北斗與GNSS終端天線技術(shù)與應(yīng)用

第一篇　基　礎(chǔ)　篇
第1章　GNSS定位與通信基礎(chǔ) 3
1.1　時(shí)間、空間和導(dǎo)航衛(wèi)星信號 4
1.1.1　時(shí)間基準(zhǔn)與同步 4
1.1.2　空間坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換 5
1.1.3　GPS導(dǎo)航電文與衛(wèi)星信號 7
1.1.4　BD-Ⅱ?qū)Ш叫l(wèi)星信號 8
1.2　衛(wèi)星定位的基本原理 10
1.2.1　三球交會(huì)定位原理 10
1.2.2　偽距測量方程 10
1.2.3　偽距測量方程求解 11
1.2.4　載波相位測量方程及其求解 13
1.2.5　消除系統(tǒng)誤差的差分方法 16
1.3　直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和碼分多址（CDMA）通信 18
1.3.1　無線數(shù)字通信基礎(chǔ) 18
1.3.2　GNSS擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 20
1.3.3　直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能指標(biāo) 23
1.4　BDS導(dǎo)航定位的RNSS/RDSS 25
1.4.1　BDS的雙星快速定位報(bào)告系統(tǒng) 25
1.4.2　BDS-Ⅱ的RDSS/RNSS定位 27
1.4.3　BDS-Ⅲ全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座 29
1.5　導(dǎo)航星座的星間鏈路 32
1.5.1　建立導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路的必要性 32
1.5.2　GPS-UHF星間鏈路 33
1.5.3　Ka頻段星間鏈路 34
第2章　GNSS終端接收機(jī)天線的主要性能參數(shù) 36
2.1　無線電波傳輸與衛(wèi)星導(dǎo)航信號的接收 37
2.1.1　衛(wèi)星導(dǎo)航信號的傳輸 37
2.1.2　天線輻射源場區(qū) 38
2.1.3　費(fèi)里斯傳輸方程與GNSS終端接收信號 39
2.2　GNSS終端接收天線的基本性能參數(shù) 40
2.2.1　工作頻率與帶寬 40
2.2.2　輻射方向圖、方向性系數(shù)和增益 41
2.2.3　地面接收天線的品質(zhì)因數(shù) 46
2.2.4　天線的極化及極化效率 47
2.2.5　阻抗匹配 55
2.3　GNSS終端接收天線最小增益瓣寬和精度因子 56
2.3.1　天線最小增益瓣寬和最低截止角 56
2.3.2　觀測衛(wèi)星的幾何精度因子 58
第3章　GNSS終端天線的相位特性和多徑效應(yīng) 63
3.1　GNSS終端接收天線相位中心特性 64
3.1.1　研究天線相位中心特性的必要性 64
3.1.2　天線相位中心的幾個(gè)基本定義 64
3.2　天線相位中心的數(shù)學(xué)模型及求解 66
3.2.1　天線相位中心的數(shù)學(xué)模型 66
3.2.2　天線相位中心特性的解算模型 68
3.2.3　天線相位中心特性的求解 68
3.3　 GNSS天線相位中心標(biāo)校及其改正模型研究 71
3.3.1　相位中心的外場相對標(biāo)校 72
3.3.2　基于自動(dòng)機(jī)器人的絕對標(biāo)校 78
3.4 GNSS接收機(jī)中的多徑效應(yīng)及其影響 80
3.4.1　多徑效應(yīng) 80
3.4.2　多徑效應(yīng)對GNSS定位精度的影響 82
3.5　GNSS終端接收天線的極化及其空間濾波 87
3.5.1　收發(fā)天線間的極化損失 87
3.5.2　抑制多徑效應(yīng)的天線空間極化濾波設(shè)計(jì) 88
3.5.3　GNSS接收天線的理想輻射模型及方向圖綜合 88
3.5.4　多徑效應(yīng)對天線相頻特性的影響 90
3.6　半球波束天線地板與多徑效應(yīng)抑制 92
3.6.1　半球波束與地板 92
3.6.2　抑制多徑效應(yīng)的天線地板設(shè)計(jì) 92


第二篇　應(yīng)　用　篇
第4章　螺旋天線 99
4.1　軸向模螺旋天線 100
4.1.1　端射螺旋天線輻射 100
4.1.2　軸向模螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和輻射性能估計(jì) 101
4.1.3　端射軸向模螺旋天線與結(jié)構(gòu)相關(guān)的問題 102
4.2　螺旋周期結(jié)構(gòu)中的波模特性 102
4.2.1　傳統(tǒng)螺旋線色散曲線 102
4.2.2　四臂螺旋天線的理想環(huán)形偶極子模型 105
4.2.3　螺旋周期結(jié)構(gòu)拓展的波模特性曲線 108
4.2.4　四臂螺旋天線的工作模式設(shè)計(jì)（背射／端射） 109
4.2.5　小尺寸雙模四臂螺旋天線 110
4.3　四臂螺旋天線的饋電 111
4.3.1　四臂螺旋天線的外接圓極化饋電網(wǎng)絡(luò) 111
4.3.2　四臂螺旋天線的自移相饋電結(jié)構(gòu) 113
4.4　四臂螺旋天線的多頻、寬帶、小型化設(shè)計(jì) 115
4.4.1　雙頻四臂螺旋天線 116
4.4.2　多頻四臂螺旋天線 118
4.5　平面螺旋縫隙天線 120
4.5.1　縫隙輻射與低剖面天線 120
4.5.2　多臂平面螺旋縫隙天線構(gòu)成 121
4.5.3　多臂平面螺旋縫隙天線設(shè)計(jì) 122
4.5.4　多臂平面螺旋縫隙天線輻射特性的計(jì)算機(jī)仿真 124
4.5.5　多臂平面螺旋縫隙天線的改進(jìn)設(shè)計(jì) 126
第5章　微帶天線 131
5.1　微帶天線輻射基本原理 132
5.2　圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn) 133
5.2.1　單饋點(diǎn)圓極化微帶天線 134
5.2.2　多饋點(diǎn)圓極化微帶天線 136
5.3　多頻寬帶圓極化微帶天線 141
5.3.1　多層層疊結(jié)構(gòu) 142
5.3.2　雙／多調(diào)諧回路 145
5.3.3　饋電方式的改進(jìn) 147
5.4　小型圓極化微帶天線 150
5.4.1　高介電常數(shù)板材 150
5.4.2　開槽技術(shù) 150
5.4.3　分形技術(shù) 152
5.5　典型微帶天線應(yīng)用實(shí)例 153
5.5.1　測量型微帶天線 153
5.5.2　空氣介質(zhì)寬帶微帶天線 159
5.5.3　通導(dǎo)合一的多頻組合天線 160
5.6　微帶3D扼流圈高精度測量型天線 165
5.6.1　扼流圈設(shè)計(jì)原理 165
5.6.2　微帶3D扼流圈天線的計(jì)算機(jī)仿真分析 166
5.6.3　微帶3D扼流圈天線測試 167
5.6.4　華信3D扼流圈天線應(yīng)用場景 169
第6章　振子天線 170
6.1　基本振子天線 171
6.1.1　線性對稱振子天線 171
6.1.2　單極天線 175
6.1.3　加載振子天線 178
6.2　寬帶振子天線 182
6.2.1　雙錐和單錐天線 182
6.2.2　錐盤天線 183
6.2.3　套筒天線 184
6.2.4　帶地板的水平扇面振子天線 187
6.3　振子天線的饋電 189
6.3.1　平衡-不平衡變換器 189
6.3.2　λ/4開槽式平衡變換器 189
6.4　傳輸線與天線阻抗匹配 191
6.4.1　Smith 圓圖 191
6.4.2　阻抗匹配 193
6.4.3　并聯(lián)電抗元件的阻抗匹配 196
6.4.4　漸變線阻抗變換器 197
6.4.5　傳輸線阻抗變換器 199
6.5　新型BDS/GNSS終端振子天線 202
6.5.1　新需求及技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 202
6.5.2　輕小型十字扇面振子天線設(shè)計(jì) 203
6.5.3　新天線的計(jì)算機(jī)仿真分析 204
6.5.4　試驗(yàn)樣機(jī)測試 209
第7章　高精度GNSS終端測量型天線 212
7.1　GNSS定位測量觀測量誤差概述 213
7.1.1　衛(wèi)星鐘差與衛(wèi)星天線相心偏差 213
7.1.2　電離層、對流層的傳播誤差 213
7.1.3　多徑效應(yīng)誤差 214
7.1.4　與終端接收機(jī)設(shè)備相關(guān)的誤差 214
7.1.5　周跳和整周模糊度問題 214
7.1.6　系統(tǒng)相關(guān)誤差的差分處理技術(shù) 214
7.2　GNSS終端測量型天線的技術(shù)演進(jìn) 215
7.2.1　終端接收天線系統(tǒng)引起的測量誤差 215
7.2.2　GNSS終端固定半球波束天線的發(fā)展歷程 216
7.2.3　微帶+2D/3D扼流圈天線面臨的問題 217
7.3　現(xiàn)代天線設(shè)計(jì)的最優(yōu)化綜合方法 217
7.3.1　設(shè)計(jì)目標(biāo)及目標(biāo)函數(shù)的確定 218
7.3.2　約束條件 218
7.3.3　技術(shù)途徑 219
7.3.4　數(shù)值建模與優(yōu)化 219
7.3.5　現(xiàn)代天線研制過程 220
7.4　一種新型的高精度測量型GNSS終端組合天線 221
7.4.1　天線架構(gòu)一：振子主輻射單元組件 221
7.4.2　天線架構(gòu)二：提高前后比增加抗多徑效應(yīng)的阻性衰減地板 222
7.4.3　天線架構(gòu)三：進(jìn)一步提高方向圖前后比的半開口圓環(huán)腔 224
7.4.4　以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)控制為主線的天線加工、組裝與檢測 225
7.5　新型振子組合天線的設(shè)計(jì)驗(yàn)證 226
7.5.1　天線樣件的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證 226
7.5.2　天線樣件輻射性能測試 228
7.5.3　計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真與實(shí)測結(jié)果比較 229
7.5.4　新天線與NovAtel-750X-3D天線和Leica-AR20-3D天線性能
比對 231
7.6　新天線接收機(jī)系統(tǒng)直接接收導(dǎo)航信號的比測鑒定 233
7.6.1　新天線與華信-3D扼流圈天線（HX-CGX601A天線）比測 233
7.6.2　新天線與Trimble-3D扼流圈天線比測 234
7.6.3　新天線與NovAtel-750X-3D天線直接接收數(shù)據(jù)比測 235
7.6.4　新天線與Trimble-Zephyr Geodetic 2 天線比測 236
7.7　從TEQC數(shù)據(jù)解讀新天線的技術(shù)優(yōu)勢 237
7.7.1　新天線具有更高的S/N，更低的波束截止角 237
7.7.2　新天線有更寬的頻帶，更適應(yīng)多星并存共享 238
7.7.3　新天線獨(dú)有的空間極化濾波功能 239
7.7.4　新天線是多徑效應(yīng)系數(shù)與相心空間歸一的高穩(wěn)相天線 239
第8章　手持／車載GNSS終端天線 240
8.1　手持／移動(dòng)終端設(shè)備采用的無線導(dǎo)航定位技術(shù) 241
8.1.1　衛(wèi)星定位 242
8.1.2　蜂窩基站定位 243
8.1.3　A-GPS定位 244
8.1.4　WiFi輔助定位 245
8.2　車載移動(dòng)終端的GNSS天線 245
8.2.1　車載天線的基本考慮 245
8.2.2　車載智能導(dǎo)航定位系統(tǒng)功能及關(guān)鍵技術(shù) 248
8.3　手持終端GNSS天線的技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 248
8.3.1　測繪型GNSS手持終端天線的技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 249
8.3.2　個(gè)人消費(fèi)類GNSS手持終端天線的技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 249
8.3.3　GNSS手持終端天線設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例 251
8.4　典型車載GPS導(dǎo)航定位天線 257
8.4.1　GPS-L1單頻微帶貼片天線 257
8.4.2　GPS-L1/L2 雙頻微帶貼片天線 258
8.4.3　三頻GPS天線 258
8.4.4　PCS/GPS/RKES組合天線 260
8.4.5　GPS與蜂窩電話的集成天線 261
8.4.6　GPS與DCS公用微帶天線 263
8.4.7　GPS與SDARS組合天線 266
8.5　現(xiàn)代GNSS移動(dòng)終端天線的要求及其挑戰(zhàn) 267
8.5.1　尺寸、外觀、成本、質(zhì)量和功能 268
8.5.2　機(jī)殼對手機(jī)中天線的影響 268
8.5.3　手機(jī)中GNSS天線輻射方向圖要求 269
8.5.4　手機(jī)中移動(dòng)通信天線與GNSS天線EMI隔離技術(shù) 269
8.6　多徑環(huán)境中GNSS終端天線性能的統(tǒng)計(jì)模型及其測試 270
8.6.1　手持移動(dòng)終端GNSS天線特性的統(tǒng)計(jì)模型 270
8.6.2　GNSS移動(dòng)終端接收天線性能參數(shù)測試 273
8.6.3　GNSS終端接收天線與智能手機(jī)性能優(yōu)化考慮 275
第9章　多頻寬帶及超寬帶天線 277
9.1　多頻寬帶及超寬帶需求分析 278
9.2　移動(dòng)終端平面多頻寬帶天線 280
9.2.1　手持終端平面天線多頻及小型化設(shè)計(jì)的主要途徑 281
9.2.2　地板開槽的共面倒F形天線 282
9.3　無線定位技術(shù)的基本模型算法 286
9.3.1　三邊測量法定位模9