Обзор развития высокоточных антенн GNSS.

введение

Благодаря непрерывному развитию и совершенствованию спутниковых технологий позиционирования, высокоточные технологии позиционирования нашли применение во всех сферах современной жизни. Например, в таких областях, как геодезия и картография, точное земледелие, беспилотные летательные аппараты и беспилотное вождение, высокоточные технологии позиционирования можно увидеть повсюду. Особенно с завершением создания сети спутниковой навигационной системы нового поколения Beidou и наступлением эры 5G, ожидается, что непрерывное развитие Beidou + 5G будет способствовать применению высокоточных технологий позиционирования в диспетчеризации аэропортов, роботизированной инспекции, мониторинге транспортных средств, управлении логистикой и других областях. Реализация высокоточных технологий позиционирования неразрывно связана с поддержкой высокоточных антенн, высокоточных алгоритмов и высокоточных плат. В данной статье в основном рассматриваются разработка и применение высокоточных антенн и текущее состояние технологии.

1. Разработка и применение высокоточных антенн GNSS.

1.1 Введение в высокоточные антенны
В области GNSS высокоточные антенны — это тип антенн, к стабильности фазового центра которых предъявляются особые требования. Обычно они используются в сочетании с высокоточными платами для достижения точности позиционирования на уровне сантиметров или миллиметров. При проектировании высокоточных антенн обычно предъявляются особые требования к следующим показателям: ширина диаграммы направленности, коэффициент усиления по углу места, некруглость, коэффициент спада, отношение переднего и заднего лучей, сопротивление многолучевому распространению и т. д. Эти показатели прямо или косвенно влияют на стабильность фазового центра антенны, тем самым влияя на точность позиционирования.

1.2 Применение и классификация высокоточных антенн
Высокоточные GNSS-антенны первоначально использовались в основном в области геодезии и картографии для достижения статической точности позиционирования на уровне миллиметров при инженерной разметке, топографическом картографировании и различных процессах контрольно-измерительных измерений. По мере развития технологий высокоточного позиционирования высокоточные антенны постепенно находят все большее применение в различных областях, включая постоянно работающие опорные станции, мониторинг деформаций, мониторинг землетрясений, геодезию и картографирование, беспилотные летательные аппараты, точное земледелие, автономное вождение, тестирование и обучение вождению, строительную технику и другие отрасли промышленности. Требования к показателям антенн в различных областях применения также значительно различаются.

1.2.1 Система CORS, мониторинг деформаций, антенна опорной станции мониторинга землетрясений
При использовании высокоточных антенн в постоянно работающих опорных станциях точная информация о местоположении получается посредством длительных наблюдений, а данные наблюдений передаются в центр управления в режиме реального времени через систему передачи данных. Центр управления вычисляет параметры коррекции ошибок в районе, а затем отправляет информацию об ошибках на приемник (пользовательскую сторону) через наземную систему коррекции, широкозонную систему коррекции, спутниковую систему коррекции и т. д., в конечном итоге позволяя пользователю получить точную информацию о координатах [1].В таких областях применения, как мониторинг деформаций и мониторинг землетрясений, необходимо точно отслеживать величину деформаций и обнаруживать мельчайшие отклонения для прогнозирования возникновения стихийных бедствий.Поэтому при проектировании высокоточных антенн для таких применений, как постоянно работающие опорные станции, мониторинг деформаций и мониторинг землетрясений, в первую очередь необходимо учитывать их превосходную стабильность фазового центра и устойчивость к многолучевым помехам, чтобы обеспечить предоставление точной информации о местоположении в реальном времени для различных систем повышения точности. Кроме того, для обеспечения как можно большего количества параметров коррекции спутников антенна должна принимать сигналы от как можно большего числа спутников, и четырехдиапазонная полнодиапазонная конфигурация стала стандартной. В таких приложениях в качестве наблюдательной антенны системы обычно используется антенна опорной станции (антенна базовой станции), охватывающая весь частотный диапазон четырех систем.

1.2.2 Измерение и картирование — встроенная измерительная антенна
В области измерений и картографии необходимо разработать встроенную измерительную антенну, которую легко интегрировать. Как правило, антенна устанавливается поверх RTK-приемника для обеспечения высокоточной позиционирования в реальном времени в области измерений и картографии.Основные факторы, которые необходимо учитывать при проектировании встроенных измерительных антенн, включают в себя охват частотного диапазона, охват луча, стабильность фазового центра, размер антенны и т. д. Особенно с распространением сетевых RTK-приложений, полнофункциональные встроенные измерительные антенны, интегрирующие 4G, Bluetooth и WiFi, постепенно заняли значительную долю рынка. С момента своего появления в 2016 году они пользуются популярностью у большинства производителей RTK-приемников и получили широкое распространение.
1.2.3 Экзамен по вождению и обучение вождению, беспилотное вождение - внешняя измерительная антенна
Традиционная система экзамена по вождению имеет множество недостатков, таких как высокие инвестиционные затраты, высокие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание, значительное воздействие на окружающую среду, низкая точность и т. д. После внедрения высокоточных антенн в систему экзамена по вождению, она переходит от ручной оценки к интеллектуальной, обеспечивая высокую точность, что значительно снижает трудозатраты и материальные ресурсы, необходимые для проведения экзамена.В последние годы беспилотные системы управления движением развиваются быстрыми темпами. В беспилотных системах управления движением обычно используется технология позиционирования, сочетающая высокоточное позиционирование RTK и инерциальную навигацию, что позволяет достичь высокой точности позиционирования в большинстве условий.В системах обучения вождению, беспилотного вождения и других системах часто используются внешние измерительные антенны, которые должны обладать многосистемным и многочастотным диапазоном рабочих частот, обеспечивать более высокую точность позиционирования, иметь определенную способность подавлять многолучевые сигналы, обладать хорошей адаптивностью к окружающей среде и быть пригодными для длительного использования на открытом воздухе.

1.2.4 Высокоточная антенна для дрона
Индустрия беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в последние годы развивается стремительно. БПЛА широко используются в защите сельскохозяйственных культур, геодезии и картографии, инспекции линий электропередач и других областях. В таких сценариях только высокоточные антенны могут обеспечить точность, эффективность и безопасность различных операций. Поскольку дроны обладают такими характеристиками, как высокая скорость, малая нагрузка и короткая продолжительность полета, при проектировании высокоточных антенн для дронов основное внимание уделяется таким факторам, как вес, размер и энергопотребление, и достигается максимально широкополосная конструкция при сохранении оптимального веса и размера.

2. Текущее состояние технологий GNSS-антенн в стране и за рубежом.

2.1 Текущее состояние зарубежных технологий высокоточных антенн
Зарубежные исследования в области высокоточных антенн начались раньше, и был разработан ряд высокоточных антенн с улучшенными характеристиками, таких как дроссельные антенны серии GNSS 750 от NoVatel, антенны серии Zeprir от Trimble, антенны Leica AR25 и др., среди которых много инновационных форм антенн. Поэтому долгое время на рынке высокоточных антенн нашей страны доминировала зарубежная продукция. Однако за последние десять лет, с появлением большого числа отечественных производителей, зарубежные высокоточные GNSS-антенны практически не имеют преимуществ в производительности. Вместо этого отечественные производители высокоточных антенн начали расширять рынки за рубежом.Кроме того, в последние годы за рубежом появились новые производители GNSS-антенн, такие как Maxtena, Tallysman и др. Их продукция в основном представляет собой небольшие GNSS-антенны, используемые в дронах, транспортных средствах и других системах. Форма антенны обычно представляет собой микрополосковую антенну с высокой диэлектрической проницаемостью или четырехплечевую спиральную антенну. Иностранные производители больше не имеют преимуществ в технологии проектирования таких антенн, и отечественная и зарубежная продукция вступают в период однородной конкуренции.