前言

卫星导航进入多星并存共享的GNSS时代，卫星导航系统是一种具有全能性、全天候、连续性和实时性的重要空时基础设施，提供高精度的导航、定位和授时服务，已成为社会运转体系不可或缺的一部分。以北斗为基础的中国新时空服务体系将逐步实现与新一代信息技术产业集群的联动发展。随着卫星导航产业化、市场化和国际化的快速发展，卫星导航定位终端接收机系统得到越来越广泛的应用，它的性能直接影响应用及产业化进程。卫星导航定位终端接收机系统包括接收机和天线。对接收机的研究已有较多的论文和专著，但专门论述卫星导航定位终端接收天线的专著却寥寥无几。天线是卫星导航定位终端接收机系统最前端的关键部件，以基础产品引领精准服务，关注和研究卫星导航定位终端接收天线系统具有特别的意义。

由于导航卫星采用了多星、高程伪随机码单程测距定位体制，对于GNSS终端接收天线来说，首先应该具有相当高的增益、足够的覆盖角域和频带宽度，满足至少能同时捕获和跟踪4颗导航卫星的信号的基本要求。近年来出现了各种各样的GPS/GNSS终端天线，力求满足各种不同类型的应用，它们中有小型的手持终端和智能手机中与通信融合的GNSS天线，也有抗干扰的各种自适应和数字波束阵列天线。这些天线的尺寸有的小至仅几毫米，也有用于检测GNSS信号质量的直径超大的反射面天线。有的用于精密定位和测绘，要求其定位精度达到厘米量级甚至毫米量级，其精度已成为最重要的考核因素。移动手持终端中的GNSS天线，其尺寸、成本、外观、易集成是考核的主要因素，天线性能与系统设计间有一个最优折中。近年来导航资源共享、共有，引入了新的导航码和新的频段，多模、多频兼容接收机应运而生，其天线除了要覆盖1.1～1.7 GHz导航频段内多个频点，还要保持对干扰信号的滤波抑制，对其增益、广角圆极化、方向图的前后比或下上比等关系，以及多径抑制性能的参数均有更高的要求。导航卫星终端接收机需要接收淹没在噪声中的非常微弱的信号，有源天线作为GNSS接收天线的一个分支，得到了越来越多的关注和应用。由于滤波器和LNA等器件集成在天线中，产生了一些诸如群延迟变化、相频特性、非线性和稳定性之类的新问题。对于高精度GNSS测量型天线来说，载体及其周围环境的影响已成为制约其应用的一个重要因素。除了传播效应和多径效应，天线相位中心及其变化以及群延迟变化等因素也可能会成为GNSS未来更高精度应用的限制因素。对于高精度应用，也可通过对天线的标校和改正模型来减少和消除上述不利影响，因此天线PCO/PCV的测量与标校及其改正模型的研究也是GNSS天线不可或缺的内容。GNSS天线普遍使用固定半球波束天线技术，除此之外，为了更好地抑制干扰，抵抗多径效应，其他形式的天线技术，如自适应阵列天线技术、自适应数字波束成形技术和空时滤波抗干扰技术等也是当前GNSS接收天线领域人们关注和研究的重点。微弱信号接收及导航战的需求，将抗干扰问题提到非常重要的位置。虽然接收机天线在空时域滤波抗干扰方面独有的功能是其他手段和途径难以替代的，但是自适应天线阵列对高精度GNSS接收机的测量精度要求也带来新问题。随着应用的升级，对于GNSS接收机已不拘泥于其精度和性能，而更关注复杂环境对其可用性、连续性、可靠性的影响。从应用角度来看，天线的小型化、轻量化、低功耗、低成本、高集成化、多功能已是人们对现代GNSS终端接收天线应用关注的重点。

多系统融合是导航发展的大趋势，当前导航与移动通信的融合，对导航终端天线提出了很多新要求，其技术面临巨大挑战。除与无线移动通信融合之外，声、光、电、机械的多重融合也在拓展导航定位的应用空间。万物互联，实现室内精准定位和短距离高速数据通信的技术是最具竞争力的技术，其中超宽带（UWB）脉冲天线是实现此技术的关键。

随着微电子技术、微波集成技术、计算机信号处理技术的发展，导航接收机变得小型化、集成化和多功能化。但是，天线的尺寸受工作频率限制，在小型化和高集成化的演进中，新的电磁材料的出现，弱化了尺寸与频率的严格依赖关系，为其小型化和轻量化发展创造了新的应用空间。

随着卫星导航应用的普及与深化，终端接收天线面临的林林总总的要求和挑战，需要人们改变设计理念，促进天线技术进步和革新，以更新的天线、更优的服务满足产业化和用户的需求。目前，许多天线工程师对天线研制还停留在仅对天线的指标或要求的关注上，比如，方向图、增益、极化和阻抗等。天线工程师一般不完全了解系统和用户需求，根据具体的天线指标设计天线产品，按指标要求完成验收。这种流程由于在设计中没有加入系统和应用的理念，往往使产品性能不如人所愿，特别是当需要从系统性能和用户需求改进天线时，或者当天线在系统中出现问题时，天线工程师很难表现出主动性，也就很难给出有效的解决问题的方法和措施。在现代天线工程中，天线是系统必不可分的一部分，它直接影响着系统性能和用户使用效果，在进行天线设计时，必须了解系统及其应用，并以此作为设计的重要依据。

在GNSS应用和产业化进程中，我国终端接收机天线技术有了很大的进步，市场覆盖面日益增加；但是，具有完全自主知识产权的创新型天线产品不多，在一些高端应用领域，国外产品主导的局面尚未完全改变。本书是一本有关GNSS终端接收机天线的工程技术专著，鉴于对需求和现实的考虑，本书不侧重基础理论的阐述，而是面对各种应用和服务，将天线与接收机作为GNSS终端接收系统来介绍。

全书分为基础篇、应用篇、抗干扰篇三篇，总计14章。其中，基础篇涉及卫星导航终端接收技术基础，阐述了空间定位、无线数字通信、微弱信号接收、天线相位中心（PCO/PCV），以及天线相频特性、天线多径效应和常规性能特性；应用篇以微带、螺旋和振子三类天线为主线介绍了具有半球固定波束的GNSS终端接收天线在车载/手持终端、通导融合、多频超宽带定位方面的设计与应用，以及GNSS终端接收天线的特殊测量技术；抗干扰篇从GNSS终端接收天线抗干扰角度阐述了自适应阵列天线的空间零对消技术、空时自适应抗干扰技术和数字多波束终端接收天线技术。

本书在总结GNSS终端接收天线的普遍性问题、关键技术、最新成果和发展趋势的基础上，力求将成果、技术进步和发展趋势融合起来，希望能给GNSS天线设计师、系统集成总师和用户在实际工作中提供参考和帮助，并可作为相关院校卫星导航和天线专业的教学参考书。

本书汇集了国内外在GNSS终端接收天线领域的一些典型设计和应用实例，包括叶云裳团队的研发成果和深圳市华信天线技术有限公司近10年的工程技术积累。本书由叶云裳、王晓辉编著，参加本书编写的还有张闯、周盛阳、尹小明、王章春、姚文杰、张捷，深圳市华信天线技术有限公司参与了本书的编写工作和校对工作。本书的编写工作得到了北京北斗星通导航技术股份有限公司的大力支持，得到电子工业出版社宋梅编审的指导和帮助。在此，向所有为本书的出版做出贡献的人们表示最衷心的感谢！

由于卫星导航技术及其应用的迅猛发展和编著者的知识局限性，书中难免有不妥之处，敬请读者提出宝贵意见。

编著者
2021年2月