GNSS高精度天線發展概述

發布時間：2021-12-29作者來源：金航標瀏覽：2822

引言

隨著衛星定位技術的不斷發展完善，高精度定位技術已經應用于現代生活的各行各業中，比如在測量測繪、精準農業、無人機、無人駕駛等領域中，高精度定位技術的身影隨處可見。特別是隨著北斗新一代衛星導航系統的組網完成，以及5G時代的到來，北斗+5G的不斷發展，有望推動高精度定位技術在機場調度、機器人巡檢、車輛監控、物流管理等領域迎來更加廣闊的應用。高精度定位技術的實現，離不開高精度天線、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展應用、技術現狀等進行介紹。

1、GNSS高精度天線發展應用

1.1 高精度天線介紹
在GNSS領域中，高精度天線是對天線相位中心穩定性有特殊要求的一類天線，通常與高精度板卡配合實現厘米級或者毫米級的高精度定位。在高精度天線的設計中，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、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定性，進而影響到定位精度。

1.2 高精度天線應用及分類
高精度GNSS天線最初主要應用于測量測繪領域，用于在工程放樣、地形測圖以及各種控制測量過程中實現靜態毫米級的定位精度。隨著高精度定位技術的日益成熟，高精度天線逐漸應用在越來越多的領域中，包括連續運行參考站、變形監測、地震監控、測量測繪、無人機、精準農業、自動駕駛領域、駕考駕培、工程機械等工業領域，在不同應用中對天線的指標要求也有明顯差異。

1.2.1 CORS系統、變形監測、地震監控-參考站天線
高精度天線應用于連續運行參考站中時，通過長期觀測獲取準確的位置信息，并通過數據通訊系統實時的將觀測數據傳輸至控制中心，控制中心解算出區域內的誤差改正參數后再通過地基增強系統、廣域增強系統、星基增強系統等，將誤差信息發給流動站（用戶端），最終使用戶得到準確的坐標信息[1]。在變形監測、地震監控等應用中，由于需要對變形量進行[敏感詞]的監測，探測到微小的形變，從而預測自然災害等的發生。因此在諸如連續運行參考站、變形監測、地震監控應用中的高精度天線設計中，首先必須考慮的就是其優秀的相位中心穩定性和抗多徑干擾能力，這樣才能為各種增強系統實時提供準確的位置信息。另外，為了提供盡可能多的衛星改正參數，天線必須接收盡可能多的衛星，四系統全頻段已經成為標準配置。在此類應用中，通常采用覆蓋四系統全頻段的參考站天線（基準站天線）作為系統的觀測天線。

1.2.2 測量測繪-內置測量天線
在測量測繪領域中，需要設計便于集成的內置測量天線，天線通常內置于RTK接收機的頂部，在測量測繪領域實現實時高精度定位。內置測量天線在設計中的主要考慮因素有頻段覆蓋、波束覆蓋、相位中心穩定性、天線尺寸等，特別是隨著網絡RTK的應用普及，集成了4G、藍牙、WiFi的全網通內置測量天線逐漸占據市場主要份額，自2016年一經推出就受到了廣大RTK接收機廠商的青睞，得到了廣泛的應用推廣。
1.2.3 駕考駕培、無人駕駛-外置測量天線
傳統的駕考系統存在諸多弊端，如投入成本大、運維費用高、受環境影響大、精度低等，高精度天線應用于駕考系統后，駕考系統由人工評判轉變為智能化評判，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發展迅速，在無人駕駛中，通常采用RTK高精度定位與慣導組合定位的定位技術，可以在大多數環境下實現很高的定位精度。在駕考駕培、無人駕駛等系統中，常采用的是外置測量天線形式，需要天線具備多系統多頻的工作頻段，能夠實現較高的定位精度，對多徑信號有一定的抑制能力，以及較好的環境適應性，能夠在戶外環境下長期使用而不發生故障。

1.2.4 無人機-高精度無人機天線
近年來無人機行業發展迅猛，無人機已經在農業植保、測量測繪、電力巡線等場景中廣泛應用，在此類場景中的應用，只有配備了高精度天線才能保證各種作業的準確、高效和安全。由于無人機具有速度快、載重輕、續航短等特點，無人機高精度天線在設計時主要關注重量、尺寸、功耗等因素，并且在保證重量和尺寸的前提下實現盡可能的寬帶設計。

2、GNSS天線國內外技術現狀

2.1 國外高精度天線技術現狀
國外對高精度天線的研究開始較早，并且也開發出了一系列性能較好的高精度天線產品，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新意義的天線形式。因此在過去很長一段時間內，我國的高精度天線市場都是出于被國外產品壟斷的地位。但是近十年來，隨著一大批國內廠商的興起，國外GNSS高精度天線在性能上已經基本沒有優勢，反而國內高精度廠商開始向國外開拓市場。此外國外近年來也發展起來一些新的GNSS天線廠商，如Maxtena，Tallysman等，其產品主要是用于無人機、車載等系統的小型GNSS天線，天線形式通常是高介電常數的微帶天線或者是四臂螺旋天線形式，在此類天線的設計技術上國外廠商已經沒有優勢，國內外產品正在進入同質化競爭時期。

2.2 國內高精度天線技術現狀
國內的高精度天線的產品化起步較晚，但是發展迅速，過去十年，有一批國內高精度天線廠商開始發展壯大，如華信天線、中海達、鼎耀、佳利電子等，開發出了一系列具有自主知識產權的高精度天線產品。如在基準站天線和內置測量天線領域，華信的3D扼流圈天線、全網通組合天線等，不僅性能達到國際領先水平，并且產品可靠性高，使用壽命長，故障率極低，可以滿足各種環境應用。而在車載、無人機等行業，外置測量天線和四臂螺旋天線的設計技術已經比較成熟，并且在駕考系統、無人駕駛、無人機等行業應用中已經大規模使用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

3、GNSS天線市場現狀與前景

2018年我國衛星導航與位置服務產業總產值達到3016億人民幣，較2017年增長18.3%[2]，2020年將達到4000億人民幣；2019年全球衛星導航市場總產值1500億歐元，GNSS終端用戶數量達到64億臺；在全球經濟形勢低迷的背景下，GNSS產業是少數逆勢上漲的產業之一。歐洲全球導航衛星系統局預測，未來十年全球衛星導航市場總產值將翻一番超過3000億歐元，GNSS終端數量將增加至95億臺。全球衛星導航市場中，應用于道路交通、無人機等領域的終端設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。隨著我國農業現代化進程的不斷發展，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增長。

4、GNSS高精度天線發展趨勢

GNSS高精度天線經過多年發展，各項技術已經比較成熟，但還有許多有待突破的方向：1、小型化：電子設備的小型化是永恒的發展趨勢，特別是在如無人機、手持機等應用中，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：GNSS天線抗多徑技術主要有扼流圈技術[3]、人工電磁材料技術[4][5]等，但是都有著尺寸大、帶寬窄、成本高等缺點，無法實現通用設計，因此需要研究具有小型化、寬帶化特點的抗多徑技術，滿足各種應用需求。3、多功能化：現如今各種設備上除了GNSS天線，還集成了不止一種通信天線，不同通信系統對GNSS天線可能產生各種信號干擾，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集成設計，在設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。

5、結束語

本文對GNSS高精度天線做了簡單介紹，重點闡述了其在不同行業的應用和國內外高精度天線的技術現狀，并對其市場狀況和發展趨勢進行了概述。隨著5G技術的普及，北斗+5G技術將進一步推動高精度定位技術越來越多領域的應用，高精度定位天線也將迎來更大的發展空間。

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