GNSS高精度アンテナの開発概要

導入

衛星測位技術の継続的な発展と改良に伴い、高精度測位技術は現代生活のあらゆる分野で活用されています。例えば、測量や地図作成、精密農業、ドローン、無人運転などの分野では、高精度測位技術が至る所で見られます。特に、北斗衛星測位システムの次世代ネットワーク化の完了と5G時代の到来に伴い、北斗＋5Gの継続的な発展は、空港管制、ロボット検査、車両監視、物流管理などの分野における高精度測位技術の応用を促進することが期待されています。高精度測位技術の実現は、高精度アンテナ、高精度アルゴリズム、高精度ボードのサポートなしには成り立ちません。本稿では主に、高精度アンテナの開発と応用、および技術の現状について紹介します。

1. GNSS高精度アンテナの開発と応用

1.1 高精度アンテナの概要
GNSS分野において、高精度アンテナは、アンテナ位相中心の安定性に特別な要件を持つアンテナの一種です。通常、高精度ボードと組み合わせて使用​​され、センチメートルまたはミリメートルレベルの高精度測位を実現します。高精度アンテナの設計においては、アンテナビーム幅、低仰角ゲイン、真円度、ロールオフ係数、前後比、マルチパス耐性など、アンテナの以下の指標に特別な要件が課せられます。これらの指標は、アンテナの位相中心の安定性に直接的または間接的に影響を与え、ひいては測位精度に影響を与えます。

1.2 Application and classification of high-precision antennas
高精度GNSSアンテナは当初、測量・地図作成分野で主に使用され、土木工事における杭打ち、地形図作成、各種制御計測プロセスにおいて、静的なミリメートルレベルの測位精度を実現していました。高精度測位技術が成熟するにつれ、高精度アンテナは、連続稼働する基準局、地殻変動モニタリング、地震モニタリング、測量・地図作成、ドローン、精密農業、自動運転、運転試験・運転訓練、建設機械、その他の産業分野など、ますます多くの分野で使用されるようになりました。また、用途によってアンテナの性能指標に対する要求も大きく異なります。

1.2.1 CORSシステム、変形モニタリング、地震モニタリング基準局アンテナ
高精度アンテナを連続稼働する基準局で使用すると、長期観測によって正確な位置情報が得られ、観測データはデータ通信システムを介してリアルタイムで制御センターに送信されます。制御センターはエリア内の誤差補正パラメータを計算し、地上強化システム、広域強化システム、衛星ベース強化システムなどを介して誤差情報を移動局（ユーザー側）に送信し、最終的にユーザーが正確な座標情報を取得できるようにします[1]。変形モニタリングや地震モニタリングなどの用途では、自然災害の発生を予測するために、変形量を正確にモニタリングし、微細な変形を検出することが必要となる。したがって、連続稼働基準局、地殻変動モニタリング、地震モニタリングなどの用途における高精度アンテナの設計においては、まず第一に、優れた位相中心安定性とマルチパス干渉耐性を考慮し、様々な補正システムにリアルタイムで正確な位置情報を提供できるようにする必要がある。さらに、可能な限り多くの衛星補正パラメータを提供するためには、アンテナは可能な限り多くの衛星を受信する必要があり、4システム全帯域構成が標準構成となっている。このような用途では、通常、4システムの全周波数帯域をカバーする基準局アンテナ（基地局アンテナ）がシステムの観測アンテナとして使用される。

1.2.2 測定およびマッピング - 内蔵測定アンテナ
計測・地図作成の分野では、容易に統合できる内蔵型計測アンテナの設計が不可欠である。計測・地図作成の分野では、リアルタイム高精度測位を実現するために、通常、RTK受信機の上部にアンテナが構築される。内蔵型計測アンテナの設計における主な考慮事項には、周波数帯域のカバー範囲、ビームのカバー範囲、位相中心の安定性、アンテナサイズなどが含まれます。特にネットワークRTKアプリケーションの普及に伴い、4G、Bluetooth、WiFiを統合したフルネットワーク対応の内蔵型計測アンテナが徐々に市場の大部分を占めるようになりました。2016年の発売以来、多くのRTK受信機メーカーに支持され、広く利用・普及されています。
1.2.3 運転免許試験および運転訓練、自動運転 - 外部測定アンテナ
従来の運転免許試験システムには、高い投資コスト、高い運用・保守コスト、大きな環境負荷、低い精度など、多くの欠点があります。高精度アンテナを運転免許試験システムに適用することで、手動判定からインテリジェント判定へと移行し、判定精度が向上するため、運転免許試験における人的・物的コストを大幅に削減できます。近年、無人運転システムは急速に発展している。無人運転においては、RTK高精度測位と慣性航法を組み合わせた測位技術が一般的に用いられており、ほとんどの環境下で高い測位精度を実現できる。運転免許試験、運転訓練、自動運転などのシステムでは、外部測定アンテナがよく用いられます。そのため、アンテナにはマルチシステム・マルチ周波数の動作周波数帯域が求められ、高い測位精度を実現でき、マルチパス信号を抑制する能力を持ち、優れた環境適応性を備え、屋外環境で長期間故障なく使用できることが求められます。

1.2.4 ドローン用高精度アンテナ
近年、無人航空機（UAV）業界は急速に発展を遂げています。UAVは、農作物の保護、測量・地図作成、送電線点検など、様々な用途で広く活用されています。こうした用途において、高精度アンテナは、各種作業の精度、効率性、安全性を確保するために不可欠です。ドローンは高速、軽量、短航続といった特性を持つため、高精度ドローンアンテナの設計においては、重量、サイズ、消費電力といった要素が重視され、重量とサイズを確保しつつ、可能な限り広帯域な設計を実現することが求められます。

2. 国内外におけるGNSSアンテナ技術の現状

2.1 海外の高精度アンテナ技術の現状
高精度アンテナに関する海外の研究は早くから始まり、NoVatelのGNSS 750シリーズチョークコイルアンテナ、TrimbleのZepryrシリーズアンテナ、Leica AR25アンテナなど、より優れた性能を持つ一連の高精度アンテナ製品が開発されてきました。これらの製品の中には、革新的な形状のアンテナも数多く存在します。そのため、長らく我が国の高精度アンテナ市場は海外製品が支配的でした。しかし、ここ10年ほどで国内メーカーが多数台頭し、海外の高精度GNSSアンテナは性能面で基本的に優位性を失いました。その代わりに、国内の高精度アンテナメーカーは海外市場への進出を開始しています。さらに、近年、海外ではMaxtenaやTallysmanなど、新たなGNSSアンテナメーカーがいくつか登場している。これらのメーカーの製品は主にドローンや車両などのシステムで使用される小型GNSSアンテナである。アンテナの形状は、一般的に高誘電率マイクロストリップアンテナまたは4アームヘリカルアンテナである。この種のアンテナの設計技術において、海外メーカーはもはや優位性を持たず、国内外の製品は均質化競争の時代に入りつつある。