Вы здесь

Калибровка фазовых центров антенны

Перевод статьи опубликованной в GPS World, Май 2002
Публикуется с разрешения Advanstar Communications Inc
859 Willamette Street, Eugene, Oregon 97401-6806, USA
Tel: +(541) 343-1200
Fax: +(541) 984-5333
E-mail:

Авторы: Gerald L. Mader, Frank M. Czopek

GPS приёмник определяет расстояния (псевдодальности) между фазовым центром своей антенны и фазовыми центрами передающих антенн GPS спутников. Значения псевдодальностей не являются абсолютно точными, вследствие различий синхронизации часов приёмника и спутников, задержек при прохождении сигналом атмосферы и тропосферы, неопределённости целого количества длин волн и ряда других факторов. Для определения координат приёмной антенны управляющее программное обеспечение приёмника (или программное обеспечение программы постобработки) объединяет данные синхронных измерений от разных спутников с информацией о координатах спутников, отклонениями хода спутниковых часов и другими параметрами в точную теоретическую модель измерений.

Координаты спутника вычисляются по данным эфемерид, передаваемых в навигационном сообщении. Однако фазовый центр антенны спутника не является точкой, максимально точно описывающей движение спутника по орбите Земли и откликом на различные силы нарушающие его движение. Для такого описания лучше подходит центр массы спутника. Таким образом точные GPS эфемериды поставляемые Международной Геодинамической Службой (IGS) и другими организациями передают информацию о центре массы спутника. При генерации и использовании таких эфемерид для обработки GPS данных расстояние между центром масс и фазовым центром спутниковой антенны должно быть точно известно.

Авторы статьи Геральд Мадер и Франк Чопек анализируют результаты калибровки фазового центра антенны спутника GPS Block IIA. Считается, что точное местоположение точки, измеренной GPS приёмником, находится в электрическом фазовом центре приёмной GPS антенны. Однако фазовый центр GPS антенны не является абсолютно стабильной точкой. Для некоторых GPS антенн фазовый центр может меняться в зависимости от изменения направления сигнала со спутника. Для большинства антенн положение фазового центра колеблется в зависимости от угла возвышения спутника. Неотъемлемые азимутальные эффекты обычно невелики. Как правило они вносятся окружающей средой в районе расположения антенны.

Калибровка GPS антенны состоит из двух этапов: 1) усреднение значения смещения фазового центра с учётом связи с физическими характеристиками антенны; 2) определение колебания фазового центра с учётом угла возвышения и азимута спутника. Смещение и колебание фазового центра должны измеряться одновременно для корректного применения калибровки антенны. Приёмная антенна представляет интерес для пользователя не только как фазовый центр. На каждом GPS спутнике есть L-диапазонная передающая антенна с фазовым центром, меняющимся с углом возвышения. Корректное нахождение этого фазового центра по отношению к центру массы спутника необходимо для правильного определения орбиты.

Служба NGS определяет расположения и вариации фазовых центров широкого спектра антенн GPS применяющихся в точных геодезических работах. Такая калибровка широко используется для устранения различий между приёмными антеннами, которые могут вызвать ошибку позиционирования. Недавно технические группы Geo++ и Ганноверского Университета (Германия) выполнили абсолютную фазовую калибровку для стандартных GPS антенн, что позволило преобразовать относительные измерения NGS в абсолютные калиброванные измерения для всех проверяемых антенн. Однако при использовании процедуры абсолютной калибровки в глобальных GPS проектах, становятся видны различия больших масштабов между этими GPS вычислениями и Международной наземной система отсчёта (ITRF). Главной причиной этих различий является ошибка величины смещения фазового центра антенны по L1 и L2 от центра масс спутника. Данная статья представляет результаты наземных полевых измерений на действующей антенне спутника Block IIA и доказывает, что эти смещения значительно отличаются от текущей проектной величины.

Методика калибровки NGS

При процедуре калибровки антенн NGS используются полевые измерения для вычисления относительного положения фазового центра и его вариаций в серии проверок стандартных референцных антенн. Относительные методы калибровки применяются, поскольку они легко выполняются стандартными методами. Наши германские коллеги представили результаты проведения абсолютных фазовых калибровок, с использованием устройства способного быстро переориентировать направление тестовой антенны. Эти результаты хорошо согласовались с данными относительных калибровок и дают возможность использования больших баз данных относительных калибровок при проведении абсолютных калибровок. Пока длина базовой линии не превышает 1000 километров, использование относительных или абсолютных методов калибровки антенны приводит к одинаковым результатам.Когда длина базовой линии увеличивается из-за кривизны Земли для некоторых спутников появляется значительная разница в углах возвышения в разных концах базовой линии. Для устранения подобных эффектов требуется чтобы функция изменения абсолютного фазового центра была точно известна. В идеале, относительные калибровки могут быть проведены для референцной антенны, калибровочные параметры которой известны. Подобную процедуру мы использовали и для калибровки антенны Block IIA.

Обычно диапазонное тестирование в NGS проводятся в инструментальном и методологическом филиале, расположенном в Корбине, штат Вирджиния. Для этих тестов были использованы две бетонные подставки диаметром 15.24 см и высотой 1.8 метров. В верхней части этих подставок установлено постоянное крепление для антенных систем. Подставки разнесены на 5 метров на плоской площадке параллельно линии север-юг. Референцная и тестовая антенны соединены с 12-ти канальными двухчастотными приёмниками геодезического класса. Угол отсечки составлял 10 градусов. В качестве эталона для обоих приёмников использовался рубидиевый генератор. Для калибровочных измерений в качестве референцной антенны использовалась двухчастотная антенна типа Choke Ring. Поскольку впоследствии для всех испытаний применялась одна и та же референцная антенна, её калибровочные параметры во всех других тестах могли быть использованы для нахождения фазовых центров тестируемых антенн и их колебаний.

Тестируемые антенны были помещены на тестовую стойку для определения на ней положения фазовых центров L1 и L2 референцной антенны. Вычисленные координаты затем использовались как априорно известные координаты фазовых центров L1 и L2 испытуемых антенн. Смещения, определенные при испытании тестовой антенны, затем позволяли определять расположение фазового центра тестируемой антенны относительно референцной. Если смещение фазовых центров L1 и L2 референцной антенны известны, расхождения L1 и L2 фазовых центров испытуемых антенн также могут быть легко найдены.

Среднее значение координат фазовых центров L1 и L2 есть функция отсечки угла возвышения, которая используется в вычислениях. Для вычисления усредненного положения фазовых центров L1 и L2 антенны специалисты NGS применяют стандартную отсечку угла возвышения в 15 градусов. В одночастотных вычислениях не использовалась коррекция или приблизительная оценка тропосферных факторов. Для обработки данных применялась программное обеспечение NGS PAGES GPS. Это программное обеспечение использует вторые разности фазовых наблюдений, которые свободны от любых дифференциальных тропосферных или ионосферных эффектов для очень коротких базовых линий.Для вычисления L1 и L2 смещений используются 24-часовые наборы данных. После их получения можно определить функцию изменения положения фазового центра тестовых антенн. Изменения положения фазового центра как функции от угла возвышения вычисляются раздельно для частот L1 и L2. В этих вычислениях мы не делали оценку влияния азимутальной зависимости на изменение положения фазового центра. Изменения положения фазового центра определялись с помощью одиночных разностей по L1 или L2 точнее чем по двойным разностям, поскольку вычислить относительное изменение положения фазового центра напрямую можно точнее, чем от разных спутников на разных углах возвышения. Изменение положения фазового центра происходит вдоль кривой линии, а такие кривые лучше вычислять прямым вычислением точек на кривой нежели разностями вдоль этой кривой.

Задержки времени

Поскольку одиночные разности были использованы как основные, разность хода часов двух GPS приёмников не могла быть устранена как это делается в случае двойных разностей. Поэтому в качестве эталонного генератора частоты был использован рубидиевый генератор, помогающий устранить разности хода часов и времени задержки от априорных одиночных разностных фазовых остатков. Эти априорные фазовые поправки относительно ровные, как функция времени, поэтому редактирование циклов и данных точек с резко отклоняющимися значениями производится достаточно просто. Одиночные разностные фазовые поправки по L1 и L2 находятся путём установки тестируемой антенны в позиции L1 или L2, для которых заранее вычислены средние значения смещения фазового центра. Эти поправки содержат только смещения, происходящие в результате остаточной наработки разностей задержки и в результате смещения фазового центра. Программное обеспечение находит среднеквадратичное решение для определения разности хода часов для каждой эпохи и полинома четвертой степени угла возвышения, описывающего смещение фазового центра.

Описание антенн

Антенны применяемые на спутниках Block II и Block IIA имеют одинаковую конфигурацию. Антенная решетка Block II/IIA состоит из двух концентрических круговых элементов, как показано на рисунке 1. Внутренний квадрат содержит четыре пространственных элемента спиральной формы, центрированных на окружности радиусом 15.24 см. Другие кольца радиусом 43.82 см составляют 8 элементов октагональной решётки. Элементы имеют высоту 62.10 см и сходят на конус в конце 13.21 см.

Диаграмма направленности антенны формируется применением внешнего кольцевого излучателя L-диапазонного сигнала, отличающегося на 180 градусов по фазе по отношению к внутреннему кольцу. Для получения профилированной диаграммы направленности (сложной формы), необходимо не только добиться точного расположения двух колец, но также и сбалансировать величину коэффициента потребляемой мощности двумя кольцами. На антенной решётке Block II/IIA, 90% L-диапазонного сигнала подается на 4 внутренних элемента, остальное поступает на внешние кольца.

С точки зрения проектно-конструкторской разработки антенны Block II, фазовый центр L-диапазонной спирали рассчитывался как для линейных излучателей представляющих собой продольно-направленную антенную решётку с осевым излучением из n идентичных элементов (n в данном случае – число витков спирали). Такая модель предполагает постоянный диаметр спирали, однако в данном случае диаметр спирали постоянен только на первых 8-1/2 витков, а остальные 2-1/2 витка конические. Вдобавок к этому каждая спираль частично окружена усечённым металлическим конусом, называемым ускорителем. Поскольку длина по спирали имеет постоянную величину, использование модели с конической спиралью можно считать приемлемым. Более того, поскольку антенна работает с бегущими волнами, сформированными внутри продольного угла величиной 28 градусов, ускоритель будет незначительно влиять на фазу. Исходя из этих расчётов, было определено положение фазовых центров по L1 и L2, расположенных в 22.86 см над отражателем вдоль центра антенной решётки.

Выполненные расчеты показали, что фазовые центры L1 и L2 находятся на 95.2 см впереди центра масс. Ось симметрии антенны смещена от оси Z спутника Block IIA и лежит в 29.7 см по оси X космического аппарата.

Результаты калибровки антенны

Поскольку антенна Block IIA не могла быть отправлена на испытательную станцию NGS в Вирджинию, мы продублировали основную процедуру калибровки на крыше здания Boeing в Сил Бич, Калифорния. Координаты референцной антенны, аналогичной используемой в Корбине, были вычислены с учётом непрерывно действующих базовых станций CORS на территории Лос-Анджелеса. Испытательная арматура была установлена на крышу приблизительно в 5 метрах от референсной антенны. Эта арматура была изготовлена так, чтобы ее вертикальная ось и ось антенны были коллинеарны.

Испытания

Мы поместили стандартную антенну Choke Ring на испытательную арматуру (см. рис. 2) и собирали 24-х часовые наборы данных для определения положения фазовых центров L1 и L2 относительно расположенной рядом референсной антенны Choke Ring.

Затем мы поместили антенну Block IIA на испытательную арматуру (см. рис.3) и вычислили координаты L1 и L2 её фазовых центров L1 и L2 в режиме приёма сигналов.

Наиболее значимое отличие от обычной процедуры калибровки заключалось в ограничении отсечки угла возвышения спутников 60 градусов. Это было необходимой процедурой, поскольку диаграмма направленности антенны Block IIA предназначена для наиболее рационального покрытия видимой с орбиты Земли поверхности которая простирается до 14.5 градусов от оси. Мы должны были увеличить угловой диапазон измерений до 30 градусов, для того чтобы работать с достаточным количеством спутников и получать приемлемое решение. Поскольку это угловое расстояние несущественно выходит за пределы диаграммы направленности, антенна сохраняет способность к слежению без особых проблем. Однако большие внеосевые угловые расстояния быстро приводят к значительному увеличению зашумленности данных от спутников, возникающей от дополнительных лепестков диаграммы направленности антенны Block IIA. Для исключения подобных погрешностей при различном расположении спутников, мы использовали такую же отсечку угла возвышения для определения координат референсной станции. Из этих измерений могут быть определены положения фазовых центров антенны Block IIA относительно физической конструкции, в данном случае верха антенны.Необходимые для расчетов величины смещений фазовых центров антенны Choke Ring в выбранных точках приёма мы получили от наших немецких коллег. Рисунок 4 также демонстрирует расчёт LC фазового центра. LC – это свободная от воздействия ионосферы линейная комбинация L1 и L2, которая применяется для точных геодезических работ и для расчётов орбит аналитическими центрами IGS.

Центр масс

Рисунок 5 показывает реальное положение этих фазовых центров относительно предварительно рассчитанных положений. Следующим шагом калибровки является вычисление фазовых центров с учётом центра масс спутника. На этом этапе необходимо, чтобы было известно положение базовой поверхности (от которой измеряется смещение фазовых центров L1 и L2) относительно центра масс. Рисунок 6 суммирует информацию, предоставленную компанией Boeing, касающуюся центра массы и положения некоторых компонентов спутника Block IIA.

Мы использовали новые смещения фазовых центров L1 и L2 в серии глобальных решений для получения некоторых предварительных результатов, показывающих, насколько могут различаться масштабы между GPS и ITRF. Мы использовали данные за семь дней в январе (последовательно) для нахождения параметров спутниковых орбит и координат станций.

Различия масштабов

В этом решении использовалось около 65-ти станций слежения. Ниже представлены полученные результаты.
Различие масштабов между данными решениями и ITRF 2000

Первый набор точек (зелёные, одна точка на день) показывает различие масштабов между данными решениями и ITRF 2000 при использовании исходных смещений фазовых центров для стандартной антенны Choke Ring, относительно калибровок фазового центра других приёмных антенн и исходным значением смещением для антенны Block IIA. Эти масштабы различаются приблизительно на +3 части на миллиард (ppb). Следующий набор точек (пурпурный цвет) показывает смещения, когда использовались те же смещения для антенны Block IIA при применении абсолютных методов фазовых калибровок для приёмных антенн. В этом случае масштабы различались на – 11 ppb. Когда мы применяли новые смещения для антенны Block IIA вместе с абсолютной калибровкой для приёмных антенн, различие масштабов уменьшилось примерно до – 5 ppb (красный цвет). Если смещения для антенны Block IIA вычислялись для всех остающихся разностей масштабов, мы должны были сдвинуть LC смещение на добавочные 60 см ближе к Земле (смотрите точки для смещения 200 и 230 сантиметров). Если мы ожидали изменения значений, когда калибровали антенну после её перенастройки, мы не ожидали изменения этой величины. Несомненно, существуют и другие источники систематических ошибок между GPS и ITRF, но они будут объектом других исследований.

Заключение

Точность измерений, которой мы достигли сегодня, используя GPS, не ожидалась для систем, разработанных и построенных два десятилетия назад. Технические параметры антенной калибровки необходимы для нахождения критериев эффективности использования текущего созвездия спутников. Однако дальнейшее развитие техники позиционирования с применением GPS сейчас требует большей точности для значений фундаментальных параметров самих спутников. Направления между центром массы спутника и фазовыми центрами, а также кривая этих фазовых центров являются критическими параметрами.

Исследования показали, что эти фазовые центры могут быть точно измерены с помощью относительно простой аппаратуры. Однако ряд вопросов все же остался. Для испытаний была доступна только одна антенна Block IIA. Эта антенна будет перенастроена для доведения её параметров до заданных технических характеристик и заново откалибрована; однако мы не ожидаем значительного изменения получаемых величин. Больший интерес представляет то, что образец одной антенны в созвездии спутников Block IIA находится в настоящее время на орбите.

Подлежат обработке данные калибровки антенны Block IIF. Несмотря на то, что пока спутники Block IIF не запущены, эти данные будут важным звеном в завершении цепи измерений, используемых для точного позиционирования.

ВВС начинает производство спутников Block IIR. Через некоторое время мы надеемся принять участие в калибровках нескольких антенн типа Block IIR. Выполнение точных процедур калибровки, относящиеся не только к антенне, но и к характеристикам сигнала, учитывающие световое давление, динамическое изменение центра массы и другие параметры имеют важное значение для будущего поколения спутниковых систем позиционирования.