北斗與GNSS終端天線(xiàn)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(hào) 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(hào) 7
1.1.4　BD-Ⅱ?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào) 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(cè)量方程 10
1.2.3　偽距測(cè)量方程求解 11
1.2.4　載波相位測(cè)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)的主要性能參數(shù) 36
2.1　無(wú)線(xiàn)電波傳輸與衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的接收 37
2.1.1　衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的傳輸 37
2.1.2　天線(xiàn)輻射源場(chǎng)區(qū) 38
2.1.3　費(fèi)里斯傳輸方程與GNSS終端接收信號(hào) 39
2.2　GNSS終端接收天線(xiàn)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(xiàn)的品質(zhì)因數(shù) 46
2.2.4　天線(xiàn)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(xiàn)最小增益瓣寬和精度因子 56
2.3.1　天線(xiàn)最小增益瓣寬和最低截止角 56
2.3.2　觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的幾何精度因子 58
第3章　GNSS終端天線(xiàn)的相位特性和多徑效應(yīng) 63
3.1　GNSS終端接收天線(xiàn)相位中心特性 64
3.1.1　研究天線(xiàn)相位中心特性的必要性 64
3.1.2　天線(xiàn)相位中心的幾個(gè)基本定義 64
3.2　天線(xiàn)相位中心的數(shù)學(xué)模型及求解 66
3.2.1　天線(xiàn)相位中心的數(shù)學(xué)模型 66
3.2.2　天線(xiàn)相位中心特性的解算模型 68
3.2.3　天線(xiàn)相位中心特性的求解 68
3.3　 GNSS天線(xiàn)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(chǎng)相對(duì)標(biāo)校 72
3.3.2　基于自動(dòng)機(jī)器人的絕對(duì)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(duì)GNSS定位精度的影響 82
3.5　GNSS終端接收天線(xiàn)的極化及其空間濾波 87
3.5.1　收發(fā)天線(xiàn)間的極化損失 87
3.5.2　抑制多徑效應(yīng)的天線(xiàn)空間極化濾波設(shè)計(jì) 88
3.5.3　GNSS接收天線(xiàn)的理想輻射模型及方向圖綜合 88
3.5.4　多徑效應(yīng)對(duì)天線(xiàn)相頻特性的影響 90
3.6　半球波束天線(xiàn)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(xiàn)地板設(shè)計(jì) 92


第二篇　應(yīng)　用　篇
第4章　螺旋天線(xiàn) 99
4.1　軸向模螺旋天線(xiàn) 100
4.1.1　端射螺旋天線(xiàn)輻射 100
4.1.2　軸向模螺旋天線(xiàn)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(xiàn)與結(jié)構(gòu)相關(guān)的問(wèn)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(xiàn)色散曲線(xiàn) 102
4.2.2　四臂螺旋天線(xiàn)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(xiàn) 108
4.2.4　四臂螺旋天線(xiàn)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(xiàn) 110
4.3　四臂螺旋天線(xiàn)的饋電 111
4.3.1　四臂螺旋天線(xiàn)的外接圓極化饋電網(wǎng)絡(luò) 111
4.3.2　四臂螺旋天線(xiàn)的自移相饋電結(jié)構(gòu) 113
4.4　四臂螺旋天線(xiàn)的多頻、寬帶、小型化設(shè)計(jì) 115
4.4.1　雙頻四臂螺旋天線(xiàn) 116
4.4.2　多頻四臂螺旋天線(xiàn) 118
4.5　平面螺旋縫隙天線(xiàn) 120
4.5.1　縫隙輻射與低剖面天線(xiàn) 120
4.5.2　多臂平面螺旋縫隙天線(xiàn)構(gòu)成 121
4.5.3　多臂平面螺旋縫隙天線(xiàn)設(shè)計(jì) 122
4.5.4　多臂平面螺旋縫隙天線(xiàn)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(xiàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì) 126
第5章　微帶天線(xiàn) 131
5.1　微帶天線(xiàn)輻射基本原理 132
5.2　圓極化微帶天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 133
5.2.1　單饋點(diǎn)圓極化微帶天線(xiàn) 134
5.2.2　多饋點(diǎn)圓極化微帶天線(xiàn) 136
5.3　多頻寬帶圓極化微帶天線(xiàn) 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(xiàn) 150
5.4.1　高介電常數(shù)板材 150
5.4.2　開(kāi)槽技術(shù) 150
5.4.3　分形技術(shù) 152
5.5　典型微帶天線(xiàn)應(yīng)用實(shí)例 153
5.5.1　測(cè)量型微帶天線(xiàn) 153
5.5.2　空氣介質(zhì)寬帶微帶天線(xiàn) 159
5.5.3　通導(dǎo)合一的多頻組合天線(xiàn) 160
5.6　微帶3D扼流圈高精度測(cè)量型天線(xiàn) 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(xiàn)的計(jì)算機(jī)仿真分析 166
5.6.3　微帶3D扼流圈天線(xiàn)測(cè)試 167
5.6.4　華信3D扼流圈天線(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景 169
第6章　振子天線(xiàn) 170
6.1　基本振子天線(xiàn) 171
6.1.1　線(xiàn)性對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn) 171
6.1.2　單極天線(xiàn) 175
6.1.3　加載振子天線(xiàn) 178
6.2　寬帶振子天線(xiàn) 182
6.2.1　雙錐和單錐天線(xiàn) 182
6.2.2　錐盤(pán)天線(xiàn) 183
6.2.3　套筒天線(xiàn) 184
6.2.4　帶地板的水平扇面振子天線(xiàn) 187
6.3　振子天線(xiàn)的饋電 189
6.3.1　平衡-不平衡變換器 189
6.3.2　λ/4開(kāi)槽式平衡變換器 189
6.4　傳輸線(xiàn)與天線(xiàn)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(xiàn)阻抗變換器 197
6.4.5　傳輸線(xiàn)阻抗變換器 199
6.5　新型BDS/GNSS終端振子天線(xiàn) 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(xiàn)設(shè)計(jì) 203
6.5.3　新天線(xiàn)的計(jì)算機(jī)仿真分析 204
6.5.4　試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試 209
第7章　高精度GNSS終端測(cè)量型天線(xiàn) 212
7.1　GNSS定位測(cè)量觀(guān)測(cè)量誤差概述 213
7.1.1　衛(wèi)星鐘差與衛(wèi)星天線(xiàn)相心偏差 213
7.1.2　電離層、對(duì)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(wèn)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(cè)量型天線(xiàn)的技術(shù)演進(jìn) 215
7.2.1　終端接收天線(xiàn)系統(tǒng)引起的測(cè)量誤差 215
7.2.2　GNSS終端固定半球波束天線(xiàn)的發(fā)展歷程 216
7.2.3　微帶+2D/3D扼流圈天線(xiàn)面臨的問(wèn)題 217
7.3　現(xiàn)代天線(xiàn)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(xiàn)研制過(guò)程 220
7.4　一種新型的高精度測(cè)量型GNSS終端組合天線(xiàn) 221
7.4.1　天線(xiàn)架構(gòu)一：振子主輻射單元組件 221
7.4.2　天線(xiàn)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(xiàn)架構(gòu)三：進(jìn)一步提高方向圖前后比的半開(kāi)口圓環(huán)腔 224
7.4.4　以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)控制為主線(xiàn)的天線(xiàn)加工、組裝與檢測(cè) 225
7.5　新型振子組合天線(xiàn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證 226
7.5.1　天線(xiàn)樣件的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證 226
7.5.2　天線(xiàn)樣件輻射性能測(cè)試 228
7.5.3　計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比較 229
7.5.4　新天線(xiàn)與NovAtel-750X-3D天線(xiàn)和Leica-AR20-3D天線(xiàn)性能
比對(duì) 231
7.6　新天線(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)直接接收導(dǎo)航信號(hào)的比測(cè)鑒定 233
7.6.1　新天線(xiàn)與華信-3D扼流圈天線(xiàn)（HX-CGX601A天線(xiàn)）比測(cè) 233
7.6.2　新天線(xiàn)與Trimble-3D扼流圈天線(xiàn)比測(cè) 234
7.6.3　新天線(xiàn)與NovAtel-750X-3D天線(xiàn)直接接收數(shù)據(jù)比測(cè) 235
7.6.4　新天線(xiàn)與Trimble-Zephyr Geodetic 2 天線(xiàn)比測(cè) 236
7.7　從TEQC數(shù)據(jù)解讀新天線(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 237
7.7.1　新天線(xiàn)具有更高的S/N，更低的波束截止角 237
7.7.2　新天線(xiàn)有更寬的頻帶，更適應(yīng)多星并存共享 238
7.7.3　新天線(xiàn)獨(dú)有的空間極化濾波功能 239
7.7.4　新天線(xiàn)是多徑效應(yīng)系數(shù)與相心空間歸一的高穩(wěn)相天線(xiàn) 239
第8章　手持／車(chē)載GNSS終端天線(xiàn) 240
8.1　手持／移動(dòng)終端設(shè)備采用的無(wú)線(xiàn)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(chē)載移動(dòng)終端的GNSS天線(xiàn) 245
8.2.1　車(chē)載天線(xiàn)的基本考慮 245
8.2.2　車(chē)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(xiàn)的技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 248
8.3.1　測(cè)繪型GNSS手持終端天線(xiàn)的技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 249
8.3.2　個(gè)人消費(fèi)類(lèi)GNSS手持終端天線(xiàn)的技術(shù)關(guān)注點(diǎn) 249
8.3.3　GNSS手持終端天線(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例 251
8.4　典型車(chē)載GPS導(dǎo)航定位天線(xiàn) 257
8.4.1　GPS-L1單頻微帶貼片天線(xiàn) 257
8.4.2　GPS-L1/L2 雙頻微帶貼片天線(xiàn) 258
8.4.3　三頻GPS天線(xiàn) 258
8.4.4　PCS/GPS/RKES組合天線(xiàn) 260
8.4.5　GPS與蜂窩電話(huà)的集成天線(xiàn) 261
8.4.6　GPS與DCS公用微帶天線(xiàn) 263
8.4.7　GPS與SDARS組合天線(xiàn) 266
8.5　現(xiàn)代GNSS移動(dòng)終端天線(xiàn)的要求及其挑戰(zhàn) 267
8.5.1　尺寸、外觀(guān)、成本、質(zhì)量和功能 268
8.5.2　機(jī)殼對(duì)手機(jī)中天線(xiàn)的影響 268
8.5.3　手機(jī)中GNSS天線(xiàn)輻射方向圖要求 269
8.5.4　手機(jī)中移動(dòng)通信天線(xiàn)與GNSS天線(xiàn)EMI隔離技術(shù) 269
8.6　多徑環(huán)境中GNSS終端天線(xiàn)性能的統(tǒng)計(jì)模型及其測(cè)試 270
8.6.1　手持移動(dòng)終端GNSS天線(xiàn)特性的統(tǒng)計(jì)模型 270
8.6.2　GNSS移動(dòng)終端接收天線(xiàn)性能參數(shù)測(cè)試 273
8.6.3　GNSS終端接收天線(xiàn)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(xiàn) 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(xiàn) 280
9.2.1　手持終端平面天線(xiàn)多頻及小型化設(shè)計(jì)的主要途徑 281
9.2.2　地板開(kāi)槽的共面倒F形天線(xiàn) 282
9.3　無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的基本模型算法 286
9.3.1　三邊測(cè)量法定位模9