北斗与GNSS终端天线技术与应用

第一篇基础篇第1章 GNSS定位与通信基础 3 1.1 时间、空间和导航卫星信号 4 1.1.1 时间基准与同步 4 1.1.2 空间坐标系及其转换 5 1.1.3 GPS导航电文与卫星信号 7 1.1.4 BD-Ⅱ导航卫星信号 8 1.2 卫星定位的基本原理 10 1.2.1 三球交会定位原理 10 1.2.2 伪距测量方程 10 1.2.3 伪距测量方程求解 11 1.2.4 载波相位测量方程及其求解 13 1.2.5 消除系统误差的差分方法 16 1.3 直接序列扩频（DSSS）和码分多址（CDMA）通信 18 1.3.1 无线数字通信基础 18 1.3.2 GNSS扩频通信系统 20 1.3.3 直接序列扩频通信系统性能指标 23 1.4 BDS导航定位的RNSS/RDSS 25 1.4.1 BDS的双星快速定位报告系统 25 1.4.2 BDS-Ⅱ的RDSS/RNSS定位 27 1.4.3 BDS-Ⅲ全球导航卫星星座 29 1.5 导航星座的星间链路 32 1.5.1 建立导航卫星星间链路的必要性 32 1.5.2 GPS-UHF星间链路 33 1.5.3 Ka频段星间链路 34 第2章 GNSS终端接收机天线的主要性能参数 36 2.1 无线电波传输与卫星导航信号的接收 37 2.1.1 卫星导航信号的传输 37 2.1.2 天线辐射源场区 38 2.1.3 费里斯传输方程与GNSS终端接收信号 39 2.2 GNSS终端接收天线的基本性能参数 40 2.2.1 工作频率与带宽 40 2.2.2 辐射方向图、方向性系数和增益 41 2.2.3 地面接收天线的品质因数 46 2.2.4 天线的极化及极化效率 47 2.2.5 阻抗匹配 55 2.3 GNSS终端接收天线最小增益瓣宽和精度因子 56 2.3.1 天线最小增益瓣宽和最低截止角 56 2.3.2 观测卫星的几何精度因子 58 第3章 GNSS终端天线的相位特性和多径效应 63 3.1 GNSS终端接收天线相位中心特性 64 3.1.1 研究天线相位中心特性的必要性 64 3.1.2 天线相位中心的几个基本定义 64 3.2 天线相位中心的数学模型及求解 66 3.2.1 天线相位中心的数学模型 66 3.2.2 天线相位中心特性的解算模型 68 3.2.3 天线相位中心特性的求解 68 3.3 GNSS天线相位中心标校及其改正模型研究 71 3.3.1 相位中心的外场相对标校 72 3.3.2 基于自动机器人的绝对标校 78 3.4 GNSS接收机中的多径效应及其影响 80 3.4.1 多径效应 80 3.4.2 多径效应对GNSS定位精度的影响 82 3.5 GNSS终端接收天线的极化及其空间滤波 87 3.5.1 收发天线间的极化损失 87 3.5.2 抑制多径效应的天线空间极化滤波设计 88 3.5.3 GNSS接收天线的理想辐射模型及方向图综合 88 3.5.4 多径效应对天线相频特性的影响 90 3.6 半球波束天线地板与多径效应抑制 92 3.6.1 半球波束与地板 92 3.6.2 抑制多径效应的天线地板设计 92 第二篇应用篇第4章螺旋天线 99 4.1 轴向模螺旋天线 100 4.1.1 端射螺旋天线辐射 100 4.1.2 轴向模螺旋天线的结构参数和辐射性能估计 101 4.1.3 端射轴向模螺旋天线与结构相关的问题 102 4.2 螺旋周期结构中的波模特性 102 4.2.1 传统螺旋线色散曲线 102 4.2.2 四臂螺旋天线的理想环形偶极子模型 105 4.2.3 螺旋周期结构拓展的波模特性曲线 108 4.2.4 四臂螺旋天线的工作模式设计（背射／端射） 109 4.2.5 小尺寸双模四臂螺旋天线 110 4.3 四臂螺旋天线的馈电 111 4.3.1 四臂螺旋天线的外接圆极化馈电网络 111 4.3.2 四臂螺旋天线的自移相馈电结构 113 4.4 四臂螺旋天线的多频、宽带、小型化设计 115 4.4.1 双频四臂螺旋天线 116 4.4.2 多频四臂螺旋天线 118 4.5 平面螺旋缝隙天线 120 4.5.1 缝隙辐射与低剖面天线 120 4.5.2 多臂平面螺旋缝隙天线构成 121 4.5.3 多臂平面螺旋缝隙天线设计 122 4.5.4 多臂平面螺旋缝隙天线辐射特性的计算机仿真 124 4.5.5 多臂平面螺旋缝隙天线的改进设计 126 第5章微带天线 131 5.1 微带天线辐射基本原理 132 5.2 圆极化微带天线的实现 133 5.2.1 单馈点圆极化微带天线 134 5.2.2 多馈点圆极化微带天线 136 5.3 多频宽带圆极化微带天线 141 5.3.1 多层层叠结构 142 5.3.2 双／多调谐回路 145 5.3.3 馈电方式的改进 147 5.4 小型圆极化微带天线 150 5.4.1 高介电常数板材 150 5.4.2 开槽技术 150 5.4.3 分形技术 152 5.5 典型微带天线应用实例 153 5.5.1 测量型微带天线 153 5.5.2 空气介质宽带微带天线 159 5.5.3 通导合一的多频组合天线 160 5.6 微带3D扼流圈高精度测量型天线 165 5.6.1 扼流圈设计原理 165 5.6.2 微带3D扼流圈天线的计算机仿真分析 166 5.6.3 微带3D扼流圈天线测试 167 5.6.4 华信3D扼流圈天线应用场景 169 第6章振子天线 170 6.1 基本振子天线 171 6.1.1 线性对称振子天线 171 6.1.2 单极天线 175 6.1.3 加载振子天线 178 6.2 宽带振子天线 182 6.2.1 双锥和单锥天线 182 6.2.2 锥盘天线 183 6.2.3 套筒天线 184 6.2.4 带地板的水平扇面振子天线 187 6.3 振子天线的馈电 189 6.3.1 平衡-不平衡变换器 189 6.3.2 λ/4开槽式平衡变换器 189 6.4 传输线与天线阻抗匹配 191 6.4.1 Smith 圆图 191 6.4.2 阻抗匹配 193 6.4.3 并联电抗元件的阻抗匹配 196 6.4.4 渐变线阻抗变换器 197 6.4.5 传输线阻抗变换器 199 6.5 新型BDS/GNSS终端振子天线 202 6.5.1 新需求及技术关注点 202 6.5.2 轻小型十字扇面振子天线设计 203 6.5.3 新天线的计算机仿真分析 204 6.5.4 试验样机测试 209 第7章高精度GNSS终端测量型天线 212 7.1 GNSS定位测量观测量误差概述 213 7.1.1 卫星钟差与卫星天线相心偏差 213 7.1.2 电离层、对流层的传播误差 213 7.1.3 多径效应误差 214 7.1.4 与终端接收机设备相关的误差 214 7.1.5 周跳和整周模糊度问题 214 7.1.6 系统相关误差的差分处理技术 214 7.2 GNSS终端测量型天线的技术演进 215 7.2.1 终端接收天线系统引起的测量误差 215 7.2.2 GNSS终端固定半球波束天线的发展历程 216 7.2.3 微带+2D/3D扼流圈天线面临的问题 217 7.3 现代天线设计的最优化综合方法 217 7.3.1 设计目标及目标函数的确定 218 7.3.2 约束条件 218 7.3.3 技术途径 219 7.3.4 数值建模与优化 219 7.3.5 现代天线研制过程 220 7.4 一种新型的高精度测量型GNSS终端组合天线 221 7.4.1 天线架构一：振子主辐射单元组件 221 7.4.2 天线架构二：提高前后比增加抗多径效应的阻性衰减地板 222 7.4.3 天线架构三：进一步提高方向图前后比的半开口圆环腔 224 7.4.4 以计算机数据控制为主线的天线加工、组装与检测 225 7.5 新型振子组合天线的设计验证 226 7.5.1 天线样件的计算机仿真数据验证 226 7.5.2 天线样件辐射性能测试 228 7.5.3 计算机数值仿真与实测结果比较 229 7.5.4 新天线与NovAtel-750X-3D天线和Leica-AR20-3D天线性能比对 231 7.6 新天线接收机系统直接接收导航信号的比测鉴定 233 7.6.1 新天线与华信-3D扼流圈天线（HX-CGX601A天线）比测 233 7.6.2 新天线与Trimble-3D扼流圈天线比测 234 7.6.3 新天线与NovAtel-750X-3D天线直接接收数据比测 235 7.6.4 新天线与Trimble-Zephyr Geodetic 2 天线比测 236 7.7 从TEQC数据解读新天线的技术优势 237 7.7.1 新天线具有更高的S/N，更低的波束截止角 237 7.7.2 新天线有更宽的频带，更适应多星并存共享 238 7.7.3 新天线独有的空间极化滤波功能 239 7.7.4 新天线是多径效应系数与相心空间归一的高稳相天线 239 第8章手持／车载GNSS终端天线 240 8.1 手持／移动终端设备采用的无线导航定位技术 241 8.1.1 卫星定位 242 8.1.2 蜂窝基站定位 243 8.1.3 A-GPS定位 244 8.1.4 WiFi辅助定位 245 8.2 车载移动终端的GNSS天线 245 8.2.1 车载天线的基本考虑 245 8.2.2 车载智能导航定位系统功能及关键技术 248 8.3 手持终端GNSS天线的技术关注点 248 8.3.1 测绘型GNSS手持终端天线的技术关注点 249 8.3.2 个人消费类GNSS手持终端天线的技术关注点 249 8.3.3 GNSS手持终端天线设计应用举例 251 8.4 典型车载GPS导航定位天线 257 8.4.1 GPS-L1单频微带贴片天线 257 8.4.2 GPS-L1/L2 双频微带贴片天线 258 8.4.3 三频GPS天线 258 8.4.4 PCS/GPS/RKES组合天线 260 8.4.5 GPS与蜂窝电话的集成天线 261 8.4.6 GPS与DCS公用微带天线 263 8.4.7 GPS与SDARS组合天线 266 8.5 现代GNSS移动终端天线的要求及其挑战 267 8.5.1 尺寸、外观、成本、质量和功能 268 8.5.2 机壳对手机中天线的影响 268 8.5.3 手机中GNSS天线辐射方向图要求 269 8.5.4 手机中移动通信天线与GNSS天线EMI隔离技术 269 8.6 多径环境中GNSS终端天线性能的统计模型及其测试 270 8.6.1 手持移动终端GNSS天线特性的统计模型 270 8.6.2 GNSS移动终端接收天线性能参数测试 273 8.6.3 GNSS终端接收天线与智能手机性能优化考虑 275 第9章多频宽带及超宽带天线 277 9.1 多频宽带及超宽带需求分析 278 9.2 移动终端平面多频宽带天线 280 9.2.1 手持终端平面天线多频及小型化设计的主要途径 281 9.2.2 地板开槽的共面倒F形天线 282 9.3 无线定位技术的基本模型算法 286 9.3.1 三边测量法定位模型 287 9.3.2 双曲线定位法定位模型 287 9.3.3 最小二乘法定位模型 288 9.3.4 角度定位模型 289 9.3.5 混合定位模型 289 9.4 超宽带定位技术 290 9.4.1 超宽带技术 290 9.4.2 UWB带宽定义 292 9.4.3 超宽带室内定位技术 293 9.4.4 UWB天线的基本要求及主要性能 294 9.4.5 UWB天线设计举例 298 9.5 UWB天线的时频特性及其测量 301 9.5.1 UWB天线的传递函数 301 9.5.2 UWB天线传递函数和群延迟测量 302 第10章 GNSS终端接收天线测量 303 10.1 概述 304 10.1.1 测试方法和测试场地描述 304 10.1.2 近场测量 306 10.1.3 天线辐射性能确定 310 10.2 GNSS接收天线PCO/PCV的测量与标校 311 10.3 有源天线性能及其测量 312 10.3.1 有源天线LNA的作用 312 10.3.2 GNSS终端接收LNA的主要性能参数 313 10.3.3 LNA性能测试 316 10.3.4 有源天线噪声温度、噪声系数和G/T值测试 319 10.4 GNSS天线群延迟变化及其测量 325 10.4.1 GNSS接收天线的相频特性及群延迟定义 325 10.4.2 GNSS接收天线的群延迟测定 326 10.4.3 利用紧缩场的天线微分群延迟变化的室内测量方法 330 10.5 有源天线直接接收数据质量检验 332 10.5.1 直接测量布局 333 10.5.2 测试结果分析 334 10.6 有源天线系统OTA测试 336 10.6.1 概述 336 10.6.2 有源天线系统OTA测试目的 337 10.6.3 OTA测试及其参数 338 10.6.4 OTA测试指标间的制约与折中处理 340 第三篇抗干扰篇第11章阵列天线及其自适应工作原理 345 11.1 阵列天线概述 346 11.1.1 阵列天线空间方向图 346 11.1.2 方向图相乘原理 347 11.1.3 均匀直线阵空间方向图 347 11.1.4 均匀平面阵列天线方向图 350 11.1.5 共形阵天线的空间方向图 353 11.2 相控阵天线 354 11.2.1 相控阵天线的基本组成 354 11.2.2 相控阵天线的波束扫描 355 11.2.3 相控阵天线多波束的形成 357 11.2.4 相控阵天线的基本术语和定义 360 11.3 自适应阵列天线基础 361 11.3.1 自适应阵列天线概述 361 11.3.2 自适应最佳天线度量准则 373 第12章 GNSS终端自适应零对消抗干扰天线技术 377 12.1 GNSS信号接收 378 12.1.1 GNSS终端信号接收的脆弱性和易受干扰性 378 12.1.2 接收机系统的干扰与抗干扰技术 380 12.2 自适应空域调零天线系统 381 12.2.1 常用天线阵形 381 12.2.2 自适应空域滤波阵列天线的基本组成 382 12.2.3 干扰调零天线性能 385 12.3 GNSS接收机中的嵌入式抗干扰天线模块 385 12.3.1 嵌入式抗干扰天线模块概述 385 12.3.2 天线抗干扰处理的方式 387 12.3.3 一种4阵元天线的抗干扰模块射频电路设计实例 389 12.3.4 GNSS抗干扰零对消性能评估和测量技术 391 12.4 阵元互耦合影响及其校正技术 392 12.4.1 阵列天线的阻抗矩阵 393 12.4.2 阵元间互耦合的影响分析 394 12.4.3 阵元互耦合影响的消除 394 12.5 极化滤波抗干扰接收天线 395 12.5.1 概述 395 12.5.2 GNSS接收中的极化滤波自适应抗干扰技术 396 第13章 GNSS终端接收天线空时自适应抗干扰技术 400 13.1 概述 401 13.1.1 几个基本概念 401 13.1.2 空时自适应抗干扰对GNSS终端接收机系统的重要性 403 13.1.3 空域自适应零对消技术的局限性 403 13.2 GNSS接收系统空时自适应阵列天线 409 13.2.1 空时自适应抗干扰阵列天线技术的演进 409 13.2.2 数字滤波器 414 13.2.3 空时自适应抗干扰天线的输入和输出 415 13.2.4 空时自适应权值的计算 416 13.3 空时自适应阵列抗干扰天线性能评估 424 13.3.1 阵列增益 424 13.3.2 复杂环境下阵列天线的等效阵列增益 424 13.3.3 利用统计特性表征阵列天线的抗干扰能力 425 13.3.4 GNSS自适应阵列抗干扰引入误差分析 426 13.4 空时自适应抗干扰设计 426 13.4.1 均匀线阵时域滤波的表达式 426 13.4.2 协方差矩阵的估计 427 13.4.3 空时自适应阵列天线的抗干扰特性 428 13.4.4 GNSS接收机天线抗干扰模块 430 13.4.5 通道不一致性校正方法 433 第14章 GNSS终端数字多波束接收天线 435 14.1 数字多波束形成原理 436 14.1.1 数字波束形成与模拟波束形成比较 436 14.1.2 数字多波束形成模型 437 14.1.3 数字多波束形成的运算流程 439 14.1.4 数字配相多波束形成 441 14.2 基于FFT和FPGA的数字多波束形成方法 443 14.2.1 数字多波束形成中的FFT流程 443 14.2.2 数字波束形成GNSS接收机系统 446 14.2.3 基于FPGA的数字多波束实现 447 14.2.4 数字波束天线的网络结构 449 14.3 数字多波束天线设计实例 452 14.3.1 阵列天线数字多波束形成的基本关系 452 14.3.2 N阵元圆形阵的M个聚焦波束 453 14.3.3 波束形成与空时零陷选择策略 453 14.3.4 数字波束形成中的幅相误差补偿 456 14.3.5 最佳波束形成器 457 14.4 结语 459 参考文献 461