海上复杂环境对GNSS天线信号影响的分析

白 帆

（9294部队，葫芦岛　125000）

1　GNSS天线类型

GNSS一般使用微带贴片天线、四边形螺旋天线以及螺旋天线。天线的基本参数：

1.1　阻抗带宽

阻抗带宽定义为传递到天线的90%的入射功率所对应的频率范围，反射系数S＜-10dB，电压驻波比小于2：1。满足这些条件的上下频率之差即为绝对阻抗带宽。另外部分阻抗带宽可计算为上下频率之差与带宽中心频率的百分比：

1.2　辐射方向图

辐射方向图是天线辐射特性的图形表示，它是空间坐标系下的函数。对于一个小型天线，它一般在远场区域中确定，并表示为一个方向坐标系下的函数。通常使用球面坐标，在球面坐标系中，x-z平面（用0°处固定的φ来测量θ）被称为仰角平面，x-y平面（用90°处固定的φ来测量θ）被称为在方位面。

1.3　天线相位中心

天线相位中心是一个与相位方向图相关的概念，也就是天线的等相位面。在远场区域中，等相位面接近球形表面。球体的中心即是天线的等相位中心。在卫星测量和其他精密测量中，接收信号的相位用来获得一个更精确的位置，所以需要考虑天线的相位中心。

1.4　方向性和增益

接收天线的方向性是来自最大主瓣方向的信号灵敏度与三维空间中来自各个方向的信号平均灵敏度的比率。接收天线的增益是相同的信号环境下，天线的接收信号与一个无损的全向天线的接收信号的比值。

1.5　效率

总的天线效率描述为输入功率到辐射功率的转换过程中的损失。

辐射效率需要考虑到天线的传导和介电损耗（加热）。反射效率解释了由阻抗不匹配引起的功率损耗。

2　环境对GNSS天线信号的影响

2.1　多路径对GNSS天线的影响

GNSS接收天线由于入射无线电波的反射、衍射和散射而受到多路径的影响，这种影响取决于周围环境的布局。在海上船舶狭小拥挤的环境中，有时候到达终端的信号是非常微弱的，经过反射的信号可能是任意性的。

2.2　电磁环境对GNSS天线信号的影响

GNSS接收机受到的电磁干扰有同频干扰、邻道干扰等，同频干扰是指所有落在接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰。电磁干扰可能导致接收机捕获时间延长、虚警率增加，严重的会造成接收机无法正常工作。

在某海域行驶的舰船上GNSS接收机捕获到了一个干扰信号，致使接收机失锁，不能正常定位。关闭疑似干扰设备后，干扰信号消失GNSS设备工作恢复正常，该信号频率与接收机频率相同，该干扰属于同频干扰。

3　航行对GNSS天线信号的影响

3.1　相位中心稳定性对GNSS天线信号影响

在舰船的航行中，天线的相位中心和几何中心不能完全重合，天线的相位中心会产生或大或小的漂移，在同一时刻不同方向的导航卫星载波也会受到影响，GNSS 的定位精度也会降低。如果舰船GNSS天线的参考点（AP）定义为天线的几何中心。天线平均相位中心和天线参考点之间的差异称为相位中心的偏移（PO）。在某个特定方向上的相位中心与平均相位中心之间的偏移量称为相位中心在这个方向上的变化量（PV）。如

3.2　GNSS天线朝向的性能依赖

在多路无线通信中天线方向起着至关重要的作用。方向的改变会改变天线主瓣方向从而造成通信链路的损耗。在舰船航行时，由于海浪海流风向的影响，GNSS设备必须在天线朝向不断改变的动态环境中进行。天线朝向的变化对GPS天线的性能有很大的影响，对高频率高精度的导航定位数据的结果有一定的影响。

4　提高GNSS抗干扰性能

4.1　利用多模天线阵提高接收能力

多模天线指的是一个天线可以工作在不同的工作模式，进而实现不同的功能，对于GNSS设备小型化、解决天线之间的电磁兼容问题。由于载体的结构尺寸的限制，卫星导航终端需要配备宽带、多频段、小型化或宽波束等不同性能组合的圆极化天线。

4.2　利用抗干扰算法提高抗干扰能力

应用定的算法可以抑制干扰信号，提取有用的卫星信号，提高接收机的抗干扰性能针对阵列抗干扰问题，常用的算法如LMS算法、RLS算法、和SMI算法等，能够求出提高卫星信号的信噪比，并估计出其空间特征矢量。

4.3　利用舰船综合布局提高GNSS天线在复杂电磁环境下的接收能力

由于不同舰船的设计理念不一致，在进行卫星导航设备安装时，应当仔细考虑电磁兼容问题，通过屏蔽等措施，可以降低设备的辐射能量，增强抗干扰性能。各电子系统的位置关系显得尤为重要。一般来说，可以在舰船的各个区域内，将雷达、通信、导航设备分层设置，避免与频率相同或相近的装备天线安装在一起，避免装备之间的相互干扰。

5　结束语

实时、高效、高精度的GNSS定位系统，已经是海上船舶航行导航定位的重要手段，也是我们海洋工程施工、海洋科考、设备试验的重要数据来源。在海上应用GNSS设备进行导航定位，要使用航海型专用天线设备，高精度采集数据信息时要防止同频段电子设备干扰。我们要了解正确使用 GNSS天线的重要性，注意做好GNSS天线信号的干扰分析，为海上船舶航行和海上科研工作提供更精确的GNSS定位数据。

[1]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京：科学出版社.