海上復雜環境對GNSS天線信號影響的分析

白 帆

（9294部隊，葫蘆島　125000）

1　GNSS天線類型

GNSS一般使用微帶貼片天線、四邊形螺旋天線以及螺旋天線。天線的基本參數：

1.1　阻抗帶寬

阻抗帶寬定義為傳遞到天線的90%的入射功率所對應的頻率范圍，反射系數S＜-10dB，電壓駐波比小于2：1。滿足這些條件的上下頻率之差即為絕對阻抗帶寬。另外部分阻抗帶寬可計算為上下頻率之差與帶寬中心頻率的百分比：

1.2　輻射方向圖

輻射方向圖是天線輻射特性的圖形表示，它是空間坐標系下的函數。對于一個小型天線，它一般在遠場區域中確定，并表示為一個方向坐標系下的函數。通常使用球面坐標，在球面坐標系中，x-z平面（用0°處固定的φ來測量θ）被稱為仰角平面，x-y平面（用90°處固定的φ來測量θ）被稱為在方位面。

1.3　天線相位中心

天線相位中心是一個與相位方向圖相關的概念，也就是天線的等相位面。在遠場區域中，等相位面接近球形表面。球體的中心即是天線的等相位中心。在衛星測量和其他精密測量中，接收信號的相位用來獲得一個更精確的位置，所以需要考慮天線的相位中心。

1.4　方向性和增益

接收天線的方向性是來自最大主瓣方向的信號靈敏度與三維空間中來自各個方向的信號平均靈敏度的比率。接收天線的增益是相同的信號環境下，天線的接收信號與一個無損的全向天線的接收信號的比值。

1.5　效率

總的天線效率描述為輸入功率到輻射功率的轉換過程中的損失。

輻射效率需要考慮到天線的傳導和介電損耗（加熱）。反射效率解釋了由阻抗不匹配引起的功率損耗。

2　環境對GNSS天線信號的影響

2.1　多路徑對GNSS天線的影響

GNSS接收天線由于入射無線電波的反射、衍射和散射而受到多路徑的影響，這種影響取決于周圍環境的布局。在海上船舶狹小擁擠的環境中，有時候到達終端的信號是非常微弱的，經過反射的信號可能是任意性的。

2.2　電磁環境對GNSS天線信號的影響

GNSS接收機受到的電磁干擾有同頻干擾、鄰道干擾等，同頻干擾是指所有落在接收機通帶內的與有用信號頻率相同的無用信號的干擾。電磁干擾可能導致接收機捕獲時間延長、虛警率增加，嚴重的會造成接收機無法正常工作。

在某海域行駛的艦船上GNSS接收機捕獲到了一個干擾信號，致使接收機失鎖，不能正常定位。關閉疑似干擾設備后，干擾信號消失GNSS設備工作恢復正常，該信號頻率與接收機頻率相同，該干擾屬于同頻干擾。

3　航行對GNSS天線信號的影響

3.1　相位中心穩定性對GNSS天線信號影響

在艦船的航行中，天線的相位中心和幾何中心不能完全重合，天線的相位中心會產生或大或小的漂移，在同一時刻不同方向的導航衛星載波也會受到影響，GNSS 的定位精度也會降低。如果艦船GNSS天線的參考點（AP）定義為天線的幾何中心。天線平均相位中心和天線參考點之間的差異稱為相位中心的偏移（PO）。在某個特定方向上的相位中心與平均相位中心之間的偏移量稱為相位中心在這個方向上的變化量（PV）。如

3.2　GNSS天線朝向的性能依賴

在多路無線通信中天線方向起著至關重要的作用。方向的改變會改變天線主瓣方向從而造成通信鏈路的損耗。在艦船航行時，由于海浪海流風向的影響，GNSS設備必須在天線朝向不斷改變的動態環境中進行。天線朝向的變化對GPS天線的性能有很大的影響，對高頻率高精度的導航定位數據的結果有一定的影響。

4　提高GNSS抗干擾性能

4.1　利用多模天線陣提高接收能力

多模天線指的是一個天線可以工作在不同的工作模式，進而實現不同的功能，對于GNSS設備小型化、解決天線之間的電磁兼容問題。由于載體的結構尺寸的限制，衛星導航終端需要配備寬帶、多頻段、小型化或寬波束等不同性能組合的圓極化天線。

4.2　利用抗干擾算法提高抗干擾能力

應用定的算法可以抑制干擾信號，提取有用的衛星信號，提高接收機的抗干擾性能針對陣列抗干擾問題，常用的算法如LMS算法、RLS算法、和SMI算法等，能夠求出提高衛星信號的信噪比，并估計出其空間特征矢量。

4.3　利用艦船綜合布局提高GNSS天線在復雜電磁環境下的接收能力

由于不同艦船的設計理念不一致，在進行衛星導航設備安裝時，應當仔細考慮電磁兼容問題，通過屏蔽等措施，可以降低設備的輻射能量，增強抗干擾性能。各電子系統的位置關系顯得尤為重要。一般來說，可以在艦船的各個區域內，將雷達、通信、導航設備分層設置，避免與頻率相同或相近的裝備天線安裝在一起，避免裝備之間的相互干擾。

5　結束語

實時、高效、高精度的GNSS定位系統，已經是海上船舶航行導航定位的重要手段，也是我們海洋工程施工、海洋科考、設備試驗的重要數據來源。在海上應用GNSS設備進行導航定位，要使用航海型專用天線設備，高精度采集數據信息時要防止同頻段電子設備干擾。我們要了解正確使用 GNSS天線的重要性，注意做好GNSS天線信號的干擾分析，為海上船舶航行和海上科研工作提供更精確的GNSS定位數據。

[1]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京：科學出版社.