GNSS高精度天線發(fā)展概述
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，高精度天線是對天線相位中心穩(wěn)定性有特殊要求的一類天線，通常與高精度板卡配合實現(xiàn)厘米級或者毫米級的高精度定位。在高精度天線的設(shè)計中，通常對天線的以下指標有特殊要求：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。這些指標都會直接或間接的影響到天線的相位中心穩(wěn)定性，進而影響到定位精度。
1.2 高精度天線應(yīng)用及分類
高精度GNSS天線最初主要應(yīng)用于測量測繪領(lǐng)域，用于在工程放樣、地形測圖以及各種控制測量過程中實現(xiàn)靜態(tài)毫米級的定位精度。隨著高精度定位技術(shù)的日益成熟，高精度天線逐漸應(yīng)用在越來越多的領(lǐng)域中，包括連續(xù)運行參考站、變形監(jiān)測、地震監(jiān)控、測量測繪、無人機、精準農(nóng)業(yè)、自動駕駛領(lǐng)域、駕考駕培、工程機械等工業(yè)領(lǐng)域，在不同應(yīng)用中對天線的指標要求也有明顯差異。
1.2.1 CORS系統(tǒng)、變形監(jiān)測、地震監(jiān)控-參考站天線
高精度天線應(yīng)用于連續(xù)運行參考站中時，通過長期觀測獲取準確的位置信息，并通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)實時的將觀測數(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)后再通過地基增強系統(tǒng)、廣域增強系統(tǒng)、星基增強系統(tǒng)等，將誤差信息發(fā)給流動站（用戶端），最終使用戶得到準確的坐標信息[1]。
在變形監(jiān)測、地震監(jiān)控等應(yīng)用中，由于需要對變形量進行精確的監(jiān)測，探測到微小的形變，從而預(yù)測自然災(zāi)害等的發(fā)生。
因此在諸如連續(xù)運行參考站、變形監(jiān)測、地震監(jiān)控應(yīng)用中的高精度天線設(shè)計中，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系統(tǒng)實時提供準確的位置信息。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)成為標準配置。在此類應(yīng)用中，通常采用覆蓋四系統(tǒng)全頻段的參考站天線（基準站天線）作為系統(tǒng)的觀測天線。
1.2.2 測量測繪-內(nèi)置測量天線
在測量測繪領(lǐng)域中，需要設(shè)計便于集成的內(nèi)置測量天線，天線通常內(nèi)置于RTK接收機的頂部，在測量測繪領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實時高精度定位。
內(nèi)置測量天線在設(shè)計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、藍牙、WiFi的全網(wǎng)通內(nèi)置測量天線逐漸占據(jù)市場主要份額，自2016年一經(jīng)推出就受到了廣大RTK接收機廠商的青睞，得到了廣泛的應(yīng)用推廣。
1.2.3 駕考駕培、無人駕駛-外置測量天線
傳統(tǒng)的駕考系統(tǒng)存在諸多弊端，如投入成本大、運維費用高、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)由人工評判轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑u判，評判精度高，大大降低了駕考的人力物力成本。
近年來無人駕駛系統(tǒng)發(fā)展迅速，在無人駕駛中，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)境下實現(xiàn)很高的定位精度。
在駕考駕培、無人駕駛等系統(tǒng)中，常采用的是外置測量天線形式，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，對多徑信號有一定的抑制能力，以及較好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在戶外環(huán)境下長期使用而不發(fā)生故障。
1.2.4 無人機-高精度無人機天線
近年來無人機行業(yè)發(fā)展迅猛，無人機已經(jīng)在農(nóng)業(yè)植保、測量測繪、電力巡線等場景中廣泛應(yīng)用，在此類場景中的應(yīng)用，只有配備了高精度天線才能保證各種作業(yè)的準確、高效和安全。由于無人機具有速度快、載重輕、續(xù)航短等特點，無人機高精度天線在設(shè)計時主要關(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現(xiàn)盡可能的寬帶設(shè)計。
2、GNSS天線國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀
2.1 國外高精度天線技術(shù)現(xiàn)狀
國外對高精度天線的研究開始較早，并且也開發(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。因此在過去很長一段時間內(nèi)，我國的高精度天線市場都是出于被國外產(chǎn)品壟斷的地位。但是近十年來，隨著一大批國內(nèi)廠商的興起，國外GNSS高精度天線在性能上已經(jīng)基本沒有優(yōu)勢，反而國內(nèi)高精度廠商開始向國外開拓市場。
此外國外近年來也發(fā)展起來一些新的GNSS天線廠商，如Maxtena，Tallysman等，其產(chǎn)品主要是用于無人機、車載等系統(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，在此類天線的設(shè)計技術(shù)上國外廠商已經(jīng)沒有優(yōu)勢，國內(nèi)外產(chǎn)品正在進入同質(zhì)化競爭時期。
2.2 國內(nèi)高精度天線技術(shù)現(xiàn)狀
國內(nèi)的高精度天線的產(chǎn)品化起步較晚，但是發(fā)展迅速，過去十年，有一批國內(nèi)高精度天線廠商開始發(fā)展壯大，如華信天線、中海達、鼎耀、佳利電子等，開發(fā)出了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度天線產(chǎn)品。
如在基準站天線和內(nèi)置測量天線領(lǐng)域，華信的3D扼流圈天線、全網(wǎng)通組合天線等，不僅性能達到國際領(lǐng)先水平，并且產(chǎn)品可靠性高，使用壽命長，故障率極低，可以滿足各種環(huán)境應(yīng)用。
而在車載、無人機等行業(yè)，外置測量天線和四臂螺旋天線的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且在駕考系統(tǒng)、無人駕駛、無人機等行業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)大規(guī)模使用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
3、GNSS天線市場現(xiàn)狀與前景
2018年我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達到3016億人民幣，較2017年增長18.3%[2]，2020年將達到4000億人民幣；2019年全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場總產(chǎn)值1500億歐元，GNSS終端用戶數(shù)量達到64億臺；在全球經(jīng)濟形勢低迷的背景下，GNSS產(chǎn)業(yè)是少數(shù)逆勢上漲的產(chǎn)業(yè)之一。歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局預(yù)測，未來十年全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場總產(chǎn)值將翻一番超過3000億歐元，GNSS終端數(shù)量將增加至95億臺。
全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場中，應(yīng)用于道路交通、無人機等領(lǐng)域的終端設(shè)備是未來十年增速最快的細分市場：智能化、無人駕駛車輛是未來道路車輛的主要發(fā)展方向，具備自動駕駛能力的汽車必須配備GNSS高精度天線，因此自動駕駛市場對GNSS天線需求量巨大。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的不斷發(fā)展，植保無人機等配備高精度定位天線的無人機用量必將持續(xù)增長。
4、GNSS高精度天線發(fā)展趨勢
GNSS高精度天線經(jīng)過多年發(fā)展，各項技術(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，特別是在如無人機、手持機等應(yīng)用中，對小尺寸天線的需求更迫切。但是天線小型化后天線性能會降低，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，無法實現(xiàn)通用設(shè)計，因此需要研究具有小型化、寬帶化特點的抗多徑技術(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GNSS天線可能產(chǎn)生各種信號干擾，影響正常收星。因此通過多功能集成將GNSS天線與通信天線實現(xiàn)集成設(shè)計，在設(shè)計時就考慮到天線間的干擾影響，可以在提高集成度的同時改善電磁兼容特性，提高整機性能。