冯驰+赵龙

[摘 要]天线增益不仅是天线最重要的参数之一，而且对无线通信系统的运行质量也非常重要，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。因此，姿态角的变化对信号强度的影响十分重要。

[关键词]天线增益；姿态角

中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0153-02

1 GPS定位基本原理

GPS系统的定位过程可描述为：已知卫星的位置测量得到卫星和用户之间的相对位置，用导航算法解算的到用户的位置。因此，定位前需要两大条件：一为卫星的位置，二为卫星与用户之间的相对距离，知道了这两条后便可算出用户当前所在的位置。

1.1 卫星与用户间的相对距离

GPS使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户的相对距离。它使用两台时钟，一台在用户接收设备上，一台在卫星上。计算卫星与用户之间的距离，实质上是通过比较GPS接收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差，即测量卫星钟传播到用户所花的时间——传播时延得以实现。如果两时间精确同步，即两时钟信号同频同相，那么，利用距离等于时间乘以光速的原理，得到卫星和用户间的真实距离。

但是卫星钟和用户钟往往不能精确同步，当两者存在钟差时，这样测得的距离并不是用户和卫星见的真实距离，而是伪距离（Pseudo Range），简称PR，表示为，取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟时取正，反之取负。

1.2 定位解算

对于地面接收机而言，根据其运动状态可将GPS定位分为静态定位和动态定位，静态定位是指将接收机安置在固定不动的待定点上观测数分钟或更长时间，以确定该点的三维坐标，又称为绝对定位。GPS绝对定位的基本原理是：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测为基准，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机天线所对应的位置。

用户用GPS接收机在某一时刻必须测定至少4颗卫星的距离才能定位，利用4颗卫星的空间坐标，并考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，通过4个方程式，解出x，y，z和钟差。

式中各个参数一一如下：x，y，z为待测点坐标的空间直角坐标。，，（i=1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。（i=1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。为接收机的钟差。待测点坐标x，y，z和为未知参数，其中（i=1，2，3，4）。（i=1，2，3，4）分別为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。（i=1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。C为GPS信号的传播速度，即光速。由上式即可解算出待测点的坐标x，y，z和接收机的钟差，从而得到观测点的经纬度和高程。

在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。

2 实验数据处理及分析

本实验主要探讨的问题是天线的姿态角对卫星定位信号强度的影响，由于靶弹发射的瞬时速度可达到1000m/s，如此高动态环境在地面上很难模拟，本实验是在120km/h的状态下进行，即33.3m/s的状态下进行，虽然无法模拟真实靶弹发射状态，但是也可以说明靶弹在非高动态下的运动时的一些问题，至于高动态的问题可以通过一些其他的手段进行处理和解决。

首先我们先来介绍一下关于GPS一个非常重要的技术指标——水平图形强度因子（HDOP），是判断数据是否有效的关键指标，其数值在小于6的情况下视为有效语句，否则视为无效语句，一般在GPS定位的搜星阶段和初始定位阶段，其数值会大于6，当随着搜星数目增多，其数值会逐渐降低。

（1）水平图形强度因子（HDOP）随时间的变化

如图2.1所示，当时间逐渐增加时，水平图形强度因子（HDOP）的数值会逐渐降低，从起初的4.6降至1左右，在数据处理的过程中就已经将数值大于6的点滤除掉，所以在图中并没有显示大于6的部分，并且其数值越小，其数据的可靠性就越高，定位信息越准。

（2）解算卫星数随时间的变化

如图2.2所示，当时间逐渐增加时，解算卫星数量也会逐渐增加，从起始的4颗卫星到后来的9颗卫星，解算卫星的数量对卫星定位信息的可靠性也有一定的影响，在之前的GPS导航定位系统中已经介绍了相关内容，一般定位用户接收机位置信息至少需要4颗卫星进行解算，当解算卫星的数量越多是，可选做解算卫星的选择性就越多，这样一来GPS接收机就可以从中选出信噪比较高的卫星对用户接收机的位置进行定位，从而使得用户得到的定位信息更加精准可靠。

（3）水平图形强度因子（HDOP）随解算卫星数的变化

如图2.3所示，当解算卫星数量由4颗增加到9颗时，水平图形强度因子（HDOP）由4.6下降到1左右，说明当解算卫星数增加时，水平图形强度因子（HDOP）的数值会随之降低，增加了定位信息的可靠性，与之前的试验结论相符。

（4）各解算卫星的信噪比

如图2.4所示，解算卫星的信噪比大约在5-45dB之间，当GPS接收机处于搜星阶段时，解算卫星信噪比的数值都不会很高，一旦找到4颗信噪比在20dB左右的卫星后，GPS接收机开始进行定位，随着时间的增加，解算卫星的数量也在增加，卫星数量超过最大解算卫星数时，GPS接收机会从中选择信噪比较高的卫星进行定位，保证定位信息的可靠性和准确性，在本次试验中，系统一共搜到20颗卫星，其中信噪比小于20dB的有3颗卫星，大于20dB的有17颗卫星，在这17颗卫星中，超过30dB的有13颗卫星，超过40dB的有8颗卫星，可以确定的是这8颗卫星一定参与了GPS接收机的定位工作，但是后来随着信号更强的卫星的出现，它们也将陆续被这些卫星替换，从而退出定位工作状态。

（5）运动轨迹图

如图2.5所示，是在哈尔滨环城高速上测的数据，通过定位数据绘图得到的运动轨迹图，与实际的运动路线基本相同。

3 实验数据对比分析

1）水平图形强度因子（HDOP）随时间的变化对比

如图3.1所示，两次测试数据的走势大致相似，第一次数据在1～4.6之间波动；第二次数据在1～5.7之间波动，两次的共同点是随着时间的增加，最终两次测试结果都稳定在1左右，得到两个结论：

（1）虽然波动范围在不同测试环境下会略有差异，但是有效数据的范围值是不变的，只要HDOP值不大于6就说明我们得到的GPS定位信息是可信的；

（2）无论HDOP的初始值是什么情况，经过足够的时间后，最终都会稳定在1左右，使得数据的精确程度得到了更好的诠释。

2）解算卫星数随时间的变化对比

如图3.2所示，两次测试数据的走势大致相似，第一次解算卫星数量由4颗增加到9颗；第二次解算卫星数量由3颗增加到9颗，并且第二次比第一次的卫星变化更加清晰，就此可以得到两个结论：

（1）理论上，GPS接收机定位所需的最低解算卫星数量为3颗，最高为9颗。也可能会出现一些特殊情况使得解算卫星的最大值高于9颗，不过最低标准3颗应该是可以确定的；实际上，下图中有5颗的时候才有解算结果。

（2）解算衛星数量会随着时间的增加而增加，说明时间越长，搜到的可视卫星越多，根据卫星的信噪比不同选择相对信号强度较好的卫星进行解算定位信息是毋庸置疑的。

3）水平图形强度因子（HDOP）随解算卫星数变化对比

如图3.3所示，两次测试数据的走势大致相似，都是当解算卫星的数量增加时，HDOP数值降低，即参与解算定位的卫星越多；定位信息越精准；可信度越高。

4）各解算卫星的信噪比对比

如图3.4所示，在第一次试验中，系统一共搜到20颗卫星，其中信噪比小于20dB的有3颗卫星，大于20dB的有17颗卫星，在这17颗卫星中，超过30dB的有13颗卫星，超过40dB的有8颗卫星；在第二次试验中，系统一共搜到25颗卫星，其中信噪比小于20dB的有5颗卫星，大于20dB的有20颗卫星，在这20颗卫星中，超过30dB的有10颗卫星，超过40dB的有8颗卫星。两次实验的共同点在于超过40dB的卫星数量都为8颗，然而参与解算卫星的数量是9颗，我们可以大致得出一个结论：当可视卫星数量较多时，参与GPS定位的卫星是由其中信噪比较高的9颗卫星进行工作。

5）运动轨迹图对比

如图3.5所示，两次测试数据的走势大致相似，在一些细节上也很难发现两次数据之间的差异，说明GPS定位的经纬度信息较高度信息还是较为准确的。

4 结论

天线姿态变化问题：由于天线增益是有方向图的，如果在反方向时天线增益相对变小，影响接收信号的强度。实验中将普通天线的姿态变化由0°变化到90°，每分钟变化10°，周期性的变化姿态角度，得到的数据信号强度很高，准确性好，说明改变天线姿态角对天线接收定位信息的影响不是很大，天线接收定位信息与天线姿态角无关。