高精度卫星定位天线技术研究
俞江
一、研究的背景和意义
卫星导航定位行业中所谓的高精度定位是与普通定位精度相比较而言的，普通的单点定位精度只能达到数米级的精度，而高精度定位精度却能达到厘米级甚至是毫米级的极高精度。这基于卫星测量测绘行业中广泛使用一种叫做RTK（载波相位动态实时差分法）的新技术。其技术原理就是，卫星接收机在接收卫星信号的同时还通过自身的无线电传输设备接收来自于地面标准站（CORS站）的卫星参数观测数据信号，两者在接收机内进行差分运算，便能消除大部分观测误差从而得到测量点的高精度三维坐标数据，正是由于其具有的高精度和便捷使用的特性，RTK技术在大地测量、工程测量、桥梁大坝变形监测、数字化施工、山体滑坡监测等领域获得了极广泛的应用。
除实现单点高精度定位外，还可以利用两个同样的天线组成短基线测向系统来达到测姿测向的目的，卫星测向系统能够实时测量载体的航向角，因而也有着广泛的使用场景，比如典型的民用应用场景是智能驾考系统，每辆考试车安装两个高精度GNSS测量天线组成测姿测向系统，每年全国驾考系统就需要十几万套这样的天线，此外还可以应用在汽车智能驾驶领域。在军事领域也有用武之地，例如单兵背负式测向系统，火炮车辆指向系统等都需要这样的高精度卫星测向系统。
二、RKT技术对天线的要求
RTK技术对接收天线的性能指标提出了更高的要求，其中最为重要两个是天线的相位中心和抗多径干扰特性，这构成了高精度测量天线的关键特性。天线相位中心的变化是高精度卫星测量系统中的显著误差源，一般行业要求该指标小于2毫米。为了保证天线具有稳定的相位中心，一般测量型天线都采用多点馈电方式，并且为了提高抗多径干扰特性在天线背面增加抑制电流分布的扼流圈装置，使天线体积、重量都随之增大，这类天线一般应用在诸如水库大坝变形监测、山体滑坡监测、RTK标准站等对天线尺寸重量要求不高的场合。而在大部分车载应用场合，则要求天线体积小、重量轻，能方便地安装于车辆上。这样，笨重的扼流圈结构天线就不适用了，必须考虑其他设计方案以减小多径效应对测量精度的影响。
同时为了提高测量精度和系统的可靠性，要求天线尽可能多的接收导航卫星信号，所以要求天线尽可能工作在多个卫星导航系统的多个频点上，本项目研发的天线能完全覆盖目前全球已有的四大卫星导航系统（我国北斗、美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟的伽利略系统），工作频点最多可达8个（GPS L1/L2，BDS B1/B2/B3，GLONASS L1/L2，GALILEO E5）。
三、主要技术指标
四、技术原理与设计方法
4.1 多频共用技术
如图（1）所示，高精度测量型天线由无源天线和低噪声放大器两部分组成，无源天线采用圆形微带贴片的结构形式，低噪声放大器置于金屬屏蔽罩内，屏蔽罩的作用一是保护低噪声放大电路免受外部自然环境条件影响，二是屏蔽外界其他信号的干扰，确保低噪声放大电路稳定的工作。
由于微带天线的工作带宽不是很宽，这是微带天线的固有特性，所以单层的微带天线无法覆盖包括四个卫星导航系统的所有频点，本设计中分为两个天线分层上下布局方案，分别覆盖高频和低频两个频段，每一层对应于一个连续的频段，该连续的频段分别覆盖不同的卫星导航频点。本设计中，上层工作于较高的频段，覆盖了BDS B1/GPS L1/GLONASS L1三个导航频点，下层工作于较低的频段，覆盖了BDS B2/GPS L2/GLONASS L2/GPS L5/GALIEO E5 5个导航频点。馈电方式采用背馈，上下两层天线均采用四馈点馈电技术，四个探针穿过底层贴片过孔，对上层贴片进行馈电，另四个带帽容性探针对底层贴片进行馈电。通过在两贴片的中心加一短路针来缩减天线的尺寸，短路针和同轴探针之间形成强耦合等效于加载一个电容，使得天线在低于谐振频率位置达到阻抗匹配，从而缩减天线的尺寸。右旋圆极化通过馈电网络来实现，馈电点信号相位按照顺时针依次相差90°。这种多点均匀馈电的技术确保了天线单元在工作频带内具有良好的阻抗带宽及轴比特性，同时相位中心更加稳定。
4.2 天线相位中心及校准技术
精确的测量天线的相位中心以及其随空间角度的变化，是高精度定位天线设计中的关键技术，在本设计中采用了微波暗室天线辐射相位直接测量法，利用微波暗室对外来信号的屏蔽性能和对暗室内反射信号的吸收特性，利用矢量网络分析仪的幅度/相位同时分析的特性，建成一套天线相位方向图高精度测量系统，这套系统能够精确的测量和标定天线的相位中心位置及随不同俯仰角的变化数据。
4.3 抗多径干扰技术
导航接收机终端天线工作环境复杂多变，天线在接收卫星直达信号的同时也会接收到来自周围建筑物、树木等反射的卫星信号，这些信号称之为多径信号，多径效应是影响卫星导航测距精度的显著误差源之一，它不仅会使调制到载波上的伪码和导航数据失真，而且会使载波相位发生畸变，最坏的情况下，会导致接收机跟踪环失锁。由于不同环境下的多径信号一般不相关，很难通过差分技术将其消除，对不同接收机天线所处的不同环境进行建模也是不可行的，因此只能采用多径抑制技术才能减少多径对接收机精度的影响。
4.4 高性能射频前端技术
对射频前端的技术攻关要求就是高增益，低噪声系数，强抗干扰能力，该LNA模块的指标对系统的接收灵敏度有直接的影响。此外还需要兼容所有导航系统频段，电路抗干扰能力强。
电路架构设计：在GNSS接收机中，低噪声放大器单元（LNA）单元是不可缺少的重要组成部分，对接收机的灵敏度具有决定性的影响。LNA位于接收机前端主要部分，用于将天线接收到的微弱卫星信号低噪声放大。信号经过低噪声放大、滤波处理后送入BD接收机处理。
LNA的信号直接来源于天线，微带天线接收到得卫星信号功率极其微弱（一般小于-130dBm），深埋于环境热噪声（-110dBm）中，所以用于放大信号的LNA性能尤为重要，重点在于低噪声、高增益、线性度良好以及与天线之间匹配。在电路设计中遵循以下原则：
① 在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益，即根据输入等增益圆、等噪声系数圆，选取合适的rs，作为输入匹配电路设计依据。
② 输出匹配电路设计以提高放大器增益为主。
③ 满足稳定性条件。
由于无源天线分成两路输出，相应的低噪声放大器也分成两路，通过前置滤波器，对带外信号抑制，再由第一级低噪声放大器，然后采用两个滤波器组成双频合路器，合成一路放大输出。
为了有效降低噪声系数以提高系统灵敏度，采用三级低噪声放大器级联的方式在降低噪声系数的同时提高了有源电路的增益，减小了后续无源电路对噪声系数的影响，同时高抑制滤波器可以有效地抑制带外干扰和噪声。
3.5 可靠性设计
产品温度范围要求高，即使在严苛的自然环境（-45?C～85?C）中亦能正常使用，室外使用的天线防水等级达到IP67，同时要满足严苛的跌落试验要求（产品在3米高度自由跌落到地面无损坏，保证正常使用）。
五、主要技术创新点
该项目创新点主要在于：
（1）多饋电点设计：高精度测量型天线的馈电方式直接影响到相位中心稳定性，是这类天线设计中的关键因素，本系列高精度天线的设计中采用了四馈点馈电的设计方案和完全对称的天线结构，确保了相位中心与几何中心的重合，提高了相位中心精度，降低了天线对测量误差的影响。
（2）多频段共用设计：多频段共用，单一的卫星导航系统卫星数目较少，卫星少导致信号在空间的覆盖范围有限，由此可知单一的卫星导航系统提供的定位精度将降低，因此多星座（多个卫星导航系统）联合导航得到了广泛应用。本设计中的天线覆盖了全球GNSS导航卫星系统的四个卫星系统的8个频点，可以达到较高和更可靠地导航定位精度。
（3）新材料新工艺的设计：随着天线覆盖频段的增加，天线板的厚度也随之增加，这对传统天线高频板材料的加工提出了越来越高的要求，同时这些要求意味成本的抬升和效率的降低。本系列产品的设计中创新地采用了新型板材和新的加工工艺：由原始塑料粉料压铸成型，再由CNC精密加工边缘和定位孔，然后采用先进的塑料电镀工艺将所需的金属涂层电镀成型。这种新材料和新工艺在高精度全频测量型天线中得到了广泛应用，产品质量和可靠性得到极大的提升，同时降低了制造成本，提高了产品的性价比。
（作者单位：深圳市鼎耀科技有限公司）
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