CC BY
62
электронное научно-техническое и з л а н и е
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0408
77-30569/255301 Экспериментальное исследование влияния многолучевого распространения радио-волн на точность измерения дальности на пересеченной местности
# 11, ноябрь 2011
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-fbto@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
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. р
Одна из антенн ^ - передающая - излучает в эфир специальный сигнал позиционирования (СП), поступающий с соответствующего
д
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 П 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.
1а 1 10 1«
сш'зап нмюомнг —
1 1 3 малш (КЯОЙХК /X 'ХХХХ КМт КМК1 Я VI'! 1 1 1
\ 4 >■ маяв« К МК1 К|№1 1 1
Л V
л
\ V- "■} \! А
,, А Л : \ V Т /
г V V
ЗКщ 100000
Рис 3 а. 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
к
усилителей. Кроме того, максимум СП во временной области соответствует общей электрической длине (в данном случае ~ 227
4 Р, я
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, «
А Р1
фиксирована, а другую - - последовательно размещают на различных ракурсах относительно 1 строго на одном и том же
rfi
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
N
реализаций СП в частотной области ^ J ' , ■',..., jv« 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.
- - о ^
с
где
калибровочное расстояние
] =
- мнимая единица;
- скорость света в вакууме.
13
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)
К ¿4
Из (2) следует, что в результате комплексного деления происходит не только устранение электрической длины ВЧ тракта ( - ), но и амплитудная коррекция в выделенной полосе частот П (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
/X
(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 ' ^ g 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 (
3 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.
