Tổng quan về sự phát triển của ăng-ten GNSS độ chính xác cao

giới thiệu

Với sự phát triển và cải tiến không ngừng của công nghệ định vị vệ tinh, công nghệ định vị chính xác cao đã được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực đời sống hiện đại. Ví dụ, trong các lĩnh vực như khảo sát và lập bản đồ, nông nghiệp chính xác, máy bay không người lái và lái xe tự hành, công nghệ định vị chính xác cao có thể được nhìn thấy ở khắp mọi nơi. Đặc biệt, với việc hoàn thiện mạng lưới hệ thống định vị vệ tinh thế hệ mới Beidou và sự ra đời của kỷ nguyên 5G, sự phát triển liên tục của Beidou + 5G được kỳ vọng sẽ thúc đẩy ứng dụng công nghệ định vị chính xác cao trong điều phối sân bay, kiểm tra robot, giám sát phương tiện, quản lý hậu cần và các lĩnh vực khác. Việc hiện thực hóa công nghệ định vị chính xác cao không thể tách rời khỏi sự hỗ trợ của các anten chính xác cao, thuật toán chính xác cao và bo mạch chính xác cao. Bài viết này chủ yếu giới thiệu về sự phát triển và ứng dụng của anten chính xác cao và tình trạng công nghệ hiện nay.

1. Phát triển và ứng dụng ăng-ten GNSS độ chính xác cao

1.1 Giới thiệu về ăng-ten độ chính xác cao
Trong lĩnh vực GNSS, ăng-ten độ chính xác cao là loại ăng-ten có yêu cầu đặc biệt về độ ổn định của tâm pha ăng-ten. Chúng thường được sử dụng kết hợp với các bo mạch độ chính xác cao để đạt được định vị chính xác đến mức centimet hoặc milimét. Trong thiết kế ăng-ten độ chính xác cao, thường có những yêu cầu đặc biệt đối với các chỉ số sau của ăng-ten: độ rộng chùm tia ăng-ten, độ lợi góc nâng thấp, độ lệch tâm, hệ số suy giảm, tỷ lệ trước-sau, khả năng chống đa đường truyền, v.v. Các chỉ số này sẽ ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến độ ổn định tâm pha của ăng-ten, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác định vị.

1.2 Ứng dụng và phân loại ăng-ten độ chính xác cao
Ban đầu, ăng-ten GNSS độ chính xác cao chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực khảo sát và lập bản đồ để đạt được độ chính xác định vị tĩnh ở mức milimét trong việc cắm mốc công trình, lập bản đồ địa hình và các quy trình đo lường kiểm soát khác nhau. Khi công nghệ định vị độ chính xác cao ngày càng hoàn thiện, ăng-ten độ chính xác cao dần được sử dụng trong nhiều lĩnh vực hơn, bao gồm các trạm tham chiếu hoạt động liên tục, giám sát biến dạng, giám sát động đất, khảo sát và lập bản đồ, máy bay không người lái, nông nghiệp chính xác, lái xe tự hành, kiểm tra lái xe và đào tạo lái xe, máy móc kỹ thuật và các lĩnh vực công nghiệp khác. Yêu cầu về chỉ số đối với ăng-ten trong các ứng dụng khác nhau cũng khác nhau đáng kể.

1.2.1 Hệ thống CORS, giám sát biến dạng, ăng-ten trạm tham chiếu giám sát động đất
Khi sử dụng ăng-ten độ chính xác cao trong các trạm tham chiếu hoạt động liên tục, thông tin vị trí chính xác được thu được thông qua quan sát dài hạn và dữ liệu quan sát được truyền đến trung tâm điều khiển theo thời gian thực thông qua hệ thống truyền thông dữ liệu. Trung tâm điều khiển tính toán các tham số hiệu chỉnh lỗi trong khu vực và sau đó gửi thông tin lỗi đến thiết bị di động (phía người dùng) thông qua hệ thống tăng cường trên mặt đất, hệ thống tăng cường diện rộng, hệ thống tăng cường dựa trên vệ tinh, v.v., cuối cùng cho phép người dùng thu được thông tin tọa độ chính xác [1].Trong các ứng dụng như giám sát biến dạng và giám sát động đất, việc giám sát chính xác mức độ biến dạng và phát hiện những biến dạng nhỏ là cần thiết để dự đoán sự xảy ra của các thảm họa tự nhiên.Do đó, trong thiết kế các anten độ chính xác cao cho các ứng dụng như trạm tham chiếu hoạt động liên tục, giám sát biến dạng và giám sát động đất, điều đầu tiên cần xem xét là độ ổn định tâm pha tuyệt vời và khả năng chống nhiễu đa đường, để có thể cung cấp thông tin vị trí chính xác theo thời gian thực cho các hệ thống tăng cường khác nhau. Ngoài ra, để cung cấp càng nhiều tham số hiệu chỉnh vệ tinh càng tốt, anten phải thu được càng nhiều vệ tinh càng tốt, và cấu hình băng tần đầy đủ bốn hệ thống đã trở thành cấu hình tiêu chuẩn. Trong các ứng dụng như vậy, anten trạm tham chiếu (anten trạm gốc) bao phủ toàn bộ dải tần của bốn hệ thống thường được sử dụng làm anten quan sát của hệ thống.

1.2.2 Đo lường và lập bản đồ - ăng-ten đo lường tích hợp
Trong lĩnh vực đo lường và lập bản đồ, việc thiết kế một ăng-ten đo tích hợp dễ dàng kết hợp là rất cần thiết. Ăng-ten này thường được tích hợp trên đỉnh của bộ thu RTK để đạt được định vị chính xác cao theo thời gian thực trong lĩnh vực đo lường và lập bản đồ.Các yếu tố chính cần xem xét trong thiết kế anten đo tích hợp bao gồm phạm vi băng tần, phạm vi phủ sóng, độ ổn định tâm pha, kích thước anten, v.v. Đặc biệt với sự phổ biến của các ứng dụng RTK mạng, các anten đo tích hợp toàn mạng tích hợp 4G, Bluetooth và WiFi đã dần chiếm thị phần lớn. Kể từ khi ra mắt vào năm 2016, chúng đã được đa số nhà sản xuất bộ thu RTK ưa chuộng và được sử dụng cũng như quảng bá rộng rãi.
1.2.3 Thi sát hạch lái xe và đào tạo lái xe, lái xe tự động - ăng-ten đo lường bên ngoài
Hệ thống kiểm tra lái xe truyền thống có nhiều nhược điểm, chẳng hạn như chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành và bảo trì cao, tác động lớn đến môi trường, độ chính xác thấp, v.v. Sau khi áp dụng ăng-ten độ chính xác cao vào hệ thống kiểm tra lái xe, hệ thống kiểm tra lái xe chuyển từ đánh giá thủ công sang đánh giá thông minh, với độ chính xác cao, giúp giảm đáng kể chi phí nhân lực và vật lực cho việc kiểm tra lái xe.Trong những năm gần đây, hệ thống lái xe tự động đã phát triển nhanh chóng. Trong lái xe tự động, công nghệ định vị kết hợp định vị chính xác cao RTK và dẫn đường quán tính thường được sử dụng, có thể đạt được độ chính xác định vị cao trong hầu hết các môi trường.Trong đào tạo lái xe, lái xe tự lái và các hệ thống khác, dạng ăng-ten đo ngoài thường được sử dụng, đòi hỏi ăng-ten phải có dải tần hoạt động đa hệ thống và đa tần số, có khả năng đạt được độ chính xác định vị cao hơn, có khả năng triệt tiêu tín hiệu đa đường nhất định, có khả năng thích ứng môi trường tốt và có thể sử dụng trong môi trường ngoài trời trong thời gian dài mà không bị lỗi.

1.2.4 Ăng-ten máy bay không người lái độ chính xác cao
Ngành công nghiệp UAV đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. UAV được sử dụng rộng rãi trong bảo vệ cây trồng nông nghiệp, khảo sát và lập bản đồ, kiểm tra đường dây điện và các lĩnh vực khác. Trong những trường hợp này, chỉ có ăng-ten có độ chính xác cao mới có thể đảm bảo độ chính xác, hiệu quả và an toàn của các hoạt động khác nhau. Do máy bay không người lái có đặc điểm tốc độ nhanh, tải trọng nhẹ và thời gian hoạt động ngắn, thiết kế ăng-ten độ chính xác cao cho máy bay không người lái chủ yếu tập trung vào các yếu tố như trọng lượng, kích thước và mức tiêu thụ điện năng, nhằm đạt được thiết kế băng thông rộng nhất có thể trong khi vẫn đảm bảo trọng lượng và kích thước.

2. Tình trạng hiện tại của công nghệ anten GNSS trong và ngoài nước

2.1 Tình trạng hiện tại của công nghệ anten độ chính xác cao nước ngoài
Nghiên cứu về ăng-ten độ chính xác cao ở nước ngoài đã bắt đầu từ sớm, và một loạt các sản phẩm ăng-ten độ chính xác cao với hiệu suất tốt hơn đã được phát triển, chẳng hạn như ăng-ten cuộn cảm GNSS 750 series của NoVatel, ăng-ten Zepryr series của Trimble, ăng-ten AR25 của Leica, v.v., trong đó có nhiều hình dạng ăng-ten cải tiến. Do đó, trong một thời gian dài trước đây, thị trường ăng-ten độ chính xác cao của nước ta chủ yếu do các sản phẩm nước ngoài thống trị. Tuy nhiên, trong mười năm qua, với sự trỗi dậy của một lượng lớn các nhà sản xuất trong nước, ăng-ten GNSS độ chính xác cao của nước ngoài về cơ bản không còn ưu thế về hiệu suất. Thay vào đó, các nhà sản xuất trong nước về ăng-ten độ chính xác cao đã bắt đầu mở rộng thị trường ra nước ngoài.Ngoài ra, một số nhà sản xuất anten GNSS mới đã phát triển ở nước ngoài trong những năm gần đây, chẳng hạn như Maxtena, Tallysman, v.v. Sản phẩm của họ chủ yếu là các anten GNSS nhỏ được sử dụng trong máy bay không người lái, xe cộ và các hệ thống khác. Hình dạng anten thường là anten vi dải có hằng số điện môi cao hoặc anten xoắn ốc bốn nhánh. Các nhà sản xuất nước ngoài không còn giữ được lợi thế về công nghệ thiết kế loại anten này, và các sản phẩm trong nước và nước ngoài đang bước vào giai đoạn cạnh tranh đồng đều.