סקירה כללית של פיתוח אנטנות GNSS מדויקות במיוחד

מבוא

עם הפיתוח והשיפור המתמשכים של טכנולוגיית מיקום לוויינית, טכנולוגיית מיקום מדויקת נמצאת בשימוש בכל תחומי החיים המודרניים. לדוגמה, בתחומים כמו מדידות ומיפוי, חקלאות מדויקת, רחפנים ונהיגה בלתי מאוישת, ניתן לראות טכנולוגיית מיקום מדויקת בכל מקום. במיוחד עם השלמת רשת מערכת הניווט הלווייני מהדור החדש של Beidou והגעת עידן ה-5G, צפוי הפיתוח המתמשך של Beidou + 5G לקדם את יישום טכנולוגיית מיקום מדויקת בשיטת שיגור שדות תעופה, בדיקת רובוטים, ניטור רכבים, ניהול לוגיסטיקה ותחומים אחרים. מימוש טכנולוגיית מיקום מדויקת הוא בלתי נפרד מתמיכה באנטנות מדויקות, אלגוריתמים מדויקים ולוחות מדויקים. מאמר זה מציג בעיקר את הפיתוח והיישום של אנטנות מדויקות ואת המצב הנוכחי של הטכנולוגיה.

1. פיתוח ויישום של אנטנות GNSS מדויקות במיוחד

1.1 מבוא לאנטנות מדויקות
בתחום ה-GNSS, אנטנות מדויקות הן סוג של אנטנה בעלת דרישות מיוחדות ליציבות מרכז הפאזה של האנטנה. הן משמשות בדרך כלל בשילוב עם לוחות מדויקים כדי להשיג מיקום מדויק ברמה של סנטימטר או מילימטר. בתכנון אנטנות מדויקות, יש בדרך כלל דרישות מיוחדות למדדים הבאים של האנטנה: רוחב אלומת האנטנה, הגבר גובה נמוך, חוסר עיגול, מקדם גלגול, יחס חזית לאחור, התנגדות רב-נתיבים וכו'. מדדים אלה ישפיעו באופן ישיר או עקיף על יציבות מרכז הפאזה של האנטנה, ובכך ישפיעו על דיוק המיקום.

1.2 יישום וסיווג של אנטנות מדויקות
אנטנות GNSS מדויקות במיוחד שימשו בתחילה בעיקר בתחום המדידות והמיפוי כדי להשיג דיוק מיקום סטטי ברמת מילימטר בתחומי איתור הנדסי, מיפוי טופוגרפי ותהליכי מדידה שונים. ככל שטכנולוגיית המיקום המדויקת מתבגרת, אנטנות מדויקות במיוחד נמצאות בשימוש בהדרגה ביותר ויותר תחומים, כולל תחנות ייחוס רציפות, ניטור דפורמציה, ניטור רעידות אדמה, מדידה ומיפוי, רחפנים, חקלאות מדייקת, נהיגה אוטונומית, מבחני נהיגה והדרכת נהיגה, מכונות הנדסיות ותחומים תעשייתיים אחרים. דרישות האינדקס לאנטנות ביישומים שונים גם הן שונות באופן משמעותי.

1.2.1 מערכת CORS, ניטור עיוותים, ניטור רעידות אדמה - אנטנת תחנת ייחוס
כאשר משתמשים באנטנות מדויקות בתחנות ייחוס הפועלות ברציפות, מתקבל מידע מיקום מדויק באמצעות תצפיות ארוכות טווח, ונתוני התצפית מועברים למרכז הבקרה בזמן אמת דרך מערכת תקשורת הנתונים. מרכז הבקרה מחשב את פרמטרי תיקון השגיאות באזור ולאחר מכן שולח את מידע השגיאה לרובר (בצד המשתמש) דרך מערכת שיפור קרקעית, מערכת שיפור שטח רחב, מערכת שיפור מבוססת לוויין וכו', מה שמאפשר בסופו של דבר למשתמש לקבל מידע קואורדינטות מדויק [1].ביישומים כגון ניטור דפורמציה וניטור רעידות אדמה, יש צורך לנטר במדויק את כמות הדפורמציה ולזהות דפורמציות זעירות כדי לחזות את התרחשותם של אסונות טבע.לכן, בתכנון אנטנות מדויקות ביישומים כגון תחנות ייחוס רציפות, ניטור עיוותים וניטור רעידות אדמה, הדבר הראשון שיש לקחת בחשבון הוא יציבות מרכז הפאזה המעולה שלה ויכולות נגד הפרעות מרובות נתיבים, כך שניתן יהיה לספק מידע מיקום מדויק בזמן אמת עבור מערכות שיפור שונות. בנוסף, על מנת לספק כמה שיותר פרמטרים לתיקון לוויינים, האנטנה חייבת לקלוט כמה שיותר לוויינים, ותצורת ארבע-מערכות בעלת פס מלא הפכה לתצורה סטנדרטית. ביישומים כאלה, אנטנת תחנת ייחוס (אנטנת תחנת בסיס) המכסה את פס התדרים המלא של ארבע המערכות משמשת בדרך כלל כאנטנת תצפית של המערכת.

1.2.2 מדידה ומיפוי - אנטנת מדידה מובנית
בתחום המדידה והמיפוי, יש צורך לתכנן אנטנת מדידה מובנית שקל לשלב. האנטנה מובנית בדרך כלל על גבי מקלט ה-RTK כדי להשיג מיקום מדויק בזמן אמת בתחום המדידה והמיפוי.השיקולים העיקריים בתכנון אנטנות מדידה מובנות כוללים כיסוי פס תדרים, כיסוי קרן, יציבות מרכז פאזה, גודל האנטנה וכו'. במיוחד עם הפופולריות של יישומי RTK ברשת, אנטנות מדידה מובנות ברשת מלאה המשלבות 4G, Bluetooth ו-WiFi תפסו בהדרגה נתח משמעותי מהשוק. מאז השקתן בשנת 2016, הן זכו למועדפות על ידי רוב יצרני מקלטי ה-RTK והן נמצאות בשימוש נרחב וקודמות.
1.2.3 מבחן נהיגה והכשרת נהיגה, נהיגה ללא נהג - אנטנת מדידה חיצונית
למערכת מבחני הנהיגה המסורתית חסרונות רבים, כגון עלות השקעה גבוהה, עלויות תפעול ותחזוקה גבוהות, השפעה סביבתית גדולה, דיוק נמוך וכו'. לאחר שילוב אנטנות מדויקות במערכת מבחני הנהיגה, מערכת מבחני הנהיגה עוברת משיפוט ידני לשיפוט חכם, עם דיוק שיפוט גבוה, מה שמפחית מאוד את עלויות האדם והחומרים של מבחן הנהיגה.בשנים האחרונות, מערכות נהיגה בלתי מאוישות התפתחו במהירות. בנהיגה בלתי מאוישת, נעשה בדרך כלל שימוש בטכנולוגיית מיקום המשלבת מיקום מדויק RTK וניווט אינרציאלי, שיכולה להשיג דיוק מיקום גבוה ברוב הסביבות.באימון נהיגה במבחני נהיגה, נהיגה ללא נהג ומערכות אחרות, משתמשים לעתים קרובות בצורת אנטנת מדידה חיצונית, הדורשת מהאנטנה להיות בעלת פסי תדר עבודה מרובי מערכות ורובי תדרים, להיות מסוגלת להשיג דיוק מיקום גבוה יותר, יכולת מסוימת לדכא אותות מרובי נתיבים, יכולת הסתגלות סביבתית טובה, וניתן להשתמש בה בסביבות חיצוניות במשך זמן רב ללא תקלות.

1.2.4 אנטנת רחפן מדויקת במיוחד
תעשיית הרחפנים התפתחה במהירות בשנים האחרונות. רחפנים נמצאים בשימוש נרחב בהגנה על צמחים חקלאיים, מדידות ומיפוי, בדיקת קווי חשמל ותרחישים אחרים. בתרחישים כאלה, רק אנטנות מדויקות יכולות להבטיח את הדיוק, היעילות והבטיחות של פעולות שונות. מכיוון שלרחפנים יש מאפיינים של מהירות גבוהה, עומס קל ועמידות קצרה, תכנון אנטנות מדויקות לרחפנים מתמקד בעיקר בגורמים כמו משקל, גודל וצריכת חשמל, ומשיג תכנון רחב פס ככל האפשר תוך הבטחת משקל וגודל.

2. המצב הנוכחי של טכנולוגיית אנטנות GNSS בארץ ובחו"ל

2.1 המצב הנוכחי של טכנולוגיית אנטנות מדויקות במיוחד זרה
מחקר זר על אנטנות מדויקות החל מוקדם יותר, ופותחה סדרה של מוצרי אנטנות מדויקות בעלות ביצועים טובים יותר, כגון אנטנות סליל חנק מסדרת GNSS 750 של NoVatel, אנטנות סדרת Zepryr של Trimble, אנטנות Leica AR25 וכו', ביניהן צורות אנטנה חדשניות רבות. לכן, במשך זמן רב בעבר, שוק האנטנות המדויקות של ארצי נשלט על ידי מוצרים זרים. עם זאת, בעשר השנים האחרונות, עם עלייתם של מספר רב של יצרנים מקומיים, לאנטנות GNSS מדויקות זרות אין למעשה יתרונות בביצועים. במקום זאת, יצרנים מקומיים מדויקים החלו להרחיב את השווקים בחו"ל.בנוסף, בשנים האחרונות התפתחו בחו"ל כמה יצרניות אנטנות GNSS חדשות, כגון Maxtena, Tallysman וכו'. מוצריהן הם בעיקר אנטנות GNSS קטנות המשמשות ברחפנים, כלי רכב ומערכות אחרות. צורת האנטנה היא בדרך כלל אנטנת מיקרוסטריפ בעלת קבוע דיאלקטרי גבוה או אנטנה סלילית בעלת ארבע זרועות. ליצרנים זרים אין עוד יתרון בטכנולוגיית התכנון של אנטנה מסוג זה, ומוצרים מקומיים וזרים נכנסים לתקופה של תחרות הומוגנית.