●文｜中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所　劉思楊

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智能終端北斗定位技術(shù)、標準及產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況

●文｜中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所劉思楊

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，是我國重大空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，也是我國國民經(jīng)濟穩(wěn)定安全運行的重要保障。2015年3月30日，首顆新一代北斗導航衛(wèi)星成功發(fā)射，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由區(qū)域運行向全球拓展啟動實施。隨著北斗區(qū)域系統(tǒng)全面商用，北斗全球系統(tǒng)啟動實施，推動北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化、市場化、規(guī)模化應用進入關(guān)鍵階段。目前，各個導航市場，無論是行業(yè)市場還是大眾市場，智能終端是最重要的衛(wèi)星導航應用設(shè)備，無論是出貨量還是收入水平，智能終端設(shè)備，包括智能手機和平板終端都是最大的，分別占80%和90%。

一、智能終端應用對于推動北斗產(chǎn)業(yè)的重要意義

1.智能終端北斗定位具備十分廣闊的市場前景

以智能手機、平板電腦等移動終端為載體的位置服務(wù)（LBS）市場已成為最主要的衛(wèi)星導航定位市場。根據(jù)美國市場研究公司IDC的數(shù)據(jù)，2014年全年手機出貨量達到18.7億部，其中，智能手機出貨量達到12.68億部，占全球手機總出貨量的67.8%。由于衛(wèi)星導航定位已成為智能手機的基本和標準配置，因此具備衛(wèi)星導航定位功能手機的滲透率也在迅猛增長。根據(jù)歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）統(tǒng)計，2015年，具備衛(wèi)星導航定位功能的手機出貨量將接近15億部；同時預測，在2013 - 2023年，以智能手機、平板等移動終端為代表的衛(wèi)星導航定位LBS市場累積收入則將占到全球衛(wèi)星導航定位市場收入的53.2%。如圖1、圖2所示。

2.北斗在智能終端的推廣應用將從技術(shù)、芯片、應用、市場競爭力等各方面有力推動北斗導航產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級

從技術(shù)角度，智能手機北斗定位需在低成本器件、強干擾環(huán)境、非理想設(shè)計的限制下，保證快速高效定位并適應各種應用場景，同時還需與其他定位方案有效結(jié)合。從芯片角度，智能手機北斗定位芯片的工藝制程高（目前至少需40nm或更優(yōu)）、集成度高（目前至少需與WiFi、藍牙、FM集成為同一個連接芯片）、功耗要求高，同時需與主控芯片、蜂窩通信芯片、連接芯片、傳感芯片緊密配合。從應用角度，智能手機北斗定位需有效融合北斗導航、移動通信、地理信息以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，做到云、管、端相結(jié)合，開展特色應用，才有競爭力。從市場競爭力角度，雖然智能手機北斗定位市場容量大，但是無保護性門檻、競爭異常激烈，市場獲取難度非常高，需有效控制成本，并具備終端一體化解決方案提供能力。

圖1　2013-2023年全球各類衛(wèi)星導航設(shè)備出貨量統(tǒng)計及預估（數(shù)據(jù)來源：GSA）

圖2　2013-2023年全球各類衛(wèi)星導航設(shè)備累計收入預估（數(shù)據(jù)來源：GSA）

3.我國高度重視北斗定位在智能終端中的推廣應用

在《國務(wù)院關(guān)于促進信息消費擴大內(nèi)需的若干意見》中，明確提出“加快推動北斗導航核心技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，推動北斗導航與移動通信、地理信息、衛(wèi)星遙感、移動互聯(lián)網(wǎng)等融合發(fā)展，支持位置信息服務(wù)市場拓展”。在國務(wù)院發(fā)布的《國家衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中，也明確“重點推動衛(wèi)星導航功能成為車載導航和智能手機終端的標準配置，促進其在社會服務(wù)、旅游出行、弱勢群體關(guān)愛、智慧城市等方面的多元化應用，推動大眾應用規(guī)?；l(fā)展”。

二、智能終端定位技術(shù)發(fā)展趨勢

1.智能終端定位難度大

相比于專用的衛(wèi)星定位接收機，智能終端由于以下因素的限制，其衛(wèi)星定位難度要更大。

（1）天線部分

1）低成本天線：由于手機成本、面積大小的限制，手機終端所使用的導航天線的性能一般比其他終端的導航天線要差。

2）極化的非理想性：手機通用的平板倒置F天線（PIFA）為線極化，而導航信號一般是圓極化。

3）天線的指向性：PIFA天線一般具有一定的指向性，可能影響導航信號的接收。

4）天線的放置位置：在手機終端天線設(shè)計中，導航天線可能不得不放置于手機的底部，或者放置的位置會被用戶的手部分或全部遮擋，從而影響導航信號的接收。

（2）射頻單元

手機終端的定位射頻單元經(jīng)常面臨其他強信號無線系統(tǒng)（如2G/3G/4G、WLAN、BT、FM）的發(fā)射干擾。

（3）晶振

手機終端的晶振出于成本的考慮，其性能一般也差于其他終端的衛(wèi)星定位接收機。

（4）基帶處理

手機終端的定位場景多位于城市地區(qū)，基帶處理算法需要考慮多徑信號的影響并能有效處理微弱信號，同時，基礎(chǔ)處理還需盡最大可能的提高定位的速度和精度，減小功耗，提升用戶體驗。

2.智能終端衛(wèi)星定位增強技術(shù)

為了提高手機終端的衛(wèi)星定位能力，滿足用戶需求，業(yè)界提出了多種衛(wèi)星定位增強技術(shù)和衛(wèi)星定位補充技術(shù)。

（1）網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星導航定位

網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星導航定位（A-GNSS）結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站信息和導航衛(wèi)星信息對終端進行定位，蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站根據(jù)終端的位置，發(fā)送導航衛(wèi)星系統(tǒng)的輔助信息，終端根據(jù)此輔助信息快速搜索到導航衛(wèi)星，加速定位過程。由于A-GNSS利用了輔助信息，在城市等衛(wèi)星信號不穩(wěn)定、可見衛(wèi)星相對較少的環(huán)境，大大減少了定位所需的時間，帶來了良好的用戶體驗。A-GNSS技術(shù)已成為智能手機的標準應用技術(shù)，目前的智能手機均支持GPS和網(wǎng)絡(luò)輔助GPS （A-GPS）。國際產(chǎn)業(yè)鏈巨頭也各自建設(shè)了A-GPS定位平臺，用于為終端提供更好的定位服務(wù)，包括運營商（如AT&T、Verizon、德國電信）、終端廠商（如微軟/諾基亞）、芯片廠商（如高通、博通、CSR）、終端操作系統(tǒng)廠商（如谷歌）、定位方案廠商（如RxNetworks、TruePosition）等。

（2）多星座衛(wèi)星定位

定位接收機使用的直視徑（LOS）衛(wèi)星數(shù)直接影響定位的精度，多半情況下， 非LOS導航信號不利于接收機的精度。然而，某些環(huán)境下，如城市峽谷地區(qū)，在不能得到足夠多的LOS衛(wèi)星信號時，導航接收機將不得不使用非LOS衛(wèi)星信號。多導航星座聯(lián)合定位將顯著增加可見衛(wèi)星數(shù)，提高定位精度。

（3）室內(nèi)定位

室內(nèi)定位成為研究熱點，各種新型定位方案不斷涌現(xiàn)，如：WiFi定位、藍牙定位、RFID定位、甚至LED定位、地磁定位等。各大公司也紛紛布局室內(nèi)定位，搶占產(chǎn)業(yè)制高點。為推進室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展進程，2012年8月，諾基亞、三星、索尼及高通等二十多家公司成立了室內(nèi)定位聯(lián)盟，該聯(lián)盟致力于以WiFi及藍牙信號為基礎(chǔ)來提供室內(nèi)定位解決方案。2012年11月，高通和思科宣布將基于兩者的WiFi平臺，提供更優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)定位方案。2013年3月，蘋果收購了WiFi室內(nèi)定位提供商WifiSlam公司。3GPP、IEEE 等國際標準化組織也啟動了室內(nèi)定位標準制定。2014年6月，3GPP RAN（居民接入網(wǎng)）全會啟動室內(nèi)定位增強的Study Item（SI）；2015年9月，3GPP RAN全會啟動室內(nèi)定位增強。IEEE也在2014年啟動了802.11az下一代定位項目。2014年2月，F(xiàn)CC開始起草關(guān)于E911室內(nèi)定位的新規(guī)則，根據(jù)目前的草案，F(xiàn)CC要求自規(guī)則被正式通過后的2年內(nèi)，67%的室內(nèi)E911呼叫水平定位精度可達50m內(nèi)；5年內(nèi)，80%的室內(nèi)E911呼叫水平定位精度可達50m內(nèi)；3年內(nèi)，67%的室內(nèi)E911呼叫垂直定位精度可達3m內(nèi)；5年內(nèi)，80%的室內(nèi)E911呼叫垂直定位精度可達3m內(nèi)。

（4）MEMS定位

手機和平板電腦逐漸開始大量配置微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，尤其是運動傳感器，如加速度計、磁力計、陀螺儀，如圖3所示為手機/平板MEMS傳感器滲透率。傳感器定位也成為重要的輔助定位手段，甚至成為主要的定位方式之一。目前，手機和平板的傳感器定位主要用于輔助其他定位方案，在其他定位方案短時失效的情況下，用來維持定位精度。

圖3　手機/平板 MEMS傳感器滲透率

隨著LBS業(yè)務(wù)的愈加豐富，智能終端用戶對于定位的要求越來越高，未來智能終端必將通過多種定位方案的融合以便在各種復雜場景下為用戶提供綜合的位置服務(wù)。

在智能終端衛(wèi)星導航定位芯片市場中，國外芯片廠商，尤其是大型通信芯片廠商，占據(jù)絕對統(tǒng)治地位。據(jù)咨詢公司ABI Research數(shù)據(jù)顯示，全球衛(wèi)星導航定位芯片市場占有率最高的五家公司分別是高通、博通、聯(lián)發(fā)科、u-Blox和CSR（Cambridge Silicon Radio）。前三家均為綜合型通信芯片廠商，市場份額之和高達89.7%，其中，最大的手機芯片廠商高通占據(jù)接近6成的市場份額，遙遙領(lǐng)先其他廠商。從產(chǎn)品形態(tài)來看，單衛(wèi)星導航定位芯片已很難在智能終端中獲得應用，目前主流的智能終端衛(wèi)星導航定位芯片要么與WiFi、藍牙、FM集成為一顆無線連接芯片，要么與應用處理芯片或基帶通信芯片集成在一起。

三、智能終端北斗定位技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況

鑒于A-GNSS技術(shù)在智能終端中的重要作用，2013年初，工信部和總裝北斗辦聯(lián)合成立了“移動通信領(lǐng)域北斗國際標準聯(lián)合推進工作組”以推動網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位（A-北斗）技術(shù)在3GPP、3GPP2、OMA等國際標準化組織中的標準化工作。歷時兩年，2015年3月，移動通信系統(tǒng)北斗定位技術(shù)標準和性能標準正式發(fā)布；9月，測試標準正式發(fā)布；2G/3G/4G移動通信國際標準正式支持A-北斗定位技術(shù)。目前，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）多個工作委員會正在緊鑼密鼓的制定移動通信北斗終端、以及定位系統(tǒng)的行業(yè)標準。

芯片方面，2014年，在發(fā)改委北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)重大應用示范發(fā)展專項支持下，工信部成功組織國內(nèi)終端廠商、芯片廠商開展了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在消費電子領(lǐng)域的應用示范，計劃在2016年底，重點支持2000萬部采用自主北斗芯片的北斗智能手機研發(fā)與應用。2015年7月，展訊、海思、聯(lián)芯三大手機芯片廠商分別發(fā)布了自研的40nm 北斗/ GPS、WiFi、藍牙、調(diào)頻（FM）四合一低功耗、高集成度北斗定位芯片以及智能手機整體解決方案，從而一舉打破國外廠商在智能手機衛(wèi)星導航芯片市場的壟斷地位。

然而，我國在智能終端北斗定位方面仍存在很多不足。首先，智能終端GPS占據(jù)主導的優(yōu)勢仍未有明顯改觀。據(jù)GSA統(tǒng)計，2014年，北斗在智能終端衛(wèi)星導航芯片中的滲透率約為30%， 仍有巨大提升空間。即使對于已經(jīng)具備北斗功能的多模終端，由于GPS更為成熟，絕大多數(shù)智能終端會優(yōu)先保證GPS衛(wèi)星的搜索定位。其次，自主衛(wèi)星導航芯片的市場占有率仍然很低，目前不足10%。在企業(yè)整體實力、芯片集成度等方面，我國企業(yè)與國際巨頭相比，仍然差距明顯。最后，我國缺乏A-北斗服務(wù)平臺，未有效打通智能手機產(chǎn)業(yè)鏈。我國芯片廠商展訊、海思目前正積極開發(fā)A-北斗芯片，預計將于2016年出貨。然后，由于業(yè)界的A-GNSS平臺目前均不支持北斗，使得手機的A-北斗性能得不到發(fā)揮，從而嚴重影響終端的北斗定位體驗，制約北斗在手機終端的應用。

圖4　eCall系統(tǒng)示意圖

四、智能終端北斗定位應用推廣建議

從全球看，國家力量在推動衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。美國E911政策的制定極大促進了GPS在手機中的推廣應用。俄羅斯政府為支持自主GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，出臺了一系列政策，包括在政府領(lǐng)域和汽車交通領(lǐng)域中強制推廣GLONASS以及ERA-GLONASS系統(tǒng)等，通過不斷放風“對只配備GPS單導航系統(tǒng)設(shè)備（含智能手機）的關(guān)稅稅率從5%提高到25%”的方式促進GLONASS在手機中的應用。為推動歐盟自主伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用，歐盟強制推廣支持伽利略的eCall（緊急呼叫）系統(tǒng)，如圖4所示。要求自2015年起，所有的新車必須安裝eCall系統(tǒng)，且車內(nèi)的eCall接收機必須支持伽利略系統(tǒng)。

智能終端北斗推廣應用對于促進我國整個北斗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。在目前GPS產(chǎn)品占據(jù)主導地位的背景下，應充分發(fā)揮政府引導和示范作用，推動智能終端北斗定位應用，促進北斗產(chǎn)業(yè)鏈的壯大完善。①繼續(xù)有序推進智能手機北斗定位國際國內(nèi)標準化，構(gòu)建完善的技術(shù)標準和產(chǎn)品檢測體系。②持續(xù)支持國內(nèi)芯片廠商開展高集成度、高工藝手機北斗定位芯片研發(fā)。③加快開展A-北斗定位平臺建設(shè)與示范應用，真正打通智能手機北斗定位產(chǎn)業(yè)鏈條。加強政策引導，有序推進A-北斗定位技術(shù)規(guī)模商用、全面商用。④圍繞北斗積極開展室內(nèi)定位、高精度定位等新型定位方案研究，推進相關(guān)標準化工作、開展特色商業(yè)化應用，并積極研發(fā)綜合定位解決方案，帶動全產(chǎn)業(yè)突破。⑤借鑒美國E911系統(tǒng)、俄羅斯ERA-GLONASS系統(tǒng)、歐盟eCall系統(tǒng)，探索我國個人緊急呼叫響應系統(tǒng)和交通應急響應系統(tǒng)建設(shè)，促進北斗導航定位應用。

參考文獻

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［2］RP-141003 "New SlD： Study on lndoor Positioning Enhancements for UTRA and LTE"， 3GPP.