Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

77-30569/255301 Экспериментальное исследование влияния многолучевого распространения радио-волн на точность измерения дальности на пересеченной местности

# 11, ноябрь 2011
Файл статьи: Филатов_P.pdf (317.36Кб)
авторы: Филатов А. А., Крючков И. В., Нефедов С. И., Михеев В. А.

УДК 621.396.969.11

НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э.Баумана

andrey-rus-sky@yandex.ru

kryuchkov@bmstu.ru

nefedov@bmstu.ru
miheev-foto@yandex.ru

Задача локального позиционирования, т.е. определения координат разнесенных в пространстве объектов в некоторой местной системе, встречается во многих приложениях, таких как телекоммуникации, радиоастрономия, многопозиционная радиолокация, логистика, строительство и т.д.

В настоящее время для решения задач локального позиционирования широкое применение находят спутниковые радионавигационные системы (СРНС) с применением дифференциальной обработки сигналов. Известно, что дифференциальные фазовые методы обработки сигналов СРНС позволяют достигать миллиметрового уровня точности при определении взаимных расположений и наносекундной точности взаимной временной синхронизации [1]. Однако такая точность достигается только в условиях, когда влияние многолучевости незначительно. Это обеспечивается выбором антенн, созвездий и работой на открытых участках.

В ряде случаев применение глобальных СРНС для локального позиционирования нежелательно по ряду причин. В таких случаях необходимо применять локальные системы позиционирования (ЛСП). Наиболее часто на практике применяются дальномерные или разностно-дальномерные системы, в которых измеряются задержки распространения сигналов между пунктами. Работа происходит, как правило, вблизи подстилающей поверхности и в условиях влияния окружающих предметов. В такой ситуации многолучевое распространение сигналов будет оказывать существенное влияние на работу системы, чем в случае с СРНС.

В [1] упоминается, что использование широкополосных сигналов (ШПС) для измерения задержек может являться одним из методов защиты от многолучевости. По нашим оценкам, для достижения точности измерений на уровне единиц-десятков сантиметров требуются полосы сигналов в несколько сотен мегагерц, что значительно больше ширины спектра сигналов в современных СРНС.

Вопросы влияния многолучевости подробно рассмотрены в зарубежных источниках, но, в основном, применительно к радиосвязи, позиционированию в помещениях и СРНС [2,3,4]. В отечественной литературе данная проблема не получила отражения на должном уровне.

Поэтому настоящая работа посвящена экспериментальной оценке точности ЛСП с ШПС для разнесенной радиотехнической системы (РРС) при влиянии многолучевости на пересеченной местности.

В работе использована экспериментальная установка с шириной полосы  = 500 МГц, показанная на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментального измерения расстояния между позициями.

Система состоит из двух антенн и измерителя комплексных коэффициентов передачи (ИККП), к которому антенны подключены гибкими коаксиальными кабелями для возможности перемещения. Антенны, конструкция которых показана на рис. 2, закреплены на вертикальных стойках на высоте не менее 2 м. Работа ИККП контролируется персональным компьютером (ПК).

Рис. 2. Общий вид дискоконусной антенны.

При измерениях с помощью ИККП регистрируется комплексная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала передачи, образованного передающей и приемной антеннами, трассой распространения и соединительными кабелями. Затем из комплексной АЧХ канала с помощью обратного преобразования Фурье рассчитывается импульсная характеристика (ИХ) канала, по которой определяется задержка сигнала.

Одна из антенн  – передающая – излучает в эфир специальный сигнал позиционирования (СП), поступающий с соответствующего выхода ИККП. Вторая антенна  принимает данный СП, который регистрируется ИККП и далее ПК. Как отмечено выше, был предложен СП с полосой  = 500 МГц. Данная полоса выбрана для того, чтобы обеспечить разрешение по дальности см. Синтез СП происходит в ИККП последовательно на каждой из частот диапазона  с шагом = 0,5 МГц. Отметим, что величина  определяет возможный диапазон измерения расстояния (задержек СП, [4]) между позициями. В данном случае интервал однозначного определения дальности составляет 600 м. Для возможности работы с ШПС были разработаны специальные широкополосные антенны (дискоконусы, см. рис. 2, 3) в диапазоне (500…1000) МГц, а также проверена возможность высокочастотного (ВЧ) тракта пропускать СП без искажений в данном диапазоне частот.

 

Рис 3а. Диаграмма направленности.

Рис. 3б. Коэффициент стоячей волны

дискоконусной антенны

 

На рис 4а. представлена огибающая комплексной АЧХ канала передачи СП, а на рис 4б. – огибающая комплексной ИХ.

Рис. 4а. Пример АЧХ канала распространения СП.

 

Рис. 4б. Пример ИХ канала распространения СП.

 

            Из рис. 4а следует, что АЧХ неравномерна. Это связано прежде всего с затуханием в ВЧ трактах, а также с АЧХ используемых ВЧ усилителей. Кроме того, максимум СП во временной области соответствует общей электрической длине  (в данном случае ≈ 227 м) между входом и выходом ИККП, а не расстоянию  между фазовыми центрами антенн позиций  и . Следовательно, для устранения указанных недостатков необходимы специальные меры. Предложим, один из возможных алгоритмических вариантов.

            Пусть перед проведением экспериментов проводятся специальные калибровочные записи СП. Одна из позиций, например,  фиксирована, а другую –  –  последовательно размещают на различных ракурсах относительно  строго на одном и том же расстоянии  (рис. 5).

Рис. 5. Последовательность калибровочных записей СП.

            На рисунке 5 показано четыре возможных положения позиций. В общем случае их может быть . При этом получено  реализаций СП в частотной области , , …, . Требуемый калибровочный сигнал (КС) можно представить в виде (1). Заметим, что операция (1) позволяет учесть влияние близлежащих объектов в структуре многолучевости, а также усреднить их вклад по ракурсам.

,                                   (1)

где

             – калибровочное расстояние

 – частота;

 – мнимая единица;

 – скорость света в вакууме.

            Умножение на экспоненту в (1) необходимо для исключения из электрической длины  расстояния между фазовыми центрами антенн, в данном случае – калибровочной длины . Далее КС (1) может быть использован для устранения электрической длины тракта в экспериментальных записях  по следующему алгоритму:

                                                         (2)

            Из (2) следует, что в результате комплексного деления происходит не только устранение электрической длины ВЧ тракта (- ), но и амплитудная коррекция в выделенной полосе частот  (рис. 4а). Результат калибровки показан на рис. 6.

Рис. 6. Огибающая АЧХ канала после калибровки принимаемого СП.

На рисунке 6 показана огибающая ИХ канала передачи после калибровки. Из рисунка 6 видно, что во временной области наблюдается функция типа  (см. рисунки 4б, 6). В результате компенсации электрической длины получена оценка расстояния между антеннами ≈ 22 м.

            Типовые ИХ канала передачи для различных типов трасс с учетом калибровки (1)-(2) представлены на рис. 7. Можно отметить, что в условиях многолучевости отдельные лучи могут превышать уровень боковых лепестков ИХ вида . В условиях сильного влияния многолучевости (рис. 7в) неизвестно, какой из лучей является прямым. Эксперименты показали, что в густом лесном массиве прямой луч может вовсе не наблюдаться.

Рис 7а. Пример огибающая ИХ канала в открытом поле (≈ 177 м).

Рис. 7б. Пример огибающей ИХ канала на трассе с редкими препятствиями.

Рис. 7в. Пример огибающей ИХ канала в лесу (≈ 56 м).

Результаты оценок точности определения дальности между двумя позициями РРС для коротких трасс, а также смещения этих оценок приведены в таблице. Измерения расстояния осуществлялось по прямому лучу (максимуму огибающей ИХ), а контроль – по лазерному дальномеру с точностью измерения дальности не хуже 1,5 мм. При этом погрешность измерения истинного расстояния между фазовыми центрами антенн, ограниченная жесткостью механических опор, равна не более 2 см.

Таблица 1

Результаты измерения расстояния между позициями.

Описание трассы

Смещение, см

СКО, см

Поле на дальностях от 14 м до 177 м

16

6

Местность с редкими препятствиями на дальностях от 11 м до 172 м

12

8

Лес на дальностях от 34 м до 67 м

-3

20

По всем трассам

9

12

 

Всего было проведено 70 измерений на трассах точка-точка. Результаты справедливы для отношения сигнал-шум не хуже 20 дБ.

Таким образом, в результате экспериментов получены оценки точности измерения дальности в ЛСП с использованием ШПС на коротких трассах. Показано, что в условиях пересеченной местности многолучевость может оказывать существенное влияние на точность измерений.

На основе экспериментальных данных можно сделать вывод, что позиционирование в лесной местности даже при использование ШПС может быть затруднительным без применения специальных методов борьбы с многолучевостью. Существенный выигрыш по точности при измерениях расстояния на пересеченной местности может дать расположение фазовых центров антенн как можно дальше от подстилающей поверхности, а в случае при работе в лесном массиве – установка антенн над кронами деревьев; использование широкополосных сигналов с полосой от нескольких сотен мегагерц и более.

 

Список литературы

  1. Филатов А.А., Крючков И.В., Нефедов С.И., Михеев В.А. Экспериментальное исследование точности определения дальности для разнесенной радиотехнической системы на местности // Радиолокация, навигация, связь: Труды XVII международной научно-технической конф. Воронеж. 2011. Т. 3. C. 1709 - 1717.
  2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Радиотехника, 2010. – 800 с.
  3. Weill L. Multipath Mitigation Using Modernized GPS Signals: How Good Can It Get, ION GNSS 2005, Long Beach, CA.
  4. J.Barnes, C.Rizos, M.Kanli, A.Pahwa. A positioning technology for classically difficult GNSS environment from Locata, IEEE San Diego, 2005.
  5. E.D.Zand. Measurement of TOA using frequency domain techniques for indoor geolocation. A thesis of the Worester Polytechnic Institute, 2003.

Публикации с ключевыми словами: широкополосная антенна, глобальная система позиционирования, локальная система позиционировния, спутниковая радионавигационная система, многолучевость, разнесенная радиотехническая система, комплексная амплитудно-частотная характеристика канала, импульсная характеристика канала, широкополосный сигнал, среднее квадратическое отклонение
Публикации со словами: широкополосная антенна, глобальная система позиционирования, локальная система позиционировния, спутниковая радионавигационная система, многолучевость, разнесенная радиотехническая система, комплексная амплитудно-частотная характеристика канала, импульсная характеристика канала, широкополосный сигнал, среднее квадратическое отклонение
Смотри также:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2024 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)