GNSS高精度天線發(fā)展史

　　隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷發(fā)展完善，高精度定位技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代生活的各行各業(yè)中，比如在測(cè)量測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域中，高精度定位技術(shù)的身影隨處可見(jiàn)。特別是隨著北斗新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組網(wǎng)完成，以及5G時(shí)代的到來(lái)，北斗+5G的不斷發(fā)展，有望推動(dòng)高精度定位技術(shù)在機(jī)場(chǎng)調(diào)度、機(jī)器人巡檢、車(chē)輛監(jiān)控、物流管理等領(lǐng)域迎來(lái)更加廣闊的應(yīng)用。高精度定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)高精度天線、高精度算法以及高精度板卡的支持，本文主要就高精度天線的發(fā)展應(yīng)用、技術(shù)現(xiàn)狀等進(jìn)行介紹。

　　1、GNSS高精度天線發(fā)展應(yīng)用

　　1.1 高精度天線介紹

　　在GNSS領(lǐng)域中，高精度天線是對(duì)天線相位中心穩(wěn)定性有特殊要求的一類(lèi)天線，通常與高精度板卡配合實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)或者毫米級(jí)的高精度定位。在高精度天線的設(shè)計(jì)中，通常對(duì)天線的以下指標(biāo)有特殊要求：天線波束寬度、低仰角增益、不圓度、滾降系數(shù)、前后比、抗多徑能力等。這些指標(biāo)都會(huì)直接或間接的影響到天線的相位中心穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到定位精度。

　　1.2 高精度天線應(yīng)用及分類(lèi)

　　高精度GNSS天線最初主要應(yīng)用于測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域，用于在工程放樣、地形測(cè)圖以及各種控制測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)靜態(tài)毫米級(jí)的定位精度。隨著高精度定位技術(shù)的日益成熟，高精度天線逐漸應(yīng)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域中，包括連續(xù)運(yùn)行參考站、變形監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)控、測(cè)量測(cè)繪、無(wú)人機(jī)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域、駕考駕培、工程機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，在不同應(yīng)用中對(duì)天線的指標(biāo)要求也有明顯差異。

　　1.2.1 CORS系統(tǒng)、變形監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)控-參考站天線

　　高精度天線應(yīng)用于連續(xù)運(yùn)行參考站中時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)獲取準(zhǔn)確的位置信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)的將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，控制中心解算出區(qū)域內(nèi)的誤差改正參數(shù)后再通過(guò)地基增強(qiáng)系統(tǒng)、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、星基增強(qiáng)系統(tǒng)等，將誤差信息發(fā)給流動(dòng)站（用戶(hù)端），最終使用戶(hù)得到準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息[1]。

　　在變形監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)控等應(yīng)用中，由于需要對(duì)變形量進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，探測(cè)到微小的形變，從而預(yù)測(cè)自然災(zāi)害等的發(fā)生。

　　因此在諸如連續(xù)運(yùn)行參考站、變形監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)控應(yīng)用中的高精度天線設(shè)計(jì)中，首先必須考慮的就是其優(yōu)秀的相位中心穩(wěn)定性和抗多徑干擾能力，這樣才能為各種增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的位置信息。另外，為了提供盡可能多的衛(wèi)星改正參數(shù)，天線必須接收盡可能多的衛(wèi)星，四系統(tǒng)全頻段已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。在此類(lèi)應(yīng)用中，通常采用覆蓋四系統(tǒng)全頻段的參考站天線（基準(zhǔn)站天線）作為系統(tǒng)的觀測(cè)天線。

　　1.2.2 測(cè)量測(cè)繪-內(nèi)置測(cè)量天線

　　在測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域中，需要設(shè)計(jì)便于集成的內(nèi)置測(cè)量天線，天線通常內(nèi)置于RTK接收機(jī)的頂部，在測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位。

　　內(nèi)置測(cè)量天線在設(shè)計(jì)中的主要考慮因素有頻段覆蓋、波束覆蓋、相位中心穩(wěn)定性、天線尺寸等，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)RTK的應(yīng)用普及，集成了4G、藍(lán)牙、WiFi的全網(wǎng)通內(nèi)置測(cè)量天線逐漸占據(jù)主要份額，自2016年一經(jīng)推出就受到了廣大RTK接收機(jī)廠商的青睞，得到了廣泛的應(yīng)用推廣。

　　1.2.3 駕考駕培、無(wú)人駕駛-外置測(cè)量天線

　　傳統(tǒng)的駕考系統(tǒng)存在諸多弊端，如投入成本大、運(yùn)維費(fèi)用高、受環(huán)境影響大、精度低等，高精度天線應(yīng)用于駕考系統(tǒng)后，駕考系統(tǒng)由人工評(píng)判轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑u(píng)判，評(píng)判精度高，大大降低了駕考的人力物力成本。

　　近年來(lái)無(wú)人駕駛系統(tǒng)發(fā)展迅速，在無(wú)人駕駛中，通常采用RTK高精度定位與慣導(dǎo)組合定位的定位技術(shù)，可以在大多數(shù)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)很高的定位精度。

　　在駕考駕培、無(wú)人駕駛等系統(tǒng)中，常采用的是外置測(cè)量天線形式，需要天線具備多系統(tǒng)多頻的工作頻段，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度，對(duì)多徑信號(hào)有一定的抑制能力，以及較好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在戶(hù)外環(huán)境下長(zhǎng)期使用而不發(fā)生故障。

　　1.2.4 無(wú)人機(jī)-高精度無(wú)人機(jī)天線

　　近年來(lái)無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，無(wú)人機(jī)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)植保、測(cè)量測(cè)繪、電力巡線等場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用，在此類(lèi)場(chǎng)景中的應(yīng)用，只有配備了高精度天線才能保證各種作業(yè)的準(zhǔn)確、高效和安全。由于無(wú)人機(jī)具有速度快、載重輕、續(xù)航短等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)高精度天線在設(shè)計(jì)時(shí)主要關(guān)注重量、尺寸、功耗等因素，并且在保證重量和尺寸的前提下實(shí)現(xiàn)盡可能的寬帶設(shè)計(jì)。

　　2、GNSS天線國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

　　2.1 國(guó)外高精度天線技術(shù)現(xiàn)狀

　　國(guó)外對(duì)高精度天線的研究開(kāi)始較早，并且也開(kāi)發(fā)出了一系列性能較好的高精度天線產(chǎn)品，如NoVatel的GNSS 750系列扼流圈天線、Trimble的Zepryr系列天線、徠卡AR25天線等，其中不乏具有較大創(chuàng)新意義的天線形式。因此在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的高精度天線市場(chǎng)都是出于被國(guó)外產(chǎn)品壟斷的地位。但是近十年來(lái)，隨著一大批國(guó)內(nèi)廠商的興起，國(guó)外GNSS高精度天線在性能上已經(jīng)基本沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，反而國(guó)內(nèi)高精度廠商開(kāi)始向國(guó)外開(kāi)拓市場(chǎng)。

　　此外國(guó)外近年來(lái)也發(fā)展起來(lái)一些新的GNSS天線廠商，如Maxtena，Tallysman等，其產(chǎn)品主要是用于無(wú)人機(jī)、車(chē)載等系統(tǒng)的小型GNSS天線，天線形式通常是高介電常數(shù)的微帶天線或者是四臂螺旋天線形式，在此類(lèi)天線的設(shè)計(jì)技術(shù)上國(guó)外廠商已經(jīng)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品正在進(jìn)入同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期。

　　2.2 國(guó)內(nèi)高精度天線技術(shù)現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)的高精度天線的產(chǎn)品化起步較晚，但是發(fā)展迅速，過(guò)去十年，有一批國(guó)內(nèi)高精度天線廠商開(kāi)始發(fā)展壯大，如華信天線、中海達(dá)、鼎耀、佳利電子等，開(kāi)發(fā)出了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度天線產(chǎn)品。

　　如在基準(zhǔn)站天線和內(nèi)置測(cè)量天線領(lǐng)域，華信的3D扼流圈天線、全網(wǎng)通組合天線等，并且產(chǎn)品可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，故障率極低，可以滿足各種環(huán)境應(yīng)用。

　　而在車(chē)載、無(wú)人機(jī)等行業(yè)，外置測(cè)量天線和四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且在駕考系統(tǒng)、無(wú)人駕駛、無(wú)人機(jī)等行業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)大規(guī)模使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　3、GNSS天線市場(chǎng)現(xiàn)狀與前景

　　2018年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到3016億人民幣，較2017年增長(zhǎng)18.3%[2]，2020年將達(dá)到4000億人民幣；2019年全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)總產(chǎn)值1500億歐元，GNSS終端用戶(hù)數(shù)量達(dá)到64億臺(tái)；在全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)低迷的背景下，GNSS產(chǎn)業(yè)是少數(shù)逆勢(shì)上漲的產(chǎn)業(yè)之一。歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局預(yù)測(cè)，未來(lái)十年全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)總產(chǎn)值將翻一番超過(guò)3000億歐元，GNSS終端數(shù)量將增加至95億臺(tái)。

　　全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)中，應(yīng)用于道路交通、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的終端設(shè)備是未來(lái)十年增速最快的細(xì)分市場(chǎng)：智能化、無(wú)人駕駛車(chē)輛是未來(lái)道路車(chē)輛的主要發(fā)展方向，具備自動(dòng)駕駛能力的汽車(chē)必須配備GNSS高精度天線，因此自動(dòng)駕駛市場(chǎng)對(duì)GNSS天線需求量巨大。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)等配備高精度定位天線的無(wú)人機(jī)用量必將持續(xù)增長(zhǎng)。

　　4、GNSS高精度天線發(fā)展趨勢(shì)

　　GNSS高精度天線經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但還有許多有待突破的方向：

　　1、小型化：電子設(shè)備的小型化是永恒的發(fā)展趨勢(shì)，特別是在如無(wú)人機(jī)、手持機(jī)等應(yīng)用中，對(duì)小尺寸天線的需求更迫切。但是天線小型化后天線性能會(huì)降低，如何在保證綜合性能前提下減小天線尺寸是高精度天線的重要研究方向。

　　2、抗多徑技術(shù)：GNSS天線抗多徑技術(shù)主要有扼流圈技術(shù)[3]、人工電磁材料技術(shù)[4][5]等，但是都有著尺寸大、帶寬窄、成本高等缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用設(shè)計(jì)，因此需要研究具有小型化、寬帶化特點(diǎn)的抗多徑技術(shù)，滿足各種應(yīng)用需求。

　　3、多功能化：現(xiàn)如今各種設(shè)備上除了GNSS天線，還集成了不止一種通信天線，不同通信系統(tǒng)對(duì)GNSS天線可能產(chǎn)生各種信號(hào)干擾，影響正常收星。因此通過(guò)多功能集成將GNSS天線與通信天線實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到天線間的干擾影響，可以在提高集成度的同時(shí)改善電磁兼容特性，提高整機(jī)性能。