GNSS天线为何决定定位系统成败?

卫星导航信号到达地面时已极其微弱，却要在城市反射、车辆干扰、天气变化和高速运动中保持可用，这背后最先“接住”信号的就是GNSS天线。它既是系统精度的入口，也是抗干扰、防多路径、保持长时稳定性的第一道关口。无论是便携终端、农机自动驾驶、测绘级RTK，还是桥梁形变监测与连续运行参考站(CORS)，天线选不好，后端算法再强也无能为力。下面从工作机理、结构类型、性能指标、选型、安装、应用、故障排查到发展趋势多维展开，帮助在实际工程中做出高质量决策。

一、GNSS与天线的基本关系：从天空到接收机的第一跳

全球卫星导航系统(GNSS)包含多个星座：GPS、北斗、Galileo、GLONASS等。卫星在L波段(GNSS常用导航频段统称，实际各系统含多子频点)持续广播导航电文与扩频码信号。到达地面后功率低、信噪比有限，并叠加大气延迟、反射、遮挡等影响。GNSS天线负责把这些右旋圆极化(RHCP)为主的信号从空间波耦合到馈电结构，再送往放大与接收前端。天线的方向图、极化纯度、带宽、轴比、群时延一致性，都会在这一跳上留下“指纹”，直接传递到后续解算精度当中。

二、GNSS信号特性与天线设计要求

为在复杂环境中保持可用，GNSS天线需同时满足多项苛刻要求：

多频兼容：现代高精度定位依赖消电离层延迟、模糊度固定，多频接收已成主流，天线需覆盖L1/L2/L5或B1/B2/B3等组合频段。

宽带或多带结构：单一宽带或多谐振并存设计，以兼容多系统频率;需在有限尺寸中控制驻波比与辐射效率。

圆极化一致性：保持良好右旋圆极化，轴比较小，降低偏振失配;同时抑制左旋分量以削弱多路径。

方向图均匀：高精度应用希望高仰角到低仰角均衡增益，避免边缘过低导致卫星可见度下降。

低群时延畸变：群时延不一致会引入测码误差;测量级产品需严格控制。

抗电磁干扰：来自车载电子、通信发射、雷达、工业噪声等杂散辐射，需要滤波、屏蔽、接地设计。

三、主要GNSS天线结构类型及适用场景

1. 微带贴片天线(Patch)

以介质基板+金属贴片构成，体积小、成本可控、易于表面贴装或模块化封装。常见于车载导航、手持终端、智能设备。缺点是带宽有限，对地平面尺寸、安装金属环境较敏感;通过叠层、缝隙加载、偏馈方式可拓展频宽。

2. 螺旋天线(Helix)

金属螺旋线产生良好圆极化，立体结构在尺寸与带宽间取得平衡，方向图较饱满，对天线姿态变化容忍度高，被广泛用于无人机、航空航天、战术终端等动态场景。可通过四臂螺旋/双臂螺旋优化极化纯度。

3. 测量级天线(Choke Ring / 圆环槽 / 圆柱罩)

在高精度测绘与基准站中常见。下方多级阻流环(choke ring)结构或金属罩抑制来自地面反射的低仰角多路径，同时保证相位中心长期稳定。体积大、成本高，但在厘米至毫米级定位中仍是主力。

4. 有源天线(Active GNSS Antenna)

在辐射单元后级内置低噪声放大器(LNA)、带通滤波、供电寄生隔离网络，可显著提升系统噪声性能与馈线补偿能力。远距安装(如车顶到车载主机、塔杆到测控室)时尤为必要。

5. 多频合路模块天线

在有限天线罩内集成多谐振结构或合路网络，同时处理GPS L1/L2、北斗B1/B2/B3、Galileo E1/E5等信号;适合高精度定位、时频同步、行业终端。设计难点在互调、端口隔离与群时延匹配。

6. 嵌入式/FPC柔性天线

用于轻薄终端、可穿戴、工业物联网模组。要求机械柔性、与塑胶或复合材料外壳共设计;性能受装配公差影响大，需整机OTA评估。

四、关键性能指标与工程含义

1. 增益(dBi)

反映天线在特定方向的辐射/接收能力。GNSS重视全向仰角覆盖而非极高峰值;关注“天顶增益”“低仰角增益平滑度”。

2. 噪声系数与系统噪声温度

有源天线LNA噪声越低，整体接收灵敏度越高。长电缆传输场合需兼顾前端增益与线损。

3. 驻波比 / 回波损耗(VSWR / S11)

匹配越好，反射越低，信号利用率越高。多频天线往往在各频段折中设计。

4. 轴比(Axial Ratio)

衡量圆极化品质。低轴比意味着良好极化纯度，可减少多路径与交叉极化损失。

5. 相位中心偏差(PCO)与变化(PCV)

测量级与高精度RTK应用的核心指标。若相位中心随入射角变化显著，会直接转化为定位误差;需标定并在解算中补偿。

6. 群时延(Group Delay)一致性

多频组合定位要求不同频点信号的时间对齐;群时延差超过系统预算将影响电离层改正。

7. 多路径抑制参数

通常通过低仰角增益控制、金属阻流环、地平面设计、滤波和吸波材料综合实现。

8. 抗干扰/抗欺骗能力(J/S容限)

部分高端天线集成滤波、陷波或定向阵列，可提高对带外强干扰、欺骗信号的抑制。

五、选型思路：从应用目标倒推天线规格

工程实践中可按以下步骤缩小选择范围：

明确精度级别：导航级(米级)、差分级(分米)、RTK厘米级、静态基准站毫米级，对应不同天线档次。

确定频段组合：若需抗电离层、模糊度快速固定，至少双频;对未来兼容性要求高则选多系统多频。

平台限制：安装空间、重量、供电方式、环境防护等级、线缆路径。

动态特性：是否高速运动、是否姿态剧烈变化;动态应用优先选螺旋或低剖面高锁定天线。

多路径环境评估：城市峡谷、海上平台、山地林区?必要时升级到阻流环结构或加地平面扩展。

预算与生命周期：一次性项目可用中档产品，长期监测站应选高稳定、可溯源标定型号。

接口与电气参数：馈电电压(如3~5V直流馈电)、电流消耗、连接器类型(SMA、TNC、MMCX等)、滤波拓扑。

简化决策思路：精度>频段>安装>环境>预算，逐级筛选。

六、安装、布设与配套要点

即使选对天线，也常因安装不当使性能大幅缩水。以下经验在现场应用中尤为关键：

无遮挡视场：仰角≥10°范围内尽量无遮挡;建筑、树冠、雷达罩都会降低可见卫星数。

金属地平面设计：贴片天线往往需要足够金属参考面;地平面过小将改变谐振与方向图。

避开带干扰源设备：高功率无线电、开关电源、逆变器、车载雷达需保持距离或加屏蔽。

馈线管理：计算线损;>30m宜选低损耗电缆并用有源天线补偿;转角使用合规弯曲半径。

接地与防雷：室外固定站必须设避雷和浪涌抑制;直流馈电线路需过压保护。

防水防尘与UV老化：室外罩体选择耐候材料，密封圈定期检查;盐雾区需防腐蚀。

机械稳固性：高风区、振动区(船舶、工程机械)应采用加固支架、减振垫或低重心天线。

七、典型应用场景详解

1. RTK测绘与工程放样

双频或三频测量级天线配RTK基准站/移动站，实时获取厘米级坐标;相位中心稳定性和多路径抑制决定成果质量。基准端常用阻流环天线，移动端以轻量化多频天线为主。

2. 农机自动驾驶与精准耕作

为在大田环境实现平行作业、重耕复位，车顶安装双天线阵列或一主一辅结构，用于航向解算与厘米级导航。要求耐泥尘、抗震、全天候;线缆和防水接头很关键。

3. 无人机/UAV航测与姿态估计

体积与重量受限，常见螺旋或小型多频贴片;飞行时姿态变化大，需保证各方向信号一致性。航测载荷常与IMU、相机时间同步，对天线相位中心与机身坐标系标定要严谨。

4. 车载ADAS与车路协同

智能驾驶需要持续可靠定位;车顶或鲨鱼鳍组合天线内嵌GNSS、蜂窝、Wi-Fi、V2X模块。必须处理天线间隔离问题，避免互扰;车规级认证(温度、振动、EMC)不可忽视。

5. CORS/连续运行基准站

固定式高稳定天线，长周期监测地壳形变。需要毫米级稳定、可追溯标定文件、严格安装基座、周期性校准;数据用于差分改正服务与科学研究。

6. 地质灾害与基础设施监测

在滑坡、坝体、桥塔、矿山边坡布设GNSS测点，监测长期位移。天线需耐候、易供电、抗多路径;通常结合太阳能与远程数据采集。

7. 工业物联网与授时同步

电力、通信、金融交易网络需精确UTC授时;天线质量决定授时接收可靠性。多系统支持提高授时可用率;需重视雷击与防浪涌。