхнего экрана и направлением на горизонт составляет не более 30 градусов.

13. Испытательный стенд по п. 10, отличающийся тем, что верхний радиополупрозрачный экран изготавливается в виде щелевой сетки, имеющей емкостный и/или резистивно-емкостный импеданс.

14. Испытательный стенд по п. 10, отличающийся тем, верхний радио-полупрозрачный экран изготавливается в виде ленточной сетки, имеющей индуктивный и/или резистивно-индуктивный импеданс.