آنتن های GNSS

مطالعه این نوشته در 14 دقیقه

در مطالب قبلی در زمینه آنتن ها و گیرنده های GNSS به بررسی تاریخچه گیرنده های GNSS پرداختم. در این نوشته به معرفی آنتن های این گیرنده ها، طبقه بندی آنتن های GNSS و نیز پارامترهای مهم در بهبود کیفیت یک آنتن خواهم پرداخت.

الگوی دریافت یا Gain Pattern

وظیفه آنتن ها در سیستم های تعیین موقعیت ماهواره های، دریافت امواج الکترومغناطیس و تبدیل آن های به سیگنال های الکتریکی است. در هنگام ناوبری با سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS بهترین حالت دریافت سیگنال از تمامی ماهواره های قابل دید در محیط اندازه گیری است. برای دریافت بهینه این سیگنال ها باید یک الگوی دریافت مناسبی وجود داشته باشد. این الگوی دریافت به این صورت است که سیگنال هایی که از زاویه 90 درجه نسبت به افق دریافت می شوند (یعنی ماهواره های بالای سر آنتن) دارای بیشترین قدرت دریافت توسط آنتن های GNSS هستند. این قدرت دریافت در بین متخصصان gain نامیده می شود.

آنتن های GNSS- الگوی دریافت یا Gain Pattern

gain در آنتن ها با واحد dBic معرفی می شود. این مقدار در بهترین حالت در حدود dBic +3 می باشد. مقدار gain برای ماهواره هایی که در زاویه ارتفاعی پایین تری قرار دارند نیز باید مقدار مناسبی داشته باشد. زیرا معمولا سیگنال های ارسالی از سوی این ماهواره ها ضعیف تر از سیگنال های ارسالی از ماهواره های بالای سر آنتن هستند. این ضعیف شدن به دلیل شرایط اتمسفری و گذر از لایه های مختلف جو با زاویه ای غیر از زاویه 90 درجه می باشد.

پولاریزه شدن سیگنال

آنتن های GNSS باید سیگنال های پولاریزه شده را دریافت کنند.  در الکترومغناطیس، حالت پولاریزه شدن یک موج با نوع قرار گرفتن آن معرفی می شود. دو نوع پولاریزه شدن برای سیگنال ها وجود دارد. پولاریزه شدن دایره ای از سمت راست و از سمت چپ. این دو نوع را در شکل زیر مشاهده می کنید.

آنتن های GNSS- پولاریزه شدن- RHCP

GPS از پولاریزه شدن دایره ای دست راستی یا RHCP که مخفف Right Handed Circular Polarization می باشد، استفاده می کند. این نوع پولاریزه کردن باعث می شود که آنتن ها gain بهتری برای این سیگنال ها داشته باشند. همچنین باعث کاهش خطای چندمسیری Multipath نیز می شود.

طراحی آنتن های GNSS

در طراحی آنتن های GNSS پنج فاکتور زیر نقش اساسی دارند:

  • فرکانس مرکزی
  • پهنای باند
  • الگوی ارسال و دریافت یا Gain Pattern
  • نسبت محوری یا Axial Ratio – AR
  • پاسخ فاز یا Phase Response

هرچقدر پهنای باند بیشتر باشد، سیگنال های GNSS راحت تر دریافت می شوند. نسبت محوری نیز نقش مهمی در حالت پولاریزه کردن سیگنال برعهده دارد. پاسخ فاز نقش اساسی در دنبال کردن فاز موج حامل توسط آنتن را دارد. هر چقدر وضعیت این پارامتر بهتر باشد، مرکز فاز آنتن پایدار تر می باشد.

انواع آنتن های GNSS

آنتن های GNSS به دسته های مختلفی طبقه بندی می شوند. از نظر نوع کاربرد می توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:

  • آنتن های مهندسی
  • آنتن های نظامی
  • آنتن های دستی
  • آنتن های گوشی های هوشمند
  • آنتن های هواپیمایی
  • آنتن های فضایی
  • آنتن های ژئودزی

آنتن های Passive و Active

میتوان آنتن های GNSS را به دو نوع Active و Passive طبقه بندی نمود. در آنتن های Passive، قسمت تقویت کننده در خود آنتن تعبیه شده است. در نتیجه امکان از دست دادن سیگنال در هنگام انتقال از طریق کابل به گیرنده از بین می رود. اما آنتن های Active نیاز به یک منبع که از طریق کابل به گیرنده متصل است، دارند. بیشتر آنتن های موجود در بازار از نوع Active است.

آنتن های GNSS-آنتن های Active
آنتن های Active
آنتن های GNSS-آنتن های Passive
آنتن های Passive

آنتن های Helix

آنتن های GNSSنوع دیگر آنتن های GNSS، آنتن های Helix می باشد. این آنتن های بهترین نوع آنتن برای دریافت سیگنال های سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS است. پهنای باند این آنتن ها بیشتر از تمامی آنتن های معرفی شده می باشد و تا 50 مگا هرتز نیز می رسد. از دیگر خصوصیات مهم این آنتن ها، پایداری بیشتر مرکز فاز می باشد. این امر در تعیین موقعیت های دقیق بسیار ضروری است. علاوه بر آن، امکان افزایش پهنای باند نیز وجود دارد. این امر موجب بهبود ردیابی همزمان دو فرکانس L1 و L2 توسط یک آنتن می باشد. سطحی یا Planarاین آنتن ها به دو نوع طبقه بندی می شوند.

  • Spiral Helix
  • Quadrafilar Helix – volute

آنتن های سطحی یا Planar

در طبقه بندی دیگر آنتن های GNSS، آنتن های سطحی یا Planar قرار دارند این آنتن ها بیشتر در دستگاه های ارزان نظیر گوشی های هوشمند و گیرنده های دستی GNSS تعبیه شده اند. این آنتن های از چیپ های سرامیکی با ضخامت چند میلیمتر تشکیل شده اند. پهنای باند این آنتن ها در حدود 3 الی 5 مگا هرتز می باشد که در مقایسه با آنتن های Helix که پهنای باند عریض 30 الی 50 مگاهرتزی دارند، توانایی کمتری دارند. در بعضی از انواع گوشی های هوشمند، امکان اتصال آنتن های GNSS به صورت جداگانه نیز وجود دارد. در شکل زیر نمونه ای از این گوشی ها را مشاهده می کنید.

آنتن های GNSS
پورت اتصال آنتن خارجی را مشاهده می کنید

 

آنتن های آرایه ای یا Array Antenna

آنتن های GNSS مورد استفاده در موارد نظامی از نوع آنتن های آرایه ای یا Array Antenna می باشد. از نمونه این آنتن ها می توان به GAS-1 اشاره نمود. این آنتن ها از الگوی دریافت بهتری برخوردار هستند. همچنین به دلیل ساختار خود توانایی بهبود سیگنال حاصل از ماهواره های نزدیک به افق که توسط مسدود کننده ها (Jammer) تحت تاثیر قرار می گیرند را دار می باشند. از این آنتن ها به دلیل کیفیت بالا ( که موجب افزایش قیمت آن می شود) بیشتر در هواپیماهای یزرگ نظامی، کشتی ها و ایستگاه های دائم مهم استفاده می شود.

آنتن های GNSS
آنتن GAS-1

بهبود کارآیی آنتن های GNSS

در کاربردهای دقیق مهندسی که نیاز به مشاهده فاز با دقت بالا می باشد، مساله چندمسیری و نیز مرکز فاز آنتن مطرح می شود. در مورد Multipath باید این نکته اشاره شود که جهت پولاریزه شدن سیگنال پس از برخورد با یک سطح که خاصیت بازتابندگی دارد، عوض می شود. یعنی سیگنال ها از حالت RHCP که حالت دست راستی است، به LHCP که حالت دست چپی است تغییر می کند. در مورد مرکز فاز آنتن و تغییرات آن نیز قبلا در نوشته ای توضیحات کامل داده ام. پس در نظر گرفتن این دو عامل در کاربردهای دقیق بسیار مهم می باشد.

همانطور که در بالا نیز توضیح دادم، الگوی دریافت سیگنال یا همان gain از شاخصه های مهم در طراحی یک آنتن می باشد. برای دستیابی به الگوی مناسب دریافت سیگنال مخصوصلا برای ماهواره های نزدیک به افق، روش های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش ها که از دهه 80 میلادی مرسوم شده است استفاده از Choke Ring در آنتن ها می باشد. عمق این Choke Ring برابر با یک چهارم طول موج می باشد. ایده استفاده از Choke Ring بر مبنای ساخت فضایی با مقاومت ظاهری یا impedance بالا می باشد. در نتیجه آنتن در مقابل امواج بازتاب شده از سطح مقاوم می باشد.

آنتن های GNSS-
نمونه ای از آنتن Choke Ring

روش دوم که توسط کمپانی Trimble ابداع شده است، استفاده از صفحاتی به نام Stealth ground plane می باشد. در این صفحات در ماده ای استفاده می شود که مقاومت آنتن را افزایش می دهد. در شکل زیر نمونه ای از این آنتن ها را مشاهده می کنید. شبیه به این فن آوری در پروژه های نظامی نیز به کار می رود که به آن Stealth Military Aircraft Systems می گویند و برای جلوگیری از کشف جت های نظامی توسط رادار و سیستم های تشخیص استفاده می شود. در نتیجه این روش انتخاب خوبی برای دستگاه های چند فرکانسه که چند سیستم تعیین موقعیت ماهواره ای را دنبال می کنند، می باشد.

آنتن های GNSS
نمونه ای از آنتن با تکنولوژی Stealth Ground Plane

روش سوم برای افزایش gain آنتن که توسط کمپانی NovAtel ابداع شده است استفاده از تکنولوژی pin-wheel می باشد. در این تکنولوژی از حلقه های پرینت شده به جای حلقه های واقعی استفاده می شود.

آنتن های GNSS
نمونه ای از آنتن با تکنولوژی Pin-Wheel

منبع

امیر اللهویردی زاده
دانشجوی دکترای GNSS دانشگاه Curtin، کارشناس ارشد ژئودزی از دانشگاه اصفهان، مدرس دانشگاه، علاقه مند به سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای، مدیریت پروژه، برنامه نویسی
LinkedinTelegram

متوسط امتیاز / 5. تعداد رای

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *