Überblick über die Entwicklung von GNSS-Hochpräzisionsantennen

Einführung

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Verbesserung der Satellitenpositionierungstechnologie findet hochpräzise Positionierung in allen Lebensbereichen Anwendung. So ist sie beispielsweise in Bereichen wie Vermessung und Kartierung, Präzisionslandwirtschaft, Drohnen und autonomem Fahren allgegenwärtig. Insbesondere mit der vollständigen Vernetzung des neuen Satellitennavigationssystems Beidou und dem Beginn des 5G-Zeitalters wird die kontinuierliche Weiterentwicklung von Beidou + 5G die Anwendung hochpräziser Positionierungstechnologie in Bereichen wie Flughafenabfertigung, Roboterinspektion, Fahrzeugüberwachung, Logistikmanagement und weiteren Feldern voraussichtlich vorantreiben. Die Realisierung hochpräziser Positionierungstechnologie ist untrennbar mit dem Einsatz hochpräziser Antennen, Algorithmen und Boards verbunden. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Anwendung hochpräziser Antennen sowie den aktuellen Stand der Technik.

1. Entwicklung und Anwendung von GNSS-Hochpräzisionsantennen

1.1 Einführung in hochpräzise Antennen
Im Bereich der GNSS-Systeme stellen Hochpräzisionsantennen besondere Anforderungen an die Stabilität ihres Phasenzentrums. Sie werden üblicherweise in Verbindung mit hochpräzisen Platinen eingesetzt, um eine zentimeter- oder millimetergenaue Positionierung zu erreichen. Bei der Entwicklung von Hochpräzisionsantennen gelten in der Regel spezielle Anforderungen an folgende Antennenparameter: Strahlbreite, Elevationsgewinn, Rundheit, Roll-off-Koeffizient, Vor-/Rückverhältnis, Mehrwegeempfangsfestigkeit usw. Diese Parameter beeinflussen direkt oder indirekt die Phasenzentrumsstabilität der Antenne und somit die Positionierungsgenauigkeit.

1.2 Anwendung und Klassifizierung von Hochpräzisionsantennen
Hochpräzise GNSS-Antennen wurden ursprünglich hauptsächlich im Vermessungs- und Kartierungsbereich eingesetzt, um bei Absteckungen im Ingenieurwesen, topografischen Kartierungen und verschiedenen Kontrollmessverfahren eine statische Positioniergenauigkeit im Millimeterbereich zu erzielen. Mit zunehmender Reife der hochpräzisen Positionierungstechnologie finden hochpräzise Antennen sukzessive Anwendung in immer mehr Bereichen, darunter kontinuierlich betriebene Referenzstationen, Deformations- und Erdbebenüberwachung, Vermessung und Kartierung, Drohnen, Präzisionslandwirtschaft, autonomes Fahren, Fahrprüfungen und Fahrtraining, Baumaschinen und andere Industriezweige. Die Anforderungen an die Antennen in den verschiedenen Anwendungen unterscheiden sich entsprechend erheblich.

1.2.1 CORS-System, Deformationsüberwachung, Erdbebenüberwachung – Referenzstationsantenne
Bei Verwendung hochpräziser Antennen in kontinuierlich betriebenen Referenzstationen werden durch Langzeitbeobachtungen genaue Positionsinformationen gewonnen und die Beobachtungsdaten in Echtzeit über das Datenkommunikationssystem an die Kontrollzentrale übermittelt. Die Kontrollzentrale berechnet die Fehlerkorrekturparameter für das Gebiet und sendet die Fehlerinformationen anschließend über bodengestützte, flächendeckende und satellitengestützte Systeme etc. an den Rover (Nutzerseite), wodurch der Nutzer letztendlich genaue Koordinateninformationen erhält [1].Bei Anwendungen wie der Deformationsüberwachung und der Erdbebenüberwachung ist es notwendig, das Ausmaß der Deformation genau zu überwachen und kleinste Deformationen zu erkennen, um das Auftreten von Naturkatastrophen vorherzusagen.Daher ist bei der Entwicklung hochpräziser Antennen für Anwendungen wie kontinuierlich betriebene Referenzstationen, Deformations- und Erdbebenüberwachung die exzellente Phasenstabilität und die Unempfindlichkeit gegenüber Mehrwegeausbreitung von größter Bedeutung. Nur so können präzise Positionsinformationen in Echtzeit für verschiedene Systeme bereitgestellt werden. Um möglichst viele Satellitenkorrekturparameter zu erfassen, muss die Antenne zudem möglichst viele Satelliten empfangen. Die Vier-Systeme-Vollbandkonfiguration hat sich hierbei als Standard etabliert. In solchen Anwendungen dient üblicherweise eine Referenzstationsantenne (Basisstationsantenne), die das gesamte Frequenzband der vier Systeme abdeckt, als Beobachtungsantenne.

1.2.2 Messung und Kartierung – integrierte Messantenne
Im Bereich der Mess- und Kartierungstechnik ist die Entwicklung einer einfach zu integrierenden, eingebauten Messantenne erforderlich. Diese Antenne wird üblicherweise auf dem RTK-Empfänger aufgebaut, um eine hochpräzise Echtzeit-Positionierung zu ermöglichen.Zu den wichtigsten Aspekten bei der Entwicklung integrierter Messantennen zählen Frequenzbandabdeckung, Abstrahlcharakteristik, Phasenstabilität und Antennengröße. Insbesondere mit der zunehmenden Verbreitung von Netzwerk-RTK-Anwendungen haben vollintegrierte Messantennen mit 4G, Bluetooth und WLAN einen bedeutenden Marktanteil erobert. Seit ihrer Markteinführung 2016 werden sie von den meisten RTK-Empfängerherstellern bevorzugt und sind weit verbreitet und etabliert.
1.2.3 Fahrprüfung und Fahrausbildung, fahrerloses Fahren – externe Messantenne
Das herkömmliche Fahrprüfungssystem weist viele Nachteile auf, wie z. B. hohe Investitionskosten, hohe Betriebs- und Wartungskosten, große Umweltbelastung, geringe Genauigkeit usw. Nach dem Einsatz hochpräziser Antennen im Fahrprüfungssystem wandelt sich das Fahrprüfungssystem von einer manuellen zu einer intelligenten Beurteilung mit hoher Beurteilungsgenauigkeit, wodurch die Personal- und Materialkosten der Fahrprüfung erheblich reduziert werden.In den letzten Jahren haben sich unbemannte Fahrsysteme rasant weiterentwickelt. Beim unbemannten Fahren kommt üblicherweise eine Positionierungstechnologie zum Einsatz, die hochpräzise RTK-Positionierung mit Trägheitsnavigation kombiniert und in den meisten Umgebungen eine hohe Positionsgenauigkeit ermöglicht.Bei Fahrtests, Fahrertrainings, fahrerlosen Fahrsystemen und anderen Systemen wird häufig die Form einer externen Messantenne verwendet. Diese Antenne muss über Arbeitsfrequenzbänder für mehrere Systeme und Frequenzen verfügen, eine höhere Positionsgenauigkeit erreichen können, eine gewisse Fähigkeit zur Unterdrückung von Mehrwegesignalen besitzen, eine gute Anpassungsfähigkeit an die Umgebung aufweisen und über einen langen Zeitraum im Freien störungsfrei eingesetzt werden können.

1.2.4 Drohnen-Hochpräzisions-Drohnenantenne
Die UAV-Industrie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. UAVs werden in der Landwirtschaft, im Pflanzenschutz, bei Vermessungen und Kartierungen, bei der Inspektion von Stromleitungen und in weiteren Anwendungsbereichen eingesetzt. In diesen Bereichen gewährleisten nur hochpräzise Antennen die Genauigkeit, Effizienz und Sicherheit der verschiedenen Operationen. Da Drohnen sich durch hohe Geschwindigkeit, geringe Last und kurze Flugdauer auszeichnen, konzentriert sich die Entwicklung hochpräziser Drohnenantennen hauptsächlich auf Faktoren wie Gewicht, Größe und Stromverbrauch. Ziel ist es, ein möglichst breites Frequenzband zu realisieren und gleichzeitig Gewicht und Größe zu optimieren.

2. Aktueller Stand der GNSS-Antennentechnologie im In- und Ausland

2.1 Aktueller Stand der ausländischen Hochpräzisionsantennentechnologie
Ausländische Forschungen zu hochpräzisen Antennen begannen früher, und es wurden eine Reihe leistungsstärkerer Produkte entwickelt, darunter die GNSS-750-Serie von NoVatel mit Drosselspule, die Zepryr-Serie von Trimble und die AR25-Antennen von Leica. Viele dieser Antennen zeichnen sich durch innovative Bauformen aus. Daher wurde der chinesische Markt für hochpräzise Antennen lange Zeit von ausländischen Produkten dominiert. In den letzten zehn Jahren hat sich dies jedoch mit dem Aufstieg zahlreicher inländischer Hersteller geändert, sodass ausländische GNSS-Antennen kaum noch Leistungsvorteile bieten. Stattdessen expandieren inländische Hersteller nun verstärkt auf den internationalen Markt.Darüber hinaus haben sich in den letzten Jahren im Ausland einige neue Hersteller von GNSS-Antennen etabliert, darunter Maxtena und Tallysman. Ihre Produkte sind hauptsächlich kleine GNSS-Antennen für Drohnen, Fahrzeuge und andere Systeme. Die Antennen sind üblicherweise als Mikrostreifenantennen mit hoher Dielektrizitätskonstante oder als vierarmige Helixantennen ausgeführt. Ausländische Hersteller haben in der Designtechnologie dieser Antennentypen keinen Vorsprung mehr, und in- und ausländische Produkte befinden sich nun in einem homogenen Wettbewerb.