Visão geral do desenvolvimento de antenas GNSS de alta precisão

introdução

Com o desenvolvimento e aprimoramento contínuos da tecnologia de posicionamento por satélite, a tecnologia de posicionamento de alta precisão passou a ser utilizada em todos os setores da vida moderna. Por exemplo, em áreas como topografia e cartografia, agricultura de precisão, drones e direção autônoma, a tecnologia de posicionamento de alta precisão está presente em todos os lugares. Especialmente com a conclusão da interconexão do sistema de navegação por satélite de nova geração Beidou e a chegada da era 5G, espera-se que o desenvolvimento contínuo do Beidou + 5G impulsione a aplicação da tecnologia de posicionamento de alta precisão em despacho aeroportuário, inspeção robótica, monitoramento de veículos, gestão logística e outras áreas. A implementação da tecnologia de posicionamento de alta precisão é inseparável do suporte de antenas de alta precisão, algoritmos de alta precisão e placas de alta precisão. Este artigo apresenta principalmente o desenvolvimento e a aplicação de antenas de alta precisão e o estado atual da tecnologia.

1. Desenvolvimento e aplicação de antenas GNSS de alta precisão

1.1 Introdução às antenas de alta precisão
No campo dos GNSS (Sistemas Navegáveis ​​por Fluidos Geofísicos), as antenas de alta precisão são um tipo de antena que possui requisitos especiais quanto à estabilidade do centro de fase. Elas são geralmente utilizadas em conjunto com placas de alta precisão para alcançar um posicionamento de alta precisão em nível centimétrico ou milimétrico. No projeto de antenas de alta precisão, geralmente existem requisitos especiais para os seguintes indicadores da antena: largura do feixe, ganho de elevação em baixa altitude, circularidade, coeficiente de roll-off, relação frente-costas, resistência a multicaminhos, etc. Esses indicadores afetam direta ou indiretamente a estabilidade do centro de fase da antena, impactando, consequentemente, a precisão do posicionamento.

1.2 Aplicação e classificação de antenas de alta precisão
Inicialmente, as antenas GNSS de alta precisão eram utilizadas principalmente na área de topografia e cartografia para alcançar precisão de posicionamento estático em nível milimétrico em locação de obras, mapeamento topográfico e diversos processos de medição e controle. Com o amadurecimento da tecnologia de posicionamento de alta precisão, as antenas de alta precisão passaram a ser utilizadas em um número crescente de campos, incluindo estações de referência de operação contínua, monitoramento de deformações, monitoramento de terremotos, topografia e cartografia, drones, agricultura de precisão, direção autônoma, testes e treinamento de direção, máquinas de engenharia e outros setores industriais. Os requisitos de índice para antenas em diferentes aplicações também variam significativamente.

1.2.1 Sistema CORS, monitoramento de deformação, monitoramento de terremotos - antena da estação de referência
Quando antenas de alta precisão são usadas em estações de referência de operação contínua, informações de posição precisas são obtidas por meio de observações de longo prazo, e os dados de observação são transmitidos ao centro de controle em tempo real através do sistema de comunicação de dados. O centro de controle calcula os parâmetros de correção de erro na área e então envia as informações de erro para o rover (extremidade do usuário) através do sistema de aprimoramento terrestre, sistema de aprimoramento de área ampla, sistema de aprimoramento baseado em satélite, etc., permitindo finalmente que o usuário obtenha informações de coordenadas precisas [1].Em aplicações como monitoramento de deformações e monitoramento de terremotos, é necessário monitorar com precisão a quantidade de deformação e detectar deformações mínimas para prever a ocorrência de desastres naturais.Portanto, no projeto de antenas de alta precisão para aplicações como estações de referência de operação contínua, monitoramento de deformações e monitoramento de terremotos, o primeiro aspecto a ser considerado é a excelente estabilidade do centro de fase e a capacidade de resistir a interferências multicaminho, de modo que informações de posicionamento precisas possam ser fornecidas em tempo real para diversos sistemas de aprimoramento. Além disso, para fornecer o máximo possível de parâmetros de correção de satélite, a antena deve receber o sinal do maior número possível de satélites, e a configuração de banda completa dos quatro sistemas tornou-se um padrão. Nessas aplicações, uma antena de estação de referência (antena de estação base) que cubra toda a faixa de frequência dos quatro sistemas é geralmente utilizada como antena de observação do sistema.

1.2.2 Medição e mapeamento - antena de medição integrada
Na área de medição e mapeamento, é necessário projetar uma antena de medição integrada que seja fácil de instalar. A antena geralmente é construída sobre o receptor RTK para obter posicionamento de alta precisão em tempo real no campo de medição e mapeamento.As principais considerações no projeto de antenas de medição integradas incluem cobertura de banda de frequência, cobertura do feixe, estabilidade do centro de fase, tamanho da antena, etc. Especialmente com a popularização de aplicações RTK em rede, as antenas de medição integradas que abrangem toda a rede, incluindo 4G, Bluetooth e Wi-Fi, têm conquistado gradualmente uma parcela significativa do mercado. Desde o seu lançamento em 2016, elas têm sido as preferidas pela maioria dos fabricantes de receptores RTK e têm sido amplamente utilizadas e promovidas.
1.2.3 Teste de direção e treinamento de direção, direção autônoma - antena de medição externa
O sistema tradicional de teste de direção apresenta muitas desvantagens, como alto custo de investimento, altos custos de operação e manutenção, grande impacto ambiental, baixa precisão, etc. Após a aplicação de antenas de alta precisão ao sistema de teste de direção, o processo passa de julgamento manual para julgamento inteligente, com alta precisão, o que reduz significativamente os custos humanos e materiais do teste de direção.Nos últimos anos, os sistemas de condução autônoma têm se desenvolvido rapidamente. Nesses sistemas, geralmente é utilizada tecnologia de posicionamento que combina o posicionamento de alta precisão RTK com a navegação inercial, o que permite alcançar alta precisão de posicionamento na maioria dos ambientes.Em testes de direção, treinamento de direção, direção autônoma e outros sistemas, é comum o uso de antenas de medição externas, que exigem que possuam bandas de frequência de operação em múltiplos sistemas e frequências, sejam capazes de alcançar alta precisão de posicionamento, tenham certa capacidade de suprimir sinais de múltiplos caminhos, apresentem boa adaptabilidade ambiental e possam ser utilizadas em ambientes externos por longos períodos sem falhas.

1.2.4 Antena de drone de alta precisão
A indústria de drones (VANTs) tem se desenvolvido rapidamente nos últimos anos. Os drones têm sido amplamente utilizados na proteção de plantações agrícolas, levantamentos topográficos e mapeamento, inspeção de linhas de energia e outros cenários. Nesses cenários, somente antenas de alta precisão podem garantir a exatidão, a eficiência e a segurança das diversas operações. Como os drones possuem características como alta velocidade, baixo peso e curta autonomia, o projeto de antenas de alta precisão para drones concentra-se principalmente em fatores como peso, tamanho e consumo de energia, buscando um design com a maior largura de banda possível, sem comprometer o peso e o tamanho.

2. Situação atual da tecnologia de antenas GNSS no país e no exterior

2.1 Estado atual da tecnologia de antenas de alta precisão no exterior
A pesquisa estrangeira sobre antenas de alta precisão começou mais cedo, e uma série de produtos com melhor desempenho foram desenvolvidos, como as antenas de bobina de choque da série GNSS 750 da NoVatel, as antenas da série Zepryr da Trimble, as antenas AR25 da Leica, entre outras, que apresentam diversos formatos inovadores. Portanto, por muito tempo, o mercado de antenas de alta precisão do meu país foi dominado por produtos estrangeiros. No entanto, nos últimos dez anos, com o surgimento de um grande número de fabricantes nacionais, as antenas GNSS de alta precisão estrangeiras praticamente não oferecem mais vantagens em termos de desempenho. Em vez disso, os fabricantes nacionais de antenas de alta precisão começaram a expandir seus mercados para o exterior.Além disso, alguns novos fabricantes de antenas GNSS surgiram no exterior nos últimos anos, como Maxtena, Tallysman, etc. Seus produtos são principalmente pequenas antenas GNSS utilizadas em drones, veículos e outros sistemas. O formato da antena geralmente é o de uma antena microstrip de alta constante dielétrica ou o de uma antena helicoidal de quatro braços. Os fabricantes estrangeiros já não possuem vantagem na tecnologia de projeto desse tipo de antena, e os produtos nacionais e estrangeiros estão entrando em um período de competição homogênea.