Измерительная информация, поступающая со спутников, относится к фазовому центру антенны. Для корректной обработки измерений с целью получения высокой точности, необходимо учитывать пространственное положение фазового центра, а так же вариации фазового центра. Пространственное положение фазового центра учитывается как в кодовых, так и в фазовых измерениях. Необходимость учитывать поправки за вариации фазового центра возникает при обработке фазовых измерений. В результате обработки фазовых измерений получается наибольшая точность определения пространственного положения точек на поверхности Земли.
Антенна - это устройство, которое используется для преобразования сигнала на передающем конце радиолинии в электромагнитное колебание, распространяющееся в свободном пространстве, а на приемном конце для преобразования электромагнитного колебания в сигнал, подлежащий дальнейшей обработке в приемном устройстве с целью извлечения из него полезной информации.
На сегодняшний день основным типом спутниковых радионавигационных антенн, которые входят в комплект спутниковой аппаратуры используемой в геодезии, являются микрополосковые антенны.
Основным преимуществом микрополосковых антенн является малая масса, простота конструкции и связанная с этим высокая технологичность, что создает хорошую повторяемость параметров при серийном производстве.
Измерительная информация, поступающая со спутников, относится к точке, которая называется фазовым центром антенны.
Для определения понятия фазового центра применительно к спутниковой геодезии, необходимо в общих чертах рассмотреть основные понятия радиоэлектроники.
Фазовый центр антенны, математически, неразрывно связан с функцией, которая называется фазовой диаграммой (характеристикой) направленности.
Рассмотрим подробнее, что собой представляет фазовая диаграмма направленности.
Пусть дана некоторая антенна и источник радиоизлучения в заданной системе координат
Если антенну, закрепить в вертикальном положении, в точке O (0,0,0) при помощи шарнирного соединения, то положение антенны в произвольный момент времени, можно представить в виде угловых координат Θ и φ, которые называются углами места.
При вращении антенны относительно вертикальной оси Z и пошаговом изменении значения угла Θ, приемное устройство, связанное с антенной, будет регистрировать задержки по фазе несущей (фазовые сдвиги). Данные фазовые сдвиги связаны с задержками, которые возникают при распространении электромагнитных волн в пространстве и с тем, что любая антенна является объектом дифракции. Величину фазовых сдвигов в зависимости от углов места и описывает функция , которую принято называть фазовой диаграммой направленности.
Для дальнейших рассуждений введем понятие идеальной антенны. Идеальная антенна – это антенна, фазовая диаграмма направленности которой является постоянной функцией.. В случае идеальной антенны (точечная антенна) фронт волны представляет собой вид сферы, где центр сферы называется фазовым центром.
Из радиоэлектроники известно, что невозможно создать идеальную антенну, а так же, что волновой фронт реальной антенны не является сферой, следовательно, в классическом понимании определение фазового центра для реальной антенны отсутствует.
В связи с необходимостью качественного и количественного обоснования фазового центра, для различных областей деятельности, в зависимости от применения антенн могут быть сформулированы различные определения. Несмотря на различие в определениях неизменным остается то, что для реальных условий фазовый центр является точкой, полученной в результате некоторого осреднения истинной фазовой диаграммы, например с помощью метода наименьших квадратов.
Понятие фазового центра антенны применительно к спутниковой геодезии можно объяснить при рассмотрении условного сеанса наблюдений.
При относительном способе определений в случае использования двух идеальных антенн, будет получен вектор между точками A и B, относительно которых была определена фазовая диаграмма направленности
Предположим, что определение координат вектора было выполнено при следующих условиях:
Отсутствуют всевозможные источники ошибок
Спутники радионавигационной системы непрерывно движутся и с течением времени равномерно покрывают всю небесную сферу
Если вместо одной из двух идеальных антенн поставить антенну с реальной фазовой диаграммой направленности, то получим ситуацию изображенную ниже
В результате позиционирования будет получена точка C, которую можно охарактеризовать как фазовый центр антенны применительно к спутниковой геодезии.
Калибровки антенн
Координаты фазовых центров антенн входящих в состав пользовательской аппаратуры определяются в результате калибровок. Различают три основных способа калибровки:
Абсолютный способ калибровки, реализуемый в безэховой камере;
Абсолютный способ калибровки, реализуемый в полевых условиях;
Относительный способ калибровки, реализуемый в полевых условиях
Абсолютный способ калибровки, реализуемый в безэховой камере.
Процесс абсолютной калибровки связан с непосредственным определением фазовой диаграммы направленности.
Вращение антенны осуществляется при помощи пластмассового механического поворотного устройства.
Полученную истинную фазовую диаграмму направленности аппроксимируют постоянной функцией при любых углах места, то есть подбирают сферу, которая наилучшим образом усредняет неровности реального волнового фронта.
В радиоэлектронике центр данной сферы называется центром излучения (приема), в геодезии его часто интерпретируют как фазовый центр.
Для нахождения координат центра излучения составляют функцию среднеквадратических уклонений истинной фазовой характеристики от эталонной фазовой характеристики (сфера).
Особенностью в нахождения координат центра излучения для антенн, применяемых в спутниковой геодезии, является то, что в процессе аппроксимации нас интересует только верхняя часть фазовой диаграммы направленности, то есть эталонная функция представляется полусферой.
Нижняя часть фазовой диаграммы направленности в значительной мере подавляется за счет используемых конструктивных элементов антенн, к которым в основном относятся различные виды ground-plane*
* ground-plane - это конструктивный элемент антенны, который служит для подавления сигналов поступающих со стороны нижней полусферы в результате отражения от подстилающей поверхности. Не которые конструкции ground-plane позволяют подавить сигналы от низких спутников.
При данном способе калибровки, фазовую диаграмму направленности определяют в радиочастотной безэховой камере с использованием лабораторного источника излучения
Безэховая камера – это уникальное инженерное сооружение для проведения исследований и испытаний по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности. Стены и потолок камеры облицованы поглощающим электромагнитные волны материалом. В полностью безэховой камере радиопоглощающим материалом покрыт также пол. Покрытие камеры радиопоглощающим материалом преследует цель предотвратить отражения радиоволн от внутренних поверхностей камеры, так как интерференция отраженного и излученного электромагнитных полей может привести к образованию пиков и провалов напряженности результирующего электромагнитного поля.
Следует понимать, что в безэховой камере, искажение волнового фронта за счет отраженных электромагнитных полей исключено.
Абсолютный способ калибровки, реализуемый в полевых условиях
Данный метод калибровки разработан и применяется специалистами Университета Ганновера (http://www.uni-hannover.de/de/) и компании Geo++® GmbH (http://www.geopp.de/).
При данном способе калибровки в наличии имеется испытуемая антенна и вспомогательная антенна. Вспомогательная антенна используется только с целью получения дифференциального решения, то есть для формирования разностей.
В место лабораторного источника радиоизлучений, как это было в безэховой камере, используют излучения от реальных спутников.
Перемещение и поворот антенны осуществляется при помощи специализированного робота изображенного ниже
Считается, что интервал времени, при котором исследуемая антенна меняет свое положение в пространстве настолько мало, что положение спутника относительно фазовой диаграммы направленности вспомогательной антенны не меняется, это предположение является верным с большой долей вероятности.
Исходными данными для нахождения координат фазового центра будут являться разности измерений между вертикальным положением антенны при угле места и положением антенны при угле, отличным от 0. Разность измерений при неизменном положении спутника представляет собой разность фазовых диаграмм направленности.
Измерения в данном методе производятся в течение двух суток. За это время успевает накопиться большой объем данных по каждому спутнику. Далее, по методу наименьших квадратов находят непосредственно координаты центра излучения (фазового центра).
Относительный способ калибровки, реализуемый в полевых условиях
Данный метод калибровки разработан и применяется специалистами Национальной геодезической службы (NGS USA (National Geodetic Survey))(http://www.ngs.noaa.gov/).
Калибровка производится на базовой линии длиной 5 м, закрепленной бетонными пилонами высотой 1.8 м
На верхних торцах пилонов установлены крепления для антенн. Расстояния и превышения между пилонами точно определены из геодезических измерений.
На рисунке ниже изображено расположение оборудования при калибровке антенн относительным методом в соответствии с информацией размещенной на сайте NGS http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/images/summary.html.
На северном пилоне устанавливается эталонная антенна, на южном пилоне – исследуемая.
Обе антенны работают с приемниками Ashtech-Z12, которые обрабатывают сигналы со спутников, имеющих возвышение над горизонтом большее 10º. Для обоих приемников в качестве внешнего стандарта частоты используется рубидиевый генератор. В качестве эталонной антенны для калибровочных измерений постоянно используется антенна с элементом Dorne/Margolin (AOAD/M_T Choke Ring), разработанная в Лаборатории реактивного движения (США).
Измерения производятся в течение 24-часового сеанса наблюдений. Координаты фазовых центров для частот L1 и L2 вычисляют как разность между базовым и вычисленным вектором, полученным при постобработке одночастотных спутниковых измерений с использованием вторых разностей. Считается, что вторые разности на расстоянии 5 м, свободны от влияния тропосферных и ионосферных эффектов.
Данный способ определения координат фазового центра антенны, соответствует рассмотренному ранее условному сеансу наблюдений
В геодезии в основном используют абсолютные и относительные (на момент написания статьи - очень редко, в основном с очень старыми антеннами) калибровки, выполненные в полевых условиях.
Отметим тот факт, что определение координат фазового центра всегда происходит относительно некоторой фиксированной точки. Данная точка обычно является пересечением вертикальной оси симметрии антенны с её монтажной плоскостью. В англоязычной литературе данная точка называется Antenna reference point или сокращенно (ARP).
Вариации фазового центра
При калибровке антенн, кроме координат фазового центра, полученных относительно фиксированной точки, так же определяются величины характеризующие вариации фазового центра (PCV).
При абсолютном способе калибровки под вариациями фазового центра понимают отклонения реального волнового фронта от идеального фронта.
При относительном способе калибровки в качестве вариаций фазового центра используют задержки, возникающие при распространении сигнала в пространстве от спутников до фазового центра антенны. Данные задержки фиксируются приемным устройством.
1.4 G ANTEX VERSION / SYST
A PCV TYPE / REFANT
This calibration extracted from composite ngs14.atx. See COMMENT
the composite file ngs14.atx for more information. COMMENT
END OF HEADER
START OF ANTENNA
CHCI90 NONE TYPE / SERIAL NO
FIELD NGS 4 16-OCT-19 METH / BY / # / DATE
0.0 DAZI
0.0 80.0 5.0 ZEN1 / ZEN2 / DZEN
2 # OF FREQUENCIES
NGSRA_2076 SINEX CODE
CONVERTED FROM RELATIVE NGS ANTENNA CALIBRATIONS COMMENT
G01 START OF FREQUENCY
1.56 2.17 105.34 NORTH / EAST / UP
NOAZI 0.00 -0.23 -0.11 -0.04 -0.14 -0.33 -0.68 -1.01 -1.50 -1.84 -2.08 -2.32 -2.26 -1.88 -0.91 0.86 3.93
G01 END OF FREQUENCY
G02 START OF FREQUENCY
1.51 2.74 106.45 NORTH / EAST / UP
NOAZI 0.00 -1.93 -2.71 -2.78 -2.39 -1.78 -1.20 -0.77 -0.72 -0.82 -1.16 -1.56 -2.13 -2.83 -3.53 -4.03 -3.98
G02 END OF FREQUENCY
G01 START OF FREQ RMS
0.60 0.30 0.30 NORTH / EAST / UP
NOAZI 0.00 0.20 0.20 0.30 0.30 0.30 0.30 0.20 0.20 0.20 0.20 0.30 0.30 0.20 0.30 0.30 0.20
G01 END OF FREQ RMS
G02 START OF FREQ RMS
0.60 0.50 0.00 NORTH / EAST / UP
NOAZI 0.00 0.20 0.20 0.30 0.30 0.30 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.30 0.30 0.30
G02 END OF FREQ RMS
END OF ANTENNA
В общем случае антенны рассчитаны на прием сигналов в диапазоне частот L1 и L2, следовательно, в файлах содержащих результаты калибровок будут записаны топоцентрические координаты фазовых центров L1 и L2 относительно ARP, а также вариации данных фазовых центров в зависимости углов возвышения спутников с шагом 5º относительно горизонта.
Для того чтобы найти поправку в измерения по фазе несущей L2 для спутника с возвышением 32º 30' необходимо выполнить линейную интерполяцию по следующей формуле
Учет фазового центра антенны (общая схема)
Учет ФЦ в разных программах реализован по разному, рассмотрим общую упрощенную схему
Координаты базовой станции с поверхности Земли пересчитываются к фазовому центру L1
Используя кодовые измерения со спутников, полученные на базе и ровере, вычисляются приближенные координаты вектора между базой и ровером.
Зная координаты базы и вектор между базой и ровером, вычисляются приближенные координаты ровера.
В измерения по фазе несущей вводят поправки за вариации фазового центра PCV. Файлы с сайта NGS содержат поправки за вариации фазового центра PCV. Данные поправки вводятся в измерения по фазе несущей для частот L1 и L2 соответственно. Так как PCV есть функция от возвышения спутника, и значения этой функции представлено в табличном виде с дискретностью 5º, то с помощью линейной интерполяции можно определить значения функции на любом интервале между двумя граничными значениями
С целью получения избыточного числа уравнений связи, измерения от каждого спутника по фазе L2 приводятся к фазовому центру L1. Для того чтобы привести измерения от фазового центра L2 к фазовому центру L1 необходимо учесть задержки прихода волны между данными фазовыми центрами для каждого спутника
Составляется система уравнений, в результате решения которой по методу наименьших квадратов уточняется координаты вектора.
Одновременно с уточнением вектора происходит уточнение координат определяемой точки.