GNSS高精度天线发展概述
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作者:yachcom
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发布时间: 2021-06-16
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在GNSS领域中，高精度天线是对天线相位中心稳定性有特殊要求的一类天线，通常与高精度板卡配合实现厘米级或者毫米级的高精度定位。在高精度天线的设计中，通常对天线的以下指标有特殊要求：天线波束宽度、低仰角增益、不圆度、滚降系数、前后比、抗多径能力等。这些指标都会直接或间接的影响到天线的相位中心稳定性，进而影响到定位精度。
1、GNSS高精度天线发展应用
1.1 高精度天线介绍
在GNSS领域中，高精度天线是对天线相位中心稳定性有特殊要求的一类天线，通常与高精度板卡配合实现厘米级或者毫米级的高精度定位。在高精度天线的设计中，通常对天线的以下指标有特殊要求：天线波束宽度、低仰角增益、不圆度、滚降系数、前后比、抗多径能力等。这些指标都会直接或间接的影响到天线的相位中心稳定性，进而影响到定位精度。
1.2 高精度天线应用及分类
高精度GNSS天线最初主要应用于测量测绘领域，用于在工程放样、地形测图以及各种控制测量过程中实现静态毫米级的定位精度。随着高精度定位技术的日益成熟，高精度天线逐渐应用在越来越多的领域中，包括连续运行参考站、变形监测、地震监控、测量测绘、无人机、精准农业、自动驾驶领域、驾考驾培、工程机械等工业领域，在不同应用中对天线的指标要求也有明显差异。
1.2.1 CORS系统、变形监测、地震监控-参考站天线
高精度天线应用于连续运行参考站中时，通过长期观测获取准确的位置信息，并通过数据通讯系统实时的将观测数据传输至控制中心，控制中心解算出区域内的误差改正参数后再通过地基增强系统、广域增强系统、星基增强系统等，将误差信息发给流动站（用户端），最终使用户得到准确的坐标信息[1]。
在变形监测、地震监控等应用中，由于需要对变形量进行精确的监测，探测到微小的形变，从而预测自然灾害等的发生。
因此在诸如连续运行参考站、变形监测、地震监控应用中的高精度天线设计中，首先必须考虑的就是其优秀的相位中心稳定性和抗多径干扰能力，这样才能为各种增强系统实时提供准确的位置信息。另外，为了提供尽可能多的卫星改正参数，天线必须接收尽可能多的卫星，四系统全频段已经成为标准配置。在此类应用中，通常采用覆盖四系统全频段的参考站天线（基准站天线）作为系统的观测天线。
1.2.2 测量测绘-内置测量天线
在测量测绘领域中，需要设计便于集成的内置测量天线，天线通常内置于RTK接收机的顶部，在测量测绘领域实现实时高精度定位。
内置测量天线在设计中的主要考虑因素有频段覆盖、波束覆盖、相位中心稳定性、天线尺寸等，特别是随着网络RTK的应用普及，集成了4G、蓝牙、WiFi的全网通内置测量天线逐渐占据市场主要份额，自2016年一经推出就受到了广大RTK接收机厂商的青睐，得到了广泛的应用推广。
1.2.3 驾考驾培、无人驾驶-外置测量天线
传统的驾考系统存在诸多弊端，如投入成本大、运维费用高、受环境影响大、精度低等，高精度天线应用于驾考系统后，驾考系统由人工评判转变为智能化评判，评判精度高，大大降低了驾考的人力物力成本。
近年来无人驾驶系统发展迅速，在无人驾驶中，通常采用RTK高精度定位与惯导组合定位的定位技术，可以在大多数环境下实现很高的定位精度。
在驾考驾培、无人驾驶等系统中，常采用的是外置测量天线形式，需要天线具备多系统多频的工作频段，能够实现较高的定位精度，对多径信号有一定的抑制能力，以及较好的环境适应性，能够在户外环境下长期使用而不发生故障。
1.2.4 无人机-高精度无人机天线
近年来无人机行业发展迅猛，无人机已经在农业植保、测量测绘、电力巡线等场景中广泛应用，在此类场景中的应用，只有配备了高精度天线才能保证各种作业的准确、高效和安全。由于无人机具有速度快、载重轻、续航短等特点，无人机高精度天线在设计时主要关注重量、尺寸、功耗等因素，并且在保证重量和尺寸的前提下实现尽可能的宽带设计。
2、GNSS天线国内外技术现状
2.1 国外高精度天线技术现状
国外对高精度天线的研究开始较早，并且也开发出了一系列性能较好的高精度天线产品，如NoVatel的GNSS 750系列扼流圈天线、Trimble的Zepryr系列天线、徕卡AR25天线等，其中不乏具有较大创新意义的天线形式。因此在过去很长一段时间内，我国的高精度天线市场都是出于被国外产品垄断的地位。但是近十年来，随着一大批国内厂商的兴起，国外GNSS高精度天线在性能上已经基本没有优势，反而国内高精度厂商开始向国外开拓市场。
此外国外近年来也发展起来一些新的GNSS天线厂商，如Maxtena，Tallysman等，其产品主要是用于无人机、车载等系统的小型GNSS天线，天线形式通常是高介电常数的微带天线或者是四臂螺旋天线形式，在此类天线的设计技术上国外厂商已经没有优势，国内外产品正在进入同质化竞争时期。
2.2 国内高精度天线技术现状
国内的高精度天线的产品化起步较晚，但是发展迅速，过去十年，有一批国内高精度天线厂商开始发展壮大，如华信天线、中海达、鼎耀、佳利电子等，开发出了一系列具有自主知识产权的高精度天线产品。
如在基准站天线和内置测量天线领域，华信的3D扼流圈天线、全网通组合天线等，不仅性能达到国际领先水平，并且产品可靠性高，使用寿命长，故障率极低，可以满足各种环境应用。
而在车载、无人机等行业，外置测量天线和四臂螺旋天线的设计技术已经比较成熟，并且在驾考系统、无人驾驶、无人机等行业应用中已经大规模使用，取得了良好的经济效益和社会效益。
3、GNSS天线市场现状与前景
2018年我国卫星导航与位置服务产业总产值达到3016亿人民币，较2017年增长18.3%[2]，2020年将达到4000亿人民币；2019年全球卫星导航市场总产值1500亿欧元，GNSS终端用户数量达到64亿台；在全球经济形势低迷的背景下，GNSS产业是少数逆势上涨的产业之一。欧洲全球导航卫星系统局预测，未来十年全球卫星导航市场总产值将翻一番超过3000亿欧元，GNSS终端数量将增加至95亿台。
全球卫星导航市场中，应用于道路交通、无人机等领域的终端设备是未来十年增速最快的细分市场：智能化、无人驾驶车辆是未来道路车辆的主要发展方向，具备自动驾驶能力的汽车必须配备GNSS高精度天线，因此自动驾驶市场对GNSS天线需求量巨大。随着我国农业现代化进程的不断发展，植保无人机等配备高精度定位天线的无人机用量必将持续增长。
4、GNSS高精度天线发展趋势
GNSS高精度天线经过多年发展，各项技术已经比较成熟，但还有许多有待突破的方向：
1、小型化：电子设备的小型化是永恒的发展趋势，特别是在如无人机、手持机等应用中，对小尺寸天线的需求更迫切。但是天线小型化后天线性能会降低，如何在保证综合性能前提下减小天线尺寸是高精度天线的重要研究方向。
2、抗多径技术：GNSS天线抗多径技术主要有扼流圈技术[3]、人工电磁材料技术[4][5]等，但是都有着尺寸大、带宽窄、成本高等缺点，无法实现通用设计，因此需要研究具有小型化、宽带化特点的抗多径技术，满足各种应用需求。
3、多功能化：现如今各种设备上除了GNSS天线，还集成了不止一种通信天线，不同通信系统对GNSS天线可能产生各种信号干扰，影响正常收星。因此通过多功能集成将GNSS天线与通信天线实现集成设计，在设计时就考虑到天线间的干扰影响，可以在提高集成度的同时改善电磁兼容特性，提高整机性能。