如今，⼈们关注到了北⽃卫星导航系统的优势，并已⼴泛应⽤，北⽃⼿持机往往采⽤贴⽚天线。在使⽤的过程中，只要将最⼤的增益⽅向对准导航卫星，即可获得较好的通信效果，并发挥北⽃卫星导航的优势。然⽽，贴⽚天线却对车辆的导航提出了挑战。车辆上的天线固定安装，不可能通过旋转天线来对准最⼤增益⽅向，因此贴⽚天线不再适⽤。从实际应⽤⾓度出发，综合考虑车辆的机动性和天线⽅位⾓的全向性，本⽂讨论了⼀种具有⾼增益、低仰⾓等特性的车载天线—圆锥对数螺旋天线，并从实际出发，将天线设计变⼩，提⾼其便携性等。该类天线能够解决贴⽚天线在车载天线应⽤中的不⾜。
【关键词】北⽃卫星导航系统，车载天线，圆锥对数螺旋天线
Abstract
Recently, 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, and 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 practical 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 antenna is an antenna in-vehicle antenna applications.
【Keywords】Beidou satellite navigation system, car antennas, conical logarithmic spiral antenna
⽬录 (2)
⼀、引⾔ (3)
1.1选题背景 (3)
1.2 国内外研究现状 (4)
1.3 研究的意义 (5)
1.4 问题的提出与分析 (6)
1.4.1 问题的提出 (6)
1.4.2 问题的分析 (6)
1.5 ⽂章结构安排 (6)
⼆相关技术介绍 (7)
2.1 北⽃卫星导航系统可视分析 (7)
2.2 北⽃卫星导航系统相对静态定位精度性能分析 (8)
2.3 北⽃卫星导航系统精度性能分析 (9)
2.4 平⾯螺旋天线 (12)
gps汽车导航2.5 圆锥对数螺旋天线及其基本结构 (12)
三设计⽬标和⽅案论证 (14)
3.1设计⽬标 (14)
3.2 ⽅案论证 (15)
四系统设计 (16)
4.1 双臂圆锥对数螺旋天线及设计 (16)
4.2 双臂圆锥对数螺旋天线的⼩型化 (17)
五总结与展望 (18)
致谢 (19)
参考⽂献 (20)
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⼀、引⾔
1.1选题背景
第⼀代卫星导航系统是美苏两国在1960年代分别建设了的⼀个类似的导航系统。⼀个是美国1963年建成的⼦午仪，⼀个是苏联1979年建成的圣卡达。它们的共同点是：都采⽤⾼度为1000km的圆形轨道的卫星，导航信号使⽤150MH z 和400MH z的⾼频信号，每5到6min便会完成⼀次定位。⼆维定位每1.5⼩时
⾄2⼩时进⾏⼀次，定位的精度可以控制在80m 到 100m。后来，为了将⽆线电导航统⼀起来，并实现精度⾼、连续、进⾏三维定位以及测速，1973年时美国国防部批准并设计了GPS计划，该⽅案采⽤了RNSS伪距定位原理。并且于1994年建成，该⽅案定位精度。其中PPS服务能够达到8⽶；⽽SPS服务为100⽶。并且，苏联于 20 世纪70年代建设GLONASS系统。该系统采⽤19100km的轨道⾼度，利⽤24颗卫星，并且有3个轨道⾯。也利⽤伪距定位原理，于 1995 年曾布满星座。
全球卫星导航系统 GPS、GLONASS已经建成并投⼊使⽤, 不仅促进了导航定位理论与应⽤的变⾰，也促进了相关产业的长⾜发展。为提⾼卫星导航定位的⾃主性、安全性、完好性，并受到国际上对卫星导航系统研究的启发，我国也积极研究该系统，19世纪8 0年代，我国通过研究决定建设我国独⽴⾃主的卫星导航系统 (称为Compass北⽃) 。200 3年，Compass导航系统建成，⼴泛的应⽤于多个领域。该系统的建成具有重要意义：其⼀，他在很⼤程度上提⾼了卫星导航⽤户的性能，包括可⽤性、精确性、完好性和可靠性，但是也不得不⾯对随即出现的频率资源的竞争。
然⽽，北⽃⼿持机往往采⽤贴⽚天线。在使⽤的过程中，只要将最⼤的增益⽅向对准导航卫星，即可获得较好的通信效果，并发挥北⽃卫星导航的优势。然⽽，贴⽚天线却对车辆的导航提出了挑战。车辆上的天线固定安装，不可能通过旋转天线来对准最⼤增益⽅向，因此贴⽚天线不再适⽤。因此结合车辆的机动性和天线⽅位⾓的全向性，设计⼀种具备⾼增益、低仰⾓等特性的车载天线⾄关重要。
1.2 国内外研究现状
⽬前对卫星导航技术的研究和应⽤⼗分⼴阔，也逐渐从军事领域向民事发展，⽽不是仅控制在军⼯领域⽅⾯，并且也向各⾏各业发展。下⾯我们将详细介绍如今卫星导航系统在各⾏业的应⽤，以及它带来的⽅便：
在军⽤⽅⾯，“北⽃”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：运动⽬标的定位导航；为缩短反应时间的武器载具发射位置的快速定位；⼈员搜救、⽔上排雷的定位需求等。
这项功能⽤在军事上，意味着可主动进⾏各级部队的定位，也就是说⼤陆各级部队⼀旦配备“北⽃”卫星导航定位系统，除了可供⾃⾝定位导航外，⾼层指挥部也可随时通过“北⽃”系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执⾏有相当⼤的助益。换⾔之，⼤陆可利⽤“北⽃”卫星导航定位系统执⾏部队指挥与管制及战场管理。
卫星导航系统也被应⽤于民事。⾸先，可以进⾏个⼈位置的定位，当你进⼊不熟悉的地⽅时，你可以使⽤装有北⽃卫星导航接收芯⽚的⼿机或车载卫星导航装置到你要⾛的路线。
深圳凯⽴德科技股份有限公司董事长张⽂星在2012年9⽉24⽇举⾏的《⾸届中国卫星导航与位置服务年会》上透漏，⾃2011年7⽉份起，凯⽴德及相关企业⾃发的组织了⼀个项⽬团队，完成了基于北⽃的车载卫星导航系统产品，从⽽实现了北⽃卫星导航在民⽤领域的初步探索，并达到了北⽃卫星车载导航万台批次⽣产能量。
北⽃导航在⽓象⽅⾯也有⼴泛应⽤，并且可以推动北⽃导航卫星系统的创新应⽤，并在各个领域发展业务。北⽃导航卫星可以监控天⽓变化，分析天⽓预报，及时讲分析数据返回指挥中⼼，并且能够提⾼天⽓预测的准确性，对防⽌⽓象灾害也有⼀定积极作⽤。
道路交通管制⽅⾯，卫星导航也将极⼤的发挥作⽤。通过卫星导航设备，可以获取车辆的位置信息，再通过合理有效地调度，可以缓解交通堵塞，给⽤户设计最佳的⾏车路线。
卫星导航同时也给铁路运输领域提供了极⼤的⽅便，通过卫星导航确定车辆的位置后，能够给交通管制提供更可靠的依据，实现运输⽅式的转型，可以通过
调控车辆的位置，减少列车⾏驶时间，也能降低运输成本，避免事故发⽣。北⽃卫星导航系统将⼴泛应⽤于铁路运输领域，提供⾼可靠、⾼精度的定位、测速以及授时服务，实现交通⼯具的转型和现代化。
1.3 研究的意义
北⽃全球卫星导航系统是⽆线电导航的最佳系统，北⽃卫星导航系统具有很多优势，能够为⽤户免费提供⾼质量的开放服务，并且欢迎全球⽤户使⽤北⽃系统。中国将就卫星导航相关的问题，与多国进⾏深⼊的交流以及合作，以此推动GNSS 等技术和相关产业的发展。我国愿意通过频率协调，实现与其他系统的兼容和互操作。此外，北⽃系统将依据中国的技术和经济发展
实际，遵循循序渐进的模式建设。通过改进系统性能，确保系统建设平稳过渡，为⽤户提供长期连续的服务。
我国从20世纪80 年代中期开始研究卫星导航技术。GPS原来只应⽤于军事领域，但是从海湾战争之后，GPS逐渐⾛向民⽤市场。与其他导航系统相⽐，卫星导航具有先天的优越性，⼈们看准它的商机，并纷纷投⼊研究，使得卫星导航的市场发展越来越迅速，同时也出现了⼤批专业的研究⼈员。卫星导航系统在很多领域都有应⽤，并且计算机技术的发展也推动了导航系统的发展。现如今，卫星导航系统的发展已经越发迅速，并且向更⾼层次的技术推进。
卫星导航最早应⽤的领域有很多，其中较为重要的是海运和⽔运。为了保证船只等各类海上交通⼯具在⾏驶过程中的安全，这类⼯具都会安装卫星导航设备，以此加强⽔路运输的可靠性。北⽃卫星导航系统不受天⽓影响，能够持续有效地提供安全保障，并且北⽃卫星导航系统可开发性较⾼，能够提供新型服务。然⽽和GPS等已经较为成熟的卫星导航系统相⽐，北⽃的卫星轨道⽐较特殊，⽽且在轨卫星的数⽬往往较少，这样就对接收终端，尤其是车载的接收和发射天线提出了较⾼要求。因此研究北⽃卫星导航系统车载天线研究具有重⼤意义。
1.4 问题的提出与分析
1.4.1 问题的提出
如今，⼈们关注到了北⽃卫星导航系统的优势，并已⼴泛应⽤，北⽃⼿持机往往采⽤贴⽚天线。在使⽤的过程中，只要将最⼤的增益⽅向对准导航卫星，即可获得较好的通信效果，并发挥北⽃卫星导航的优势。然⽽，贴⽚天线却对车辆的导航提出了挑战。
1.4.2 问题的分析
车辆上的天线固定安装，不可能通过旋转天线来对准最⼤增益⽅向，因此贴⽚天线不再适⽤。从实际应⽤⾓度出发，综合考虑车辆的机动性和天线⽅位⾓的全向性，⼀种具有⾼增益、低仰⾓等特性的车载天线—圆锥对数螺旋天线会更加适⽤于车载系统，并且应该从实际出发，将天线设计变⼩，使他更加具有便携性。这样设计便能够解决贴⽚天线在车载天线应⽤中的不⾜。
1.5 ⽂章结构安排
余下的部分，本⽂这样安排：第⼆部分讲解北⽃卫星导航系统车载天线设计的相关技术，包括北⽃系统导航卫星在不同纬度下的可视分析、北⽃系统相对静态定位精度性能分析、北⽃系统实时⾼精度动态定位精度性能分析，平⾯螺旋天线以及圆锥对数螺旋天线。第三部分分析本⽂的设计⽬标以及⽅案论证。第四部分详述系统设计，包括对双臂圆锥螺旋天线的设计和⼩型化设计。第五部分是总结与展望。最后是致谢和参考⽂献。
⼆、相关技术介绍
北⽃卫星导航系统是我国⾃主研制的卫星导航定位系统，北⽃⼀代是⼀种区域有源卫星导航系统，覆盖范围为中国境内及周边部分国家，继北⽃⼀代卫星导航系统之后，我国正在建设具有全球覆盖能⼒的⽆源卫星导航定位系统即北⽃系统，北⽃系统不但具有导航定位和授时能⼒，还能提供其它卫星定位系统不能提供的服务，⽐如通信服务，北⽃系统由以下两个阶段建⽴：第⼀阶段，截⽌到2012年年底，实现亚太地区⽆源定位；第⼆阶段，到2020年底，实现全球⽆源定位能⼒。到2012年10⽉25⽇为⽌，北⽃系统已成功发，射了5颗地球同步静⽌轨道卫星，5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星，能为亚太地区提供区域⽆源定位服务，随着更多卫星的成功发射，北⽃系统将具备为全球提供⽆源导航定位服务的能⼒。
2.1 北⽃卫星导航系统可视分析
截⾄⽬前，已有较多学者对北⽃导航系统进⾏了研究，但是在这些分析研究中，多数还是仅仅在数据的仿真阶段。在这些研究中，⽂献[9]的作者同样做了数据的仿真，并得到北⽃系统的星座，由此得到不同区域内（绘制了北京和⾚道附近的天空视图），该系统的可视性问题。并由此得到重要结论：BDS的GEO 和IGSO在亚太低纬度地区会全部处于视野内，⽽GEO在⾼纬度地区处于视野内，具体分析结果如下图所⽰：
图1 GEO和IGSO卫星视图（近⾚道地区）
在亚太⾼纬度地区，GEO卫星分布在观测者视⾓的南半部分，IGSO卫星部分时刻会运⾏出视野以外，但⼤部分时候IGSO卫星相对于地球上⾼纬度地区观测者可视，见图2所⽰。和GPS、GLONASS等卫星导航系统⽐较起来，对于亚太地区的观测者，北⽃系统卫星星座具有更加⾼效的利⽤率。
图2 GEO和IGSO卫星视图（北京地区）
2.2 北⽃卫星导航系统相对静态定位精度性能分析
到⽬前为⽌，北⽃系统已经能够胜任亚太地区的⽆源定位服务，该服务的应⽤说明北⽃系统具有较⾼的相对静态定位精度，图3的结果表明，单独利⽤北⽃系统和GPS时，两者的基线估计精度相当。因⽽，我国的北⽃导航系统已经因其⾼精度的定位能⼒，成为“业内”的佼佼者⽽为亚太地区的定位及相关业务提供服务。
图3 单独利⽤GPS、北⽃系统解算静态基线的结果（X,Y,Z⽅向）
2.3 北⽃卫星导航系统精度性能分析
为了了解北⽃系统与GPS的实时⾼精度动态定位，我们做了如下的对⽐：⾸先，⼤坝、桥梁等⼤型⼯程需要实时的安全监控，⽽GPS可以处理15分钟北⽃导航系统，以及提供GPS观测值，其观测结果如图4所⽰：在Ｘ轴与Ｙ轴⽅向上，GPS的误差⼩于北⽃导航系统；⽽在Z轴⽅向上，北⽃导航系统与GPS 的误差基本⼀致。
图4 利⽤单历元算法“实时”估计北⽃系统与GPS基线精度对⽐
我国从20世纪80 年代中期开始研究卫星导航技术。GPS原来只应⽤于军事领域，但是从海湾战争之后，
GPS逐渐⾛向民⽤市场。与其他导航系统相⽐，卫星导航具有先天的优越性，⼈们看准它的商机，并纷纷投⼊研究，使得卫星导航的市场发展越来越迅速，同时也出现了⼤批专业的研究⼈员。卫星导航系统在很多领域都有应⽤，并且计算机技术的发展也推动了导航系统的发展。现如今，卫星导航系统的发展已经越发迅速，并且向更⾼层次的技术推进。
中国的卫星导航技术的应⽤领域⼗分⼴阔，也逐渐从军事领域向民事发展，⽽不是仅控制在军⼯领域⽅⾯，并且也向各⾏各业发展。下⾯我们将详细介绍如今卫星导航系统在各⾏业的应⽤，以及它带来的⽅便：
在军⽤⽅⾯，“北⽃”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：运动⽬标的定位导航；为缩短反应时间的武器载具发射位置的快速定位；⼈员搜救、⽔上排雷的定位需求等。
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