GNSS-Antennen spielen eine zentrale Rolle in satellitengestützten Positionierungssystemen, da sie als primäre Schnittstelle zwischen einem GNSS-Empfänger und der Konstellation von Navigationssatelliten dienen, die die Erde umkreisen. Diese Antennen erfassen schwache Funksignale, die von GNSS-Satelliten—wie GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou—ausgesendet werden, und leiten sie zur Verarbeitung an den Empfänger weiter. Ohne eine hochwertige GNSS-Antenne kann selbst das fortschrittlichste Navigationssystem nicht effektiv funktionieren. Die Leistung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positionsdaten hängen stark von der Qualität und den Eigenschaften der Antenne ab, was sie zu einer wichtigen Komponente in einer Vielzahl von Anwendungen macht, von der Luftfahrt und Landwirtschaft bis hin zur Vermessung und Verteidigung.
Eine GNSS-Antenne muss Signale erkennen, die von mehreren Satelliten aus verschiedenen Teilen des Himmels eintreffen. Diese Signale werden im L-Band-Frequenzbereich gesendet und erreichen die Erde mit sehr geringer Leistung, typischerweise um die -130 dBm. Aufgrund der Schwäche dieser Signale benötigen GNSS-Antennen eine hohe Empfindlichkeit, ein geringes Rauschen und eine präzise Filterung, um einen sauberen Signalempfang zu gewährleisten. Jede Verzerrung oder jeder Verlust in diesem Stadium wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der Positions- und Zeitlösung aus.
Es gibt mehrere Schlüsselfunktionen, die die Leistung einer GNSS-Antenne bestimmen. Erstens muss sie die gewünschten Satellitenkonstellationen und Frequenzbänder unterstützen. Dualfrequenzantennen empfangen Signale von L1- und L2- oder L1- und L5-Bändern, je nach Systemdesign. Die Unterstützung mehrerer Konstellationen ermöglicht es der Antenne, mehr Satelliten zu verfolgen. Dies verbessert die Signalverfügbarkeit und reduziert Positionsfehler in städtischen Schluchten und Wäldern.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Phasenmittenstabilität. Die Phasenmitte ist der Punkt innerhalb der Antenne, an dem die Signale ihren Ursprung zu haben scheinen. In hochpräzisen Anwendungen wie der geodätischen Vermessung oder Referenzstationen können selbst kleine Schwankungen in der Phasenmitte zu erheblichen Positionsfehlern führen. Eine hochwertige GNSS-Antenne behält eine stabile Phasenmitte über alle Frequenzen und Ankunftswinkel hinweg bei und gewährleistet so konsistente und zuverlässige Messungen über die Zeit.
Verstärkung und Strahlungsdiagramm
Antennengewinn und Strahlungsmuster spielen ebenfalls eine wichtige Rolle für die Leistung. Die Antenne muss über den gesamten Himmel einen ausreichenden Gewinn liefern, insbesondere bei niedrigen Elevationswinkeln, wo Signale längere Wege durch die Atmosphäre zurücklegen und stärker gedämpft werden. Eine ideale GNSS-Antenne hat ein omnidirektionales, halbkugelförmiges Muster, das einen gleichmäßigen Signalempfang von Satelliten über die gesamte Himmelskuppel gewährleistet. Sie umfasst auch eine integrierte Filterung und rauscharmverstärkung, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, bevor die Daten den Empfänger erreichen.
GNSS-Antennen müssen auch unerwünschte Signale wie Mehrwegeausbreitung und Hochfrequenzstörungen (RFI) unterdrücken. Mehrwegeausbreitung tritt auf, wenn GNSS-Signale von Oberflächen wie Gebäuden, Fahrzeugen oder Wasser reflektiert werden, bevor sie die Antenne erreichen. Diese Reflexionen erzeugen Signalverzögerungen und Verzerrungen, die die Positionsgenauigkeit verringern. Fortschrittliche Antennendesigns verwenden Erdungsebenen, Drosselringe oder Signalverarbeitungstechniken, um Mehrwegeeffekte zu unterdrücken. Darüber hinaus enthalten viele Antennen schmalbandige Filter und rauscharmverstärker (LNAs), um sich vor RFI von nahegelegenen Sendern zu schützen und eine saubere und zuverlässige Signalerfassung zu gewährleisten.
GNSS-Antennen und ihre Anwendungen
Verschiedene GNSS-Anwendungen erfordern unterschiedliche Arten von Antennen. Vermessungs- und Kartierungsexperten verwenden häufig hochpräzise geodätische Antennen mit Drosselringen oder Multibandfunktionen, um eine Genauigkeit im Zentimeterbereich zu erzielen. Diese Antennen werden typischerweise auf Stativen oder festen Stationen montiert und verfügen über eine robuste Abschirmung, um Mehrwegeausbreitung zu eliminieren. Im Gegensatz dazu priorisieren Automobil- und UAV-Anwendungen Größe, Gewicht und Energieeffizienz. Diese Plattformen verwenden kompakte Patch- oder Helixantennen, die ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Formfaktor bieten. Marine- und Luftfahrtumgebungen erfordern robuste Antennen, die Vibrationen, Feuchtigkeit und extremen Temperaturen standhalten und häufig extern an Schiffen oder Flugzeugen montiert werden.
In Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtanwendungen müssen GNSS-Antennen in anspruchsvollen und umkämpften Umgebungen betrieben werden. Antennen in Militärqualität verfügen häufig über Anti-Jamming- oder Anti-Spoofing-Funktionen, wie z. B. Controlled Reception Pattern Antennas (CRPAs), die Nullstellen in Richtung von Störquellen lenken können. Diese fortschrittlichen Antennen tragen dazu bei, eine ununterbrochene Positionierung und Zeitmessung auch in feindlichen Umgebungen zu gewährleisten.
Installation und Platzierung wirken sich ebenfalls auf die Antennenleistung aus. Für beste Ergebnisse sollte die Antenne eine freie Sicht auf den Himmel haben, frei von Hindernissen, die Signale blockieren oder reflektieren könnten. Bei mobilen Plattformen müssen auch Schwingungsisolierung, sichere Montage und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) berücksichtigt werden, um eine Verschlechterung der Leistung zu verhindern. Kabellänge und Steckerqualität können sich ebenfalls auf die Signalintegrität auswirken, daher sind eine ordnungsgemäße Auswahl und Wartung unerlässlich.
Mit der Weiterentwicklung der GNSS-Technologie entwickeln sich auch die Fähigkeiten der Antennen weiter. Neue Signale wie Galileo E5 und GPS L5 haben den von modernen Antennen unterstützten Frequenzbereich erweitert. Diese Antennen bieten jetzt eine bessere Signalisolation. Die steigende Nachfrage nach RTK, PPP und GNSS+INS-Fusion erhöht den Bedarf an Antennengenauigkeit. Benutzer erwarten heute eine höhere Konsistenz und Genauigkeit von GNSS-Antennen.