旋轉條件下衛(wèi)星導航信號研究

杜道成

摘 要：本文研究的是旋轉條件下接收機接收到的GPS衛(wèi)星信號，并對接收機天線的方向圖做了初步的研究。選取非全向單天線，研究其旋轉時接收到的GPS衛(wèi)星L1頻段射頻信號。

關鍵詞：旋轉條件;衛(wèi)星導航

非全向天線是相對于全向天線而言的，其特點是天線的輻射增益在特定方向上達到最大，不難想象，在非全向天線旋轉過程中，接收到的GPS衛(wèi)星導航信號幅值必然會隨著天線增益方向圖的變化而相應變化，這種變化主要反映在天線方向圖法向與衛(wèi)星到天線的入射信號的夾角在不斷的變化，即彈體在飛行過程中，其俯仰角和模滾角相對衛(wèi)星信號入射方向的變化。同時，由彈體自旋在產生的在入射方向上相對衛(wèi)星的速度變化，勢必也會引起接收到的信號中額外的增加了旋轉產生的多普勒頻率，進而對信號相位也產生影響。所以，綜合看來，在彈體旋轉過程中，由單個非全向天線接收到的GPS信號在幅值、多普勒、載波相位、碼相位等幾個方面都將產生變化。

1 旋轉對多普勒及相位的影響

要研究彈體旋轉產生的多普勒，要從多普勒的基本表達式入手，式（1）為多普勒的表達式

式中υr 為彈載接收機天線旋轉線速度在衛(wèi)星與天線連線上的速度分量。f是信號原頻率。c為光速。推廣到一般情況，彈體的旋轉速度為ω（τ），那么旋轉角度為，則一般情形的多普勒為：

式中fL1為L1載波頻率，fC/A為C/A碼頻率。r為天線偏離旋轉軸的距

離，忽略天線厚度，即彈體半徑。

由上兩式已求得多普勒，積分可得旋轉引起的載波相位和碼相位變化，

φs（t）為旋轉引起的瞬時載波相位，φs為旋轉引起的瞬時碼相位。由以上四式可知，旋轉產生的多普勒及相位與天線偏離旋轉軸的距離，衛(wèi)星信號入射的角度，載波頻率、碼頻率有關。轉速、旋轉載體的半徑、載波頻率、碼頻率越高，多普勒越大。

2 旋轉對接收信號載波幅度的影響

GPS信號為右旋圓極化波[1]，根據(jù)電磁波傳播理論，可以將GPS信號的電場強度分解為與其入射方向垂直的兩個正交分量。GPS信號在天線表面產生感應電動勢，形成天線內部傳輸?shù)碾娏骰螂妷?，此電流或電壓的大小就反應了所接收的電磁波的幅值，所以在入射信號與天線法線的夾角在不斷變化時，入射電磁波在天線表面的投影也在不斷的變化，二者呈余弦變化關系，那么所接收到的信號的幅值也就產生了類似余弦的變化規(guī)律。

天線增益與天線方向圖有密切的關系[2]，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。增益與天線方向圖函數(shù)的關系可表達為式：

式中θ，φ的定義如圖所示。Ae是天線有效接收面積，在工程上表示接收天線對信號的接收能力，即實際反應到信號上的增益幅度。G為接收天線的增益，f（θ，φ）為方向圖歸一化函數(shù)。由此式可直觀的了解，當入射的GPS信號垂直于天線表面上，接收到的信號能量為最大值。隨著天線的旋轉，接收到的信號能量變小。共形天線的方向圖要比平面天線的天線方向圖要好一些，也適用于彈體流線形設計，所以要模擬共形微帶天線的方向圖函數(shù)。通過對天線方向圖原理和微帶天線方向圖的研究，我們可大致用余弦函數(shù)來模擬信號幅值隨入射角的變化，用指數(shù)衰減函數(shù)來模擬天線被遮擋時電磁波繞射產生的信號衰減。

由于天線與彈體固聯(lián)，所以ox軸與彈體縱軸，即自旋旋轉軸平行。Ψ為入射信號與天線坐標系oy軸的夾角，Ω為入射信號在天線表面的投影與彈體旋轉軸的夾角。由彈體的運動狀態(tài)可知，的取值范圍為0～，的取值范圍為0～2。

由此，天線的增益即可表示為和的函數(shù)：

由于彈體旋轉在短時間內的變化不大，為定值，由衛(wèi)星與天線坐標系的幾何關系可推得

設GPS直達信號的幅度為A0，則天線接收到的信號幅度為

由于在旋轉過程中保持不變，為定值，那么就可寫作;真實的天線方向圖很難用解析式表達出來，這里為了體現(xiàn)出信號幅度隨時間的變化，假設

3 結束語

本文選取的是非全向單天線作為研究對象，研究其旋轉時接收到的GPS衛(wèi)星L1頻段射頻信號。而精確的天線方向圖很難以解析的形式給出，且在非全向天線旋轉過程中，彈體對天線存在遮擋，這就需要對電磁波的傳播特點深入的研究，以期用曲線擬合的方式構造出天線方向圖函數(shù)。

參考文獻

[1]魯郁.北斗/GPS雙模軟件接收機原理與實現(xiàn)技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.39-47.

[2]Kraus，J.D著，章文勛譯.天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.4.