高精度衛(wèi)星定位天線技術(shù)研究

俞江

一、研究的背景和意義

衛(wèi)星導(dǎo)航定位行業(yè)中所謂的高精度定位是與普通定位精度相比較而言的，普通的單點(diǎn)定位精度只能達(dá)到數(shù)米級(jí)的精度，而高精度定位精度卻能達(dá)到厘米級(jí)甚至是毫米級(jí)的極高精度。這基于衛(wèi)星測量測繪行業(yè)中廣泛使用一種叫做RTK（載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分法）的新技術(shù)。其技術(shù)原理就是，衛(wèi)星接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)還通過自身的無線電傳輸設(shè)備接收來自于地面標(biāo)準(zhǔn)站（CORS站）的衛(wèi)星參數(shù)觀測數(shù)據(jù)信號(hào)，兩者在接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行差分運(yùn)算，便能消除大部分觀測誤差從而得到測量點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，正是由于其具有的高精度和便捷使用的特性，RTK技術(shù)在大地測量、工程測量、橋梁大壩變形監(jiān)測、數(shù)字化施工、山體滑坡監(jiān)測等領(lǐng)域獲得了極廣泛的應(yīng)用。

除實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)高精度定位外，還可以利用兩個(gè)同樣的天線組成短基線測向系統(tǒng)來達(dá)到測姿測向的目的，衛(wèi)星測向系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測量載體的航向角，因而也有著廣泛的使用場景，比如典型的民用應(yīng)用場景是智能駕考系統(tǒng)，每輛考試車安裝兩個(gè)高精度GNSS測量天線組成測姿測向系統(tǒng)，每年全國駕考系統(tǒng)就需要十幾萬套這樣的天線，此外還可以應(yīng)用在汽車智能駕駛領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域也有用武之地，例如單兵背負(fù)式測向系統(tǒng)，火炮車輛指向系統(tǒng)等都需要這樣的高精度衛(wèi)星測向系統(tǒng)。

二、RKT技術(shù)對(duì)天線的要求

RTK技術(shù)對(duì)接收天線的性能指標(biāo)提出了更高的要求，其中最為重要兩個(gè)是天線的相位中心和抗多徑干擾特性，這構(gòu)成了高精度測量天線的關(guān)鍵特性。天線相位中心的變化是高精度衛(wèi)星測量系統(tǒng)中的顯著誤差源，一般行業(yè)要求該指標(biāo)小于2毫米。為了保證天線具有穩(wěn)定的相位中心，一般測量型天線都采用多點(diǎn)饋電方式，并且為了提高抗多徑干擾特性在天線背面增加抑制電流分布的扼流圈裝置，使天線體積、重量都隨之增大，這類天線一般應(yīng)用在諸如水庫大壩變形監(jiān)測、山體滑坡監(jiān)測、RTK標(biāo)準(zhǔn)站等對(duì)天線尺寸重量要求不高的場合。而在大部分車載應(yīng)用場合，則要求天線體積小、重量輕，能方便地安裝于車輛上。這樣，笨重的扼流圈結(jié)構(gòu)天線就不適用了，必須考慮其他設(shè)計(jì)方案以減小多徑效應(yīng)對(duì)測量精度的影響。

同時(shí)為了提高測量精度和系統(tǒng)的可靠性，要求天線盡可能多的接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，所以要求天線盡可能工作在多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多個(gè)頻點(diǎn)上，本項(xiàng)目研發(fā)的天線能完全覆蓋目前全球已有的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（我國北斗、美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟的伽利略系統(tǒng)），工作頻點(diǎn)最多可達(dá)8個(gè)（GPS L1/L2，BDS B1/B2/B3，GLONASS L1/L2，GALILEO E5）。

三、主要技術(shù)指標(biāo)

四、技術(shù)原理與設(shè)計(jì)方法

4.1 多頻共用技術(shù)

如圖（1）所示，高精度測量型天線由無源天線和低噪聲放大器兩部分組成，無源天線采用圓形微帶貼片的結(jié)構(gòu)形式，低噪聲放大器置于金屬屏蔽罩內(nèi)，屏蔽罩的作用一是保護(hù)低噪聲放大電路免受外部自然環(huán)境條件影響，二是屏蔽外界其他信號(hào)的干擾，確保低噪聲放大電路穩(wěn)定的工作。

由于微帶天線的工作帶寬不是很寬，這是微帶天線的固有特性，所以單層的微帶天線無法覆蓋包括四個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的所有頻點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中分為兩個(gè)天線分層上下布局方案，分別覆蓋高頻和低頻兩個(gè)頻段，每一層對(duì)應(yīng)于一個(gè)連續(xù)的頻段，該連續(xù)的頻段分別覆蓋不同的衛(wèi)星導(dǎo)航頻點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，上層工作于較高的頻段，覆蓋了BDS B1/GPS L1/GLONASS L1三個(gè)導(dǎo)航頻點(diǎn)，下層工作于較低的頻段，覆蓋了BDS B2/GPS L2/GLONASS L2/GPS L5/GALIEO E5 5個(gè)導(dǎo)航頻點(diǎn)。饋電方式采用背饋，上下兩層天線均采用四饋點(diǎn)饋電技術(shù)，四個(gè)探針穿過底層貼片過孔，對(duì)上層貼片進(jìn)行饋電，另四個(gè)帶帽容性探針對(duì)底層貼片進(jìn)行饋電。通過在兩貼片的中心加一短路針來縮減天線的尺寸，短路針和同軸探針之間形成強(qiáng)耦合等效于加載一個(gè)電容，使得天線在低于諧振頻率位置達(dá)到阻抗匹配，從而縮減天線的尺寸。右旋圓極化通過饋電網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，饋電點(diǎn)信號(hào)相位按照順時(shí)針依次相差90°。這種多點(diǎn)均勻饋電的技術(shù)確保了天線單元在工作頻帶內(nèi)具有良好的阻抗帶寬及軸比特性，同時(shí)相位中心更加穩(wěn)定。

4.2 天線相位中心及校準(zhǔn)技術(shù)

精確的測量天線的相位中心以及其隨空間角度的變化，是高精度定位天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，在本設(shè)計(jì)中采用了微波暗室天線輻射相位直接測量法，利用微波暗室對(duì)外來信號(hào)的屏蔽性能和對(duì)暗室內(nèi)反射信號(hào)的吸收特性，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的幅度/相位同時(shí)分析的特性，建成一套天線相位方向圖高精度測量系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能夠精確的測量和標(biāo)定天線的相位中心位置及隨不同俯仰角的變化數(shù)據(jù)。

4.3 抗多徑干擾技術(shù)

導(dǎo)航接收機(jī)終端天線工作環(huán)境復(fù)雜多變，天線在接收衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)的同時(shí)也會(huì)接收到來自周圍建筑物、樹木等反射的衛(wèi)星信號(hào)，這些信號(hào)稱之為多徑信號(hào)，多徑效應(yīng)是影響衛(wèi)星導(dǎo)航測距精度的顯著誤差源之一，它不僅會(huì)使調(diào)制到載波上的偽碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)失真，而且會(huì)使載波相位發(fā)生畸變，最壞的情況下，會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)跟蹤環(huán)失鎖。由于不同環(huán)境下的多徑信號(hào)一般不相關(guān)，很難通過差分技術(shù)將其消除，對(duì)不同接收機(jī)天線所處的不同環(huán)境進(jìn)行建模也是不可行的，因此只能采用多徑抑制技術(shù)才能減少多徑對(duì)接收機(jī)精度的影響。

4.4 高性能射頻前端技術(shù)

對(duì)射頻前端的技術(shù)攻關(guān)要求就是高增益，低噪聲系數(shù)，強(qiáng)抗干擾能力，該LNA模塊的指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度有直接的影響。此外還需要兼容所有導(dǎo)航系統(tǒng)頻段，電路抗干擾能力強(qiáng)。

電路架構(gòu)設(shè)計(jì)：在GNSS接收機(jī)中，低噪聲放大器單元（LNA）單元是不可缺少的重要組成部分，對(duì)接收機(jī)的靈敏度具有決定性的影響。LNA位于接收機(jī)前端主要部分，用于將天線接收到的微弱衛(wèi)星信號(hào)低噪聲放大。信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大、濾波處理后送入BD接收機(jī)處理。

LNA的信號(hào)直接來源于天線，微帶天線接收到得衛(wèi)星信號(hào)功率極其微弱（一般小于-130dBm），深埋于環(huán)境熱噪聲（-110dBm）中，所以用于放大信號(hào)的LNA性能尤為重要，重點(diǎn)在于低噪聲、高增益、線性度良好以及與天線之間匹配。在電路設(shè)計(jì)中遵循以下原則：

① 在優(yōu)先滿足噪聲小的前提下，提高電路增益，即根據(jù)輸入等增益圓、等噪聲系數(shù)圓，選取合適的rs，作為輸入匹配電路設(shè)計(jì)依據(jù)。

② 輸出匹配電路設(shè)計(jì)以提高放大器增益為主。

③ 滿足穩(wěn)定性條件。

由于無源天線分成兩路輸出，相應(yīng)的低噪聲放大器也分成兩路，通過前置濾波器，對(duì)帶外信號(hào)抑制，再由第一級(jí)低噪聲放大器，然后采用兩個(gè)濾波器組成雙頻合路器，合成一路放大輸出。

為了有效降低噪聲系數(shù)以提高系統(tǒng)靈敏度，采用三級(jí)低噪聲放大器級(jí)聯(lián)的方式在降低噪聲系數(shù)的同時(shí)提高了有源電路的增益，減小了后續(xù)無源電路對(duì)噪聲系數(shù)的影響，同時(shí)高抑制濾波器可以有效地抑制帶外干擾和噪聲。

3.5 可靠性設(shè)計(jì)

產(chǎn)品溫度范圍要求高，即使在嚴(yán)苛的自然環(huán)境（-45?C～85?C）中亦能正常使用，室外使用的天線防水等級(jí)達(dá)到IP67，同時(shí)要滿足嚴(yán)苛的跌落試驗(yàn)要求（產(chǎn)品在3米高度自由跌落到地面無損壞，保證正常使用）。

五、主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

該項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)主要在于：

（1）多饋電點(diǎn)設(shè)計(jì)：高精度測量型天線的饋電方式直接影響到相位中心穩(wěn)定性，是這類天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，本系列高精度天線的設(shè)計(jì)中采用了四饋點(diǎn)饋電的設(shè)計(jì)方案和完全對(duì)稱的天線結(jié)構(gòu)，確保了相位中心與幾何中心的重合，提高了相位中心精度，降低了天線對(duì)測量誤差的影響。

（2）多頻段共用設(shè)計(jì)：多頻段共用，單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少，衛(wèi)星少導(dǎo)致信號(hào)在空間的覆蓋范圍有限，由此可知單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位精度將降低，因此多星座（多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）聯(lián)合導(dǎo)航得到了廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的天線覆蓋了全球GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的四個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的8個(gè)頻點(diǎn)，可以達(dá)到較高和更可靠地導(dǎo)航定位精度。

（3）新材料新工藝的設(shè)計(jì)：隨著天線覆蓋頻段的增加，天線板的厚度也隨之增加，這對(duì)傳統(tǒng)天線高頻板材料的加工提出了越來越高的要求，同時(shí)這些要求意味成本的抬升和效率的降低。本系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中創(chuàng)新地采用了新型板材和新的加工工藝：由原始塑料粉料壓鑄成型，再由CNC精密加工邊緣和定位孔，然后采用先進(jìn)的塑料電鍍工藝將所需的金屬涂層電鍍成型。這種新材料和新工藝在高精度全頻測量型天線中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性得到極大的提升，同時(shí)降低了制造成本，提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。

（作者單位：深圳市鼎耀科技有限公司）