全球導航衛星系統高精度天線發展概述

介紹

隨著衛星定位技術的不斷發展和完善，高精度定位技術已滲透到現代生活的各個領域。例如，在測繪、精準農業、無人機、無人駕駛等領域，高精度定位技術隨處可見。尤其隨著北斗新一代衛星導航系統聯網的完成和5G時代的到來，北斗+5G的持續發展可望推動高精度定位技術在機場調度、機器人巡檢、車輛監控、物流管理等領域的應用。高精度定位技術的實現離不開高精度天線、高精度演算法​​和高精度電路板的支援。本文主要介紹高精度天線的發展與應用現況及其技術現況。

1. GNSS高精度天線的研發與應用

1.1 高精度天線簡介
在GNSS領域，高精度天線是對天線相位中心穩定性有特殊要求的天線類型。它們通常與高精度定位板配合使用，以實現厘米級或毫米級的高精度定位。高精度天線的設計通常對以下指標有特殊需求：天線波束寬度、低仰角增益、非圓度、滾降係數、前後比、多路徑抑制等。這些指標會直接或間接影響天線的相位中心穩定性，進而影響定位精度。

1.2 高精度天線的應用與分類
高精度GNSS天線最初主要用於測繪領域，在工程放樣、地形測繪及各種控制測量過程中實現毫米級靜態定位精度。隨著高精度定位技術日益成熟，高精度的天線的應用領域也逐漸擴展，涵蓋了連續運轉參考站、形變監測、地震監測、測繪、無人機、精準農業、自動駕駛、駕駛測試及駕駛訓練、工程機械等眾多工業領域。不同應用場景對天線的指標要求也有顯著差異。

1.2.1 CORS系統、形變監測、地震監測參考站天線
當高精度天線用於連續運行的參考站時，透過長期觀測可以獲得精確的位置信息，觀測資料透過資料通訊系統即時傳輸到控制中心。控制中心計算該區域的誤差校正參數，然後透過地面增強系統、廣域增強系統、衛星增強系統等將誤差資訊傳送給流動站（用戶端），最終使用戶能夠獲得精確的座標資訊[1]。在形變監測和地震監測等應用中，需要準確監測形變數並偵測微小形變，以預測自然災害的發生。因此，在設計用於連續運行參考站、形變監測和地震監測等應用的高精度天線時，首先要考慮的是其優異的相位中心穩定性和抗多徑幹擾能力，以便為各種增強系統即時提供精確的位置資訊。此外，為了提供盡可能多的衛星校正參數，天線必須接收盡可能多的衛星訊號，四系統全頻段配置已成為標準配置。在這些應用中，通常使用覆蓋四系統全頻段的參考站天線（基地台天線）作為系統的觀測天線。

1.2.2 測量與測繪－內建測量天線
在測繪領域，需要設計一個易於整合的內建測量天線。此天線通常安裝在RTK接收機的頂部，以實現測繪領域的即時高精度定位。內建測量天線的設計主要考慮因素包括頻段覆蓋範圍、波束覆蓋範圍、相位中心穩定性、天線尺寸等。尤其隨著網路RTK應用的普及，整合4G、藍牙和WiFi的全網路內建測量天線已逐漸佔據市場的主要份額。自2016年推出以來，這類天線受到多數RTK接收機廠商的青睞，並廣泛應用與推廣。
1.2.3 駕駛考試與駕駛訓練、無人駕駛－外部測量天線
傳統的駕駛考試系統有許多缺點，例如投資成本高、運作維護成本高、環境影響大、準確率低等。高精準度天線應用於駕駛考試系統後，駕駛考試系統由人工判斷轉變為智慧判斷，判斷準確率高，大大降低了駕駛考試的人力和物力成本。近年來，無人駕駛系統發展迅速。在無人駕駛系統中，通常採用RTK高精度定位與慣性導航相結合的定位技術，該技術在大多數環境下都能實現較高的定位精度。在駕駛測試、駕駛訓練、無人駕駛等系統中，經常使用外部測量天線，這要求天線具有多系統、多頻段的工作頻率範圍，能夠實現較高的定位精度，具有一定的抑制多路徑信號的能力，具有良好的環境適應性，能夠在戶外環境中長時間使用而不發生故障。

1.2.4 無人機-高精度無人機天線
近年來，無人機產業發展迅速。無人機已廣泛應用於農業植保、測繪、電力線路巡檢等領域。在這些應用場景中，只有高精度天線才能確保各項作業的精確度、效率和安全性。由於無人機具有速度快、負載輕、續航時間短等特點，高精度無人機天線的設計主要集中在重量、尺寸和功耗等因素上，力求在保證重量和尺寸的前提下實現盡可能寬的頻帶設計。

2. 國內外GNSS天線技術的現況

2.1 國外高精度天線技術的現狀
國外對高精度天線的研究起步較早，並開發了一系列性能更優的高精度天線產品，例如諾維泰爾的GNSS 750系列扼流圈天線、天寶的Zepryr系列天線、徠卡AR25天線等，其中不乏創新型天線形式。因此，我國高精度天線市場長期以來一直被國外產品主導。然而，近十年來，隨著大量國內廠商的崛起，國外高精度GNSS天線在性能上基本上不再具有優勢。相反，國內高精度天線廠商開始積極拓展海外市場。此外，近年來國外湧現一些新的GNSS天線製造商，例如Maxtena、Tallysman等。他們的產品主要是用於無人機、車載系統等的小型GNSS天線。天線形式通常為高介電常數微帶天線或四臂螺旋天線。國外製造商在該類天線的設計技術方面已不再具有優勢，國內外產品正進入同質化競爭時期。