北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車載天線的設(shè)計畢業(yè)論文

1、摘要 如今，人們關(guān)注到了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢，并已廣泛應(yīng)用，北斗手持機往往采用貼片天線。在使用的過程中，只要將最大的增益方向?qū)蕦?dǎo)航衛(wèi)星，即可獲得較好的通信效果，并發(fā)揮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的優(yōu)勢。然而，貼片天線卻對車輛的導(dǎo)航提出了挑戰(zhàn)。車輛上的天線固定安裝，不可能通過旋轉(zhuǎn)天線來對準最大增益方向，因此貼片天線不再適用。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，綜合考慮車輛的機動性和天線方位角的全向性，本文討論了一種具有高增益、低仰角等特性的車載天線圓錐對數(shù)螺旋天線，并從實際出發(fā)，將天線設(shè)計變小，提高其便攜性等。該類天線能夠解決貼片天線在車載天線應(yīng)用中的不足?！娟P(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，車載天線，圓錐對數(shù)螺旋天線Abstra

2、ctRecently, people are concerned that the benefits of Beidou satellite navigation system, and has been widely used, often using patch antenna Compass handset. In the use of the process, as long as the maximum gain direction aligned navigation satellites, you can get a better communication effect, an

3、d play Beidou satellite navigation advantage. However, the patch antenna but then navigate vehicles posed a challenge. Fixedly mounted on the vehicle antenna, the antenna can not be aligned by rotating the direction of maximum gain, and therefore not suitable for the patch antenna. From the practica

4、l point of view, considering the mobility and omnidirectional antenna azimuth of the vehicle, the paper discusses a high gain, low elevation and other characteristics of the vehicle antenna - conical logarithmic spiral antenna, and the antenna is small design. Can solve the problem of such a patch a

5、ntenna is an antenna in-vehicle antenna applications. 【Keywords】Beidou satellite navigation system, car antennas, conical logarithmic spiral antenna目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc7052 目 錄 PAGEREF _Toc7052 4 HYPERLINK l _Toc12395 一、引言 PAGEREF _Toc12395 5 HYPERLINK l _Toc18792 PAGEREF _Toc18792 5

6、 HYPERLINK l _Toc3734 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc3734 5 HYPERLINK l _Toc2507 1.3 研究的意義 PAGEREF _Toc2507 6 HYPERLINK l _Toc1626 1.4 問題的提出與分析 PAGEREF _Toc1626 7 HYPERLINK l _Toc6870 1.4.1 問題的提出 PAGEREF _Toc6870 7 HYPERLINK l _Toc219 1.4.2 問題的分析 PAGEREF _Toc219 7 HYPERLINK l _Toc24210 1.5 文章結(jié)構(gòu)安排 PAGEREF _

7、Toc24210 7 HYPERLINK l _Toc26506 二 相關(guān)技術(shù)介紹 PAGEREF _Toc26506 8 HYPERLINK l _Toc12789 2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可視分析 PAGEREF _Toc12789 8 HYPERLINK l _Toc32685 2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相對靜態(tài)定位精度性能分析 PAGEREF _Toc32685 9 HYPERLINK l _Toc14540 2.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度性能分析 PAGEREF _Toc14540 10 HYPERLINK l _Toc27404 2.4 平面螺旋天線 PAGEREF _Toc27404

8、 11 HYPERLINK l _Toc11814 2.5 圓錐對數(shù)螺旋天線及其基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc11814 12 HYPERLINK l _Toc16188 三 設(shè)計目標和方案論證 PAGEREF _Toc16188 14 HYPERLINK l _Toc1275 PAGEREF _Toc1275 14 HYPERLINK l _Toc28710 3.2 方案論證 PAGEREF _Toc28710 14 HYPERLINK l _Toc17186 四 系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc17186 16 HYPERLINK l _Toc28585 4.1 雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線

9、及設(shè)計 PAGEREF _Toc28585 16 HYPERLINK l _Toc4303 4.2 雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線的小型化 PAGEREF _Toc4303 16 HYPERLINK l _Toc13210 五 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc13210 18 HYPERLINK l _Toc2355 致謝 PAGEREF _Toc2355 19 HYPERLINK l _Toc7273 參考文獻 PAGEREF _Toc7273 20 HYPERLINK l _Toc31991 致謝 PAGEREF _Toc31991 21一、引言第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美蘇兩國在1960年代分別建設(shè)

10、了的一個類似的導(dǎo)航系統(tǒng)。一個是美國1963年建成的子午儀，一個是蘇聯(lián)1979年建成的圣卡達。它們的共同點是：都采用高度為1000km的圓形軌道的衛(wèi)星，導(dǎo)航信號使用150MH z和400MH z的高頻信號，每5到6min便會完成一次定位。二維定位每1.5小時至2小時進行一次，定位的精度可以控制在80m 到 100m。后來，為了將無線電導(dǎo)航統(tǒng)一起來，并實現(xiàn)精度高、連 續(xù)、進行三維定位以及測速，1973年時美國國防部批準并設(shè)計了GPS計劃，該方案采用了RNSS偽距定位原理。并且于1994年建成，該方案定位精度。其中PPS服務(wù)能夠達到8米；而SPS服務(wù)為100米。并且，蘇聯(lián)于 20 世紀70年代建設(shè)G

11、LONASS系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用19100km的軌道高度，利用24顆衛(wèi)星，并且有3個軌道面。也利用偽距定位原理，于 1995 年曾布滿星座。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) GPS、GLONASS已經(jīng)建成并投入使用, 不僅促進了導(dǎo)航定位理論與應(yīng)用的變革，也促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展。為提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的自主性、安全性、完好性，并受到國際上對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研究的啟發(fā)，我國也積極研究該系統(tǒng)，19世紀8 0年代，我國通過研究決定建設(shè)我國獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (稱為Compass北斗) 。200 3年，Compass導(dǎo)航系統(tǒng)建成，廣泛的應(yīng)用于多個領(lǐng)域。該系統(tǒng)的建成具有重要意義：其一，他在很大程度上提高了衛(wèi)星導(dǎo)航用戶的性能，

12、包括可用性、精確性、完好性和可靠性，但是也不得不面對隨即出現(xiàn)的頻率資源的競爭。 然而，北斗手持機往往采用貼片天線。在使用的過程中，只要將最大的增益方向?qū)蕦?dǎo)航衛(wèi)星，即可獲得較好的通信效果，并發(fā)揮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的優(yōu)勢。然而，貼片天線卻對車輛的導(dǎo)航提出了挑戰(zhàn)。車輛上的天線固定安裝，不可能通過旋轉(zhuǎn)天線來對準最大增益方向，因此貼片天線不再適用。因此結(jié)合車輛的機動性和天線方位角的全向性，設(shè)計一種具備高增益、低仰角等特性的車載天線至關(guān)重要。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前對衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的研究和應(yīng)用十分廣闊，也逐漸從軍事領(lǐng)域向民事發(fā)展，而不是僅控制在軍工領(lǐng)域方面，并且也向各行各業(yè)發(fā)展。下面我們將詳細介紹如今衛(wèi)星導(dǎo)航

13、系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用，以及它帶來的方便： 在軍用方面，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類似，如：運動目標的定位導(dǎo)航；為縮短反應(yīng)時間的武器載具發(fā)射位置的快速定位；人員搜救、水上排雷的定位需求等。這項功能用在軍事上，意味著可主動進行各級部隊的定位，也就是說大陸各級部隊一旦配備“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除了可供自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統(tǒng)掌握部隊位置，并傳遞相關(guān)命令，對任務(wù)的執(zhí)行有相當大的助益。換言之，大陸可利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)執(zhí)行部隊指揮與管制及戰(zhàn)場管理。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也被應(yīng)用于民事。首先，可以進行個人位置的定位，當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)

14、航接收HYPERLINK :/baike.baidu /view/26651.htm t _blank 芯片的手機或車載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。深圳HYPERLINK :/baike.baidu /view/1621652.htm t _blank 凱立德科技股份 董事長張文星在2012年9月24日舉行的首屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)年會上透漏，自2011年7月份起，凱立德及相關(guān)企業(yè)自發(fā)的組織了一個項目團隊，完成了基于北斗的車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品，從而實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在民用領(lǐng)域的初步探索，并達到了北斗衛(wèi)星車載導(dǎo)航萬臺批次生產(chǎn)能量。北斗導(dǎo)航在氣象方面也有廣泛應(yīng)用，并且可以推動北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的

15、創(chuàng)新應(yīng)用，并在各個領(lǐng)域發(fā)展業(yè)務(wù)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星可以監(jiān)控天氣變化，分析天氣預(yù)報，及時講分析數(shù)據(jù)返回指揮中心，并且能夠提高天氣預(yù)測的準確性，對防止氣象災(zāi)害也有一定積極作用。道路交通管制方面，衛(wèi)星導(dǎo)航也將極大的發(fā)揮作用。通過衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，可以獲取車輛的位置信息，再通過合理有效地調(diào)度，可以緩解交通堵塞，給用戶設(shè)計最佳的行車路線。衛(wèi)星導(dǎo)航同時也給鐵路運輸領(lǐng)域提供了極大的方便，通過衛(wèi)星導(dǎo)航確定車輛的位置后，能夠給交通管制提供更可靠的依據(jù)，實現(xiàn)運輸方式的轉(zhuǎn)型，可以通過調(diào)控車輛的位置，減少列車行駛時間，也能降低運輸成本，避免事故發(fā)生。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于鐵路運輸領(lǐng)域，提供高可靠、高精度的定位、測速以及授

16、時服務(wù)，實現(xiàn)交通工具的轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化。1.3 研究的意義 北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是無線電導(dǎo)航的最佳系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，能夠為用戶免費提供高質(zhì)量的開放服務(wù), 并且歡迎全球用戶使用北斗系統(tǒng)。中國將就衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的問題，與多國進行深入的交流以及合作，以此推動 GNSS 等技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國愿意通過頻率協(xié)調(diào)，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的兼容和互操作。此外，北斗系統(tǒng)將依據(jù)中國的技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展實際，遵循循序漸進的模式建設(shè)。通過改進系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)建設(shè)平穩(wěn)過渡，為用戶提供長期連續(xù)的服務(wù)。我國從20世紀 80 年代中期開始研究衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。GPS原來只應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但是從海灣戰(zhàn)爭之后，GPS逐漸走

17、向民用市場。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，衛(wèi)星導(dǎo)航具有先天的優(yōu)越性，人們看準它的商機，并紛紛投入研究，使得衛(wèi)星導(dǎo)航的市場發(fā)展越來越迅速，同時也出現(xiàn)了大批專業(yè)的研究人員。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，并且計算機技術(shù)的發(fā)展也推動了導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展?，F(xiàn)如今，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)越發(fā)迅速，并且向更高層次的技術(shù)推進。衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域有很多，其中較為重要的是海運和水運。為了保證船只等各類海上交通工具在行駛過程中的安全，這類工具都會安裝衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，以此加強水路運輸?shù)目煽啃?。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不受天氣影響，能夠持續(xù)有效地提供安全保障，并且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可開發(fā)性較高，能夠提供新型服務(wù)。然而和GPS等已經(jīng)較為成熟

18、的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗的衛(wèi)星軌道比較特殊，而且在軌衛(wèi)星的數(shù)目往往較少，這樣就對接收終端，尤其是車載的接收和發(fā)射天線提出了較高要求。因此研究北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車載天線研究具有重大意義。1.4 問題的提出與分析1.4.1 問題的提出如今，人們關(guān)注到了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢，并已廣泛應(yīng)用，北斗手持機往往采用貼片天線。在使用的過程中，只要將最大的增益方向?qū)蕦?dǎo)航衛(wèi)星，即可獲得較好的通信效果，并發(fā)揮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的優(yōu)勢。然而，貼片天線卻對車輛的導(dǎo)航提出了挑戰(zhàn)。1.4.2 問題的分析車輛上的天線固定安裝，不可能通過旋轉(zhuǎn)天線來對準最大增益方向，因此貼片天線不再適用。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，綜合考慮車輛的機動性和天

19、線方位角的全向性，一種具有高增益、低仰角等特性的車載天線圓錐對數(shù)螺旋天線會更加適用于車載系統(tǒng)，并且應(yīng)該從實際出發(fā)，將天線設(shè)計變小，使他更加具有便攜性。這樣設(shè)計便能夠解決貼片天線在車載天線應(yīng)用中的不足。1.5 文章結(jié)構(gòu)安排余下的部分，本文這樣安排：第二部分講解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車載天線設(shè)計的相關(guān)技術(shù)，包括北斗系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星在不同緯度下的可視分析、北斗系統(tǒng)相對靜態(tài)定位精度性能分析、北斗系統(tǒng)實時高精度動態(tài)定位精度性能分析，平面螺旋天線以及圓錐對數(shù)螺旋天線。第三部分分析本文的設(shè)計目標以及方案論證。第四部分詳述系統(tǒng)設(shè)計，包括對雙臂圓錐螺旋天線的設(shè)計和小型化設(shè)計。第五部分是總結(jié)與展望。最后是致謝和參考文獻。二

20、、相關(guān)技術(shù)介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，北斗一代是一種區(qū)域有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，覆蓋范圍為中國境內(nèi)及周邊部分國家，繼北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，我國正在建設(shè)具有全球覆蓋能力的無源衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)即北斗系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)不但具有導(dǎo)航定位和授時能力，還能提供其它衛(wèi)星定位系統(tǒng)不能提供的服務(wù)，比如通信服務(wù)，北斗系統(tǒng)由以下兩個階段建立：第一階段，截止到2012年年底，實現(xiàn)亞太地區(qū)無源定位；第二階段，到2020年底，實現(xiàn)全球無源定位能力。到2012年10月25日為止，北斗系統(tǒng)已成功發(fā),射了5顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星，5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星，能為亞太地區(qū)提供區(qū)域無源定位服

21、務(wù)，隨著更多衛(wèi)星的成功發(fā)射，北斗系統(tǒng)將具備為全球提供無源導(dǎo)航定位服務(wù)的能力。2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可視分析截至目前，已有較多學者對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進行了研究，但是在這些分析研究中，多數(shù)還是僅僅在數(shù)據(jù)的仿真階段。在這些研究中，文獻9的作者同樣做了數(shù)據(jù)的仿真，并得到北斗系統(tǒng)的星座，由此得到不同區(qū)域內(nèi)（繪制了北京和赤道附近的天空視圖），該系統(tǒng)的可視性問題。并由此得到重要結(jié)論：BDS的GEO和IGSO在亞太低緯度地區(qū)會全部處于視野內(nèi)，而GEO在高緯度地區(qū)處于視野內(nèi)，具體分析結(jié)果如下圖所示：圖1 GEO和IGSO衛(wèi)星視圖（近赤道地區(qū)）在亞太高緯度地區(qū)，GEO衛(wèi)星分布在觀測者視角的南半部分，IGSO衛(wèi)星部分

22、時刻會運行出視野以外，但大部分時候IGSO衛(wèi)星相對于地球上高緯度地區(qū)觀測者可視，見圖2所示。和GPS、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較起來，對于亞太地區(qū)的觀測者，北斗系統(tǒng)衛(wèi)星星座具有更加高效的利用率。圖2 GEO和IGSO衛(wèi)星視圖（北京地區(qū)）2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相對靜態(tài)定位精度性能分析到目前為止，北斗系統(tǒng)已經(jīng)能夠勝任亞太地區(qū)的無源定位服務(wù)，該服務(wù)的應(yīng)用說明北斗系統(tǒng)具有較高的相對靜態(tài)定位精度，圖3的結(jié)果表明，單獨利用北斗系統(tǒng)和GPS時，兩者的基線估計精度相當。因而，我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)因其高精度的定位能力，成為“業(yè)內(nèi)”的佼佼者而為亞太地區(qū)的定位及相關(guān)業(yè)務(wù)提供服務(wù)。圖3 單獨利用GPS、北斗

23、系統(tǒng)解算靜態(tài)基線的結(jié)果（X,Y,Z方向）2.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度性能分析為了了解北斗系統(tǒng)與GPS的實時高精度動態(tài)定位，我們做了如下的對比：首先，大壩、橋梁等大型工程需要實時的安全監(jiān)控，而GPS可以處理15分鐘北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，以及提供GPS觀測值，其觀測結(jié)果如圖4所示：在軸與軸方向上，GPS的誤差小于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；而在Z軸方向上，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS的誤差基本一致。圖4 利用單歷元算法“實時”估計北斗系統(tǒng)與GPS基線精度對比 我國從20世紀 80 年代中期開始研究衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。GPS原來只應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但是從海灣戰(zhàn)爭之后，GPS逐漸走向民用市場。與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，衛(wèi)星導(dǎo)航具有先天的優(yōu)越性，

24、人們看準它的商機，并紛紛投入研究，使得衛(wèi)星導(dǎo)航的市場發(fā)展越來越迅速，同時也出現(xiàn)了大批專業(yè)的研究人員。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，并且計算機技術(shù)的發(fā)展也推動了導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展?，F(xiàn)如今，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)越發(fā)迅速，并且向更高層次的技術(shù)推進。中國的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，也逐漸從軍事領(lǐng)域向民事發(fā)展，而不是僅控制在軍工領(lǐng)域方面，并且也向各行各業(yè)發(fā)展。下面我們將詳細介紹如今衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用，以及它帶來的方便： 在軍用方面，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類似，如：運動目標的定位導(dǎo)航；為縮短反應(yīng)時間的武器載具發(fā)射位置的快速定位；人員搜救、水上排雷的定位需求等。這項功能用在

25、軍事上，意味著可主動進行各級部隊的定位，也就是說大陸各級部隊一旦配備“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除了可供自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗”系統(tǒng)掌握部隊位置，并傳遞相關(guān)命令，對任務(wù)的執(zhí)行有相當大的助益。換言之，大陸可利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)執(zhí)行部隊指揮與管制及戰(zhàn)場管理。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也被應(yīng)用于民事。首先，可以進行個人位置的定位，當你進入不熟悉的地方時，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收HYPERLINK :/baike.baidu /view/26651.htm t _blank 芯片的手機或車載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線。深圳 HYPERLINK :/baike.baidu /vie

26、w/1621652.htm t _blank 凱立德科技股份 董事長張文星在2012年9月24日舉行的首屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)年會上透漏，自2011年7月份起，凱立德及相關(guān)企業(yè)自發(fā)的組織了一個項目團隊，完成了基于北斗的車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品，從而實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在民用領(lǐng)域的初步探索，并達到了北斗衛(wèi)星車載導(dǎo)航萬臺批次生產(chǎn)能量。北斗導(dǎo)航在氣象方面也有廣泛應(yīng)用，并且可以推動北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用，并在各個領(lǐng)域發(fā)展業(yè)務(wù)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星可以監(jiān)控天氣變化，分析天氣預(yù)報，及時講分析數(shù)據(jù)返回指揮中心，并且能夠提高天氣預(yù)測的準確性，對防止氣象災(zāi)害也有一定積極作用。道路交通管制方面，衛(wèi)星導(dǎo)航也將極大的發(fā)揮作用

27、。通過衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，可以獲取車輛的位置信息，再通過合理有效地調(diào)度，可以緩解交通堵塞，給用戶設(shè)計最佳的行車路線。衛(wèi)星導(dǎo)航同時也給鐵路運輸領(lǐng)域提供了極大的方便，通過衛(wèi)星導(dǎo)航確定車輛的位置后，能夠給交通管制提供更可靠的依據(jù)，實現(xiàn)運輸方式的轉(zhuǎn)型，可以通過調(diào)控車輛的位置，減少列車行駛時間，也能降低運輸成本，避免事故發(fā)生。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于鐵路運輸領(lǐng)域，提供高可靠、高精度的定位、測速以及授時服務(wù)，實現(xiàn)交通工具的轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化。衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域有很多，其中較為重要的是海運和水運。為了保證船只等各類海上交通工具在行駛過程中的安全，這類工具都會安裝衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，以此加強水路運輸?shù)目煽啃浴１倍沸l(wèi)星導(dǎo)

28、航系統(tǒng)不受天氣影響，能夠持續(xù)有效地提供安全保障，并且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可開發(fā)性較高，能夠提供新型服務(wù)。2.4 平面螺旋天線螺旋天線可以收發(fā)空間中旋轉(zhuǎn)的偏振電磁信號，其中，平面螺旋天線已經(jīng)發(fā)展了幾十年，相對于國內(nèi)的技術(shù)水平，國外發(fā)展的比較成熟，有資料顯示的國內(nèi)平面螺旋天線頻率做到0.540GHz，其中1840GHz頻段采用脊波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu) 國外已經(jīng)有0.5100GHz頻帶的產(chǎn)品，0.518GHz天線采用金屬反射腔填充吸收材料的方式，饋電balun為普通的寬頻帶balun。其曲線方程為，其中為螺旋增長率，為方位角，個參數(shù)所代表的意義如下圖：圖5 平面螺旋曲線圖圖6 平面等角螺旋曲線圖2.5 圓錐對數(shù)螺

29、旋天線及其基本結(jié)構(gòu)圓錐對數(shù)螺旋天線（CLS）天線是一種非常典型的非頻變天線，即若天線的所有尺寸和工作頻率或波長按相同比例變化則其方向圖阻抗和極化等特性保持不變，由于CLS天線具有良好的方向性和寬帶特性因此常用在寬帶和超寬帶無線通信上如無繩 無線LAN電視GPS定位雷達衛(wèi)通信等。同時改進型的火箭飛機和導(dǎo)彈的前端技術(shù)也會由于圓錐體良好的空氣動力學性能而經(jīng)常采用CLS天線。由于圓錐螺旋天線的方向特性和寬帶特性有廣泛的應(yīng)用越來越多的研究集中在如何調(diào)節(jié)圓錐和螺旋線尺寸從而實現(xiàn)其性能的最優(yōu)化上。常見的CLS天線有單臂和雙臂兩種，而雙臂CLS天線更容易實現(xiàn)前向輻射的軸對稱特性，故論文對雙臂CLS天線進行研究

30、。圖7 雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線的主要參數(shù)以及坐標系統(tǒng)三、設(shè)計目標和方案論證閉合金屬結(jié)構(gòu)會引起多徑反射，并且緊湊的車身會帶來非常嚴重的信號損耗，以及電子設(shè)備會造成寬帶噪聲信道等問題。上述問題使得車載天線的使用和設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)。車載天線的發(fā)射會帶來較為嚴重的電磁兼容問題，天線工作時同時接收和發(fā)送信號，因此它既是干擾源，同時也是敏感設(shè)備，不均勻的場分布是天線性能變差的一個重要因素。車輛作為一個移動體，對天線的設(shè)計帶來更大的挑戰(zhàn)。當車載天線發(fā)生移動時，天線輻射方向圖會因不同位置的變化而產(chǎn)生不同的畸變。天線散射場的分析將影響車載天線的設(shè)計，并天線在通過車體散射后，它的方向特性將發(fā)生變化，能夠準確測試這種

31、變化也至關(guān)重要。因此，如何設(shè)計天線使得它能夠獲得最大性能從而省去人力物力，顯得尤為重要。在設(shè)計天線之前，熟知車載天線的結(jié)構(gòu)非常重要。按照轉(zhuǎn)軸的不同數(shù)目，天線座一共可分為五種：分別為單軸、兩軸、三軸、四軸和固定不動的。其中，單軸天線座用途廣泛，尤其在用戶搜索以及引導(dǎo)雷達方面用途顯著；兩軸天線座在波束窄的圓拋物面天線優(yōu)勢較為突出。單軸和兩軸一般用于地面天線座，而三軸或四軸的天線座通常用于車載或機載天線?，F(xiàn)有的二軸天線優(yōu)勢突出，但也有缺陷。當車輛發(fā)生傾斜時，俯仰跟蹤軸也會發(fā)生傾斜，導(dǎo)致俯仰軸不與水平面平行，這將導(dǎo)致天線波束繞自身軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)滾動。所以，車載兩軸穩(wěn)定跟蹤可以實現(xiàn)天線波束軸線的指向穩(wěn)定，

32、但是不能實現(xiàn)波束的穩(wěn)定，因此當天線跟蹤要求精度較高時，這種兩軸設(shè)計不能滿足要求。 6的作者采用三軸天線座結(jié)構(gòu)消除了車輛傾斜引起的波束傾斜。三軸穩(wěn)定天線座也有很多種結(jié)構(gòu)。三軸天線的設(shè)計是在方位軸和俯仰軸的基礎(chǔ)上，再加一根交叉軸。這三根軸相互正交，車輛晃動時方位軸和俯仰軸的作用可以使波束中心對準目標，這時交叉軸的轉(zhuǎn)動，可以消除波束的傾斜。其設(shè)計相對于二軸天線，只不過增加了交叉軸轉(zhuǎn)動消除傾斜的部分，本質(zhì)并沒有發(fā)生改變。此時，對方位軸的要求和車載二軸雷達一樣，仍要求有很大的角速度，并不能減少角速度之后所導(dǎo)致的盲區(qū)。3.2 方案論證三個角速度壓電陀螺的安裝位置非常重要，安裝巧妙就可以實現(xiàn)天線三軸的解耦，

33、簡單計算、控制過程。橫滾陀螺的角速度的感應(yīng)軸與天線的橫滾轉(zhuǎn)動軸平行，被安置在天線的轉(zhuǎn)動架上；俯仰陀螺的角速度的感應(yīng)軸線與天線的俯仰轉(zhuǎn)動軸平行，安裝在天線橫梁上；方位陀螺的角速度感應(yīng)軸線與天線方位轉(zhuǎn)動軸存在于同一平面內(nèi)，并且水平儀的水平軸以及交叉水平軸線分別與天線的俯仰軸和橫滾軸平行。三軸天線中的三軸包括俯仰轉(zhuǎn)動軸、橫滾轉(zhuǎn)動軸和方位轉(zhuǎn)動軸，為了保持穩(wěn)定性，這三個軸彼此正交，這樣的設(shè)計是為了保證：當天線環(huán)繞橫滾軸轉(zhuǎn)動使，由于正交的作用，一個軸的轉(zhuǎn)動將不會影響其他兩個軸，也就是說，不僅是橫滾陀螺，方位陀螺和俯仰陀螺也不會帶來影響，他們的角速度方面不會有輸出。同（1）相同，當天線環(huán)繞俯仰軸轉(zhuǎn)動的時候，

34、這三個陀螺都不會受到影響而產(chǎn)生角速度的輸出。當天線環(huán)繞方位軸發(fā)生轉(zhuǎn)動時，方位陀螺會產(chǎn)生角速度的輸出，但是對橫滾陀螺不產(chǎn)生角速度輸出。對于對俯仰陀螺的影響分兩種情況，當天線底座與水平面平行時，不產(chǎn)生角速度輸出，當與水平有夾角時，將會產(chǎn)生角速度輸出。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，綜合考慮車輛的機動性和天線方位角的全向性，本文討論了一種具有高增益、低仰角等特性的車載天線圓錐對數(shù)螺旋天線，并從實際出發(fā)，將天線設(shè)計變小，提高其便攜性等。該類天線能夠解決貼片天線在車載天線應(yīng)用中的不足。四、系統(tǒng)設(shè)計4.1 雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線及設(shè)計北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作在S波段。S波段采用2491.75MHz的中心頻率，以及4.08M

35、Hz的帶寬。天線設(shè)計時通常對仰角有一定要求，根據(jù)某個設(shè)計，最大增益要求出現(xiàn)在仰角為40度的位置上。為了滿足信號集中等要求，在25度-55度的仰角中，功率增益不得小于4 dB。由于天線往往部署在高處，天線的高度會影響仰角，所以對天線的高度也有一定的要求。通過上述要求，可以判斷角度擴展的設(shè)計為30度，選擇60度的包角，半功率寬度139度。由此，可以設(shè)計出如下參數(shù)的雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線：首先根據(jù)工作頻率計算工作頻段波長：120mm-120.7mm；計算天線上端截止半徑和下端截止半徑：5.52mm和3.17mm；計算天線高度：92mm。通過仿真得到中心頻率下圓錐對數(shù)螺旋天線的歸一化方向圖，如下：圖8 圓錐對數(shù)螺旋天線的歸一化方向圖（中心頻率）從上圖中可以看到天線的最大增益出現(xiàn)在了40度-45度的位置，已經(jīng)滿足了指標的要求。4.2 雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線的小型化上一小節(jié)的設(shè)計過程中，天線輻射臂的高度為92mm，在設(shè)計過程中加上天線支架以及天線罩，天線的高度會突破100mm，這對于一些要求低剖面的載體來說不能到達要求，因此天線小型化是發(fā)展的必然趨勢。對于雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線，它通常采用頂端饋電的形式。所謂頂端饋電即信號從頂端沿著輻射臂，依次傳輸?shù)降锥?。這樣的饋電方式當