● 文 |中國(guó)國(guó)防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)
——《GNSS用戶(hù)技術(shù)報(bào)告》簡(jiǎn)介之四

● 文 |中國(guó)國(guó)防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

自1981年第一臺(tái)GPS接收機(jī)TI-4100問(wèn)世以來(lái)，到現(xiàn)在GNSS芯片已廣泛集成到眾多智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備中，GNSS接收機(jī)的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化。近年來(lái)，多GNSS星座的建設(shè)以及新服務(wù)的涌現(xiàn)，促進(jìn)了GNSS用戶(hù)技術(shù)蓬勃發(fā)展。本文根據(jù)歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）2016年10月5日發(fā)布的第一版《GNSS用戶(hù)技術(shù)報(bào)告》，重點(diǎn)梳理了大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

GNSS 用戶(hù)技術(shù) 大眾市場(chǎng) LBS IoT

一、大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)設(shè)備的特性和關(guān)鍵性能參數(shù)

高可用性和低功耗是大眾市場(chǎng)接收機(jī)的關(guān)鍵性能特性。GNSS用戶(hù)技術(shù)大眾市場(chǎng)主要包括：①基于位置的服務(wù)（LBS），包括智能手機(jī)/平板電腦、便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備；②物聯(lián)網(wǎng)（IoT），主要是壽命長(zhǎng)但使用頻率低的自主設(shè)備；③汽車(chē)內(nèi)置的導(dǎo)航/娛樂(lè)系統(tǒng)；④用于徒步、騎行及其他戶(hù)外活動(dòng)的便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）或其他手持設(shè)備；⑤其他用戶(hù)設(shè)備，比如用戶(hù)級(jí)無(wú)人機(jī)，在視距飛行規(guī)則下航行的通用航空飛機(jī)、休閑帆船等。其中，就數(shù)量和價(jià)值而言，GNSS接收機(jī)在大眾市場(chǎng)中最主要的用途是基于位置的服務(wù)，其次是物聯(lián)網(wǎng)，而便攜式導(dǎo)航設(shè)備的份額正逐漸被汽車(chē)內(nèi)置系統(tǒng)和智能手機(jī)蠶食。

上述大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)設(shè)備具有以下特性：①基于位置的服務(wù)市場(chǎng)的接受度主要取決于服務(wù)的可用性和成本，但它們反過(guò)來(lái)又限制了可以用于室內(nèi)定位的高靈敏性GNSS或GNSS/MEMS組合接收機(jī)的推廣應(yīng)用；②上述所列設(shè)備絕大多數(shù)情況下在聯(lián)網(wǎng)條件下使用，因而有利于使用A-GNSS，甚至采用基于云處理的分布式接收機(jī)架構(gòu)；③這些設(shè)備一般采用電池供電，GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)要優(yōu)先考慮功耗問(wèn)題；④大多數(shù)設(shè)備并不需要連續(xù)的位置信息，而是只在需要的時(shí)候才會(huì)使用定位服務(wù)，使得GNSS接收機(jī)在大多數(shù)時(shí)間處于關(guān)閉或休眠狀態(tài)以節(jié)省電量，這就要求GNSS接收機(jī)在用戶(hù)需要位置信息時(shí)“準(zhǔn)即時(shí)可用”，即盡可能縮短首次定位時(shí)間。

綜上所述，大眾市場(chǎng)GNSS接收機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)主要包括：

● 可用性：當(dāng)用戶(hù)或應(yīng)用需要時(shí)，GNSS接收機(jī)能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、盡可能快地提供位置信息。

● 功耗：大多數(shù)都是可移動(dòng)設(shè)備，并且受電池電量限制。因此，低功耗定位技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)。

● 首次定位時(shí)間：大眾市場(chǎng)GNSS接收機(jī)的典型應(yīng)用場(chǎng)景是臨時(shí)的短時(shí)間應(yīng)用。如果用戶(hù)還擁有其他定位手段，那么首次定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將使用戶(hù)不會(huì)使用這些GNSS設(shè)備。

● 室內(nèi)穿透能力：很多設(shè)備都是在室內(nèi)或城市區(qū)域等GNSS信號(hào)弱的環(huán)境中提供服務(wù)。

二、大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)設(shè)備行業(yè)格局

大眾市場(chǎng)GNSS芯片具有生產(chǎn)規(guī)模大、價(jià)格低的特點(diǎn)。每年用于智能手機(jī)和平板電腦的芯片多達(dá)幾億個(gè)，用于車(chē)內(nèi)GNSS系統(tǒng)的芯片也有幾千萬(wàn)個(gè)。在基于位置的服務(wù)占主導(dǎo)地位的大眾市場(chǎng)，GNSS接收機(jī)的生命周期相對(duì)較短，一般只有幾十個(gè)月。這使得它們能快速采用新功能，但也意味著上市時(shí)間至關(guān)重要。過(guò)早或過(guò)晚采用一種新功能，哪怕只差幾個(gè)月，都可能會(huì)影響產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。而且，大眾市場(chǎng)的創(chuàng)新速率非常高，例如，高端用戶(hù)設(shè)備已經(jīng)具備了支持多星座的能力。然而，這些創(chuàng)新僅限于可以保證足夠經(jīng)濟(jì)規(guī)模的少數(shù)幾個(gè)廠商。

大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)設(shè)備也面臨挑戰(zhàn)。例如，大眾市場(chǎng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)要能夠讓用戶(hù)隨時(shí)隨地獲取到位置信息。這個(gè)挑戰(zhàn)可以通過(guò)以下技術(shù)解決：①降低捕獲信號(hào)所需的信號(hào)電平（高靈敏度）；②與其他無(wú)線電定位技術(shù)（“WiFi指紋”定位技術(shù)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、泛在無(wú)線信號(hào)等）或非無(wú)線電定位技術(shù)（如MEMS）組合；③能夠在嚴(yán)重多徑或非直達(dá)信號(hào)條件下提供更高精度位置估計(jì)的專(zhuān)用技術(shù)；④矢量跟蹤技術(shù)；⑤衛(wèi)星陰影匹配等先進(jìn)算法。顯然，這些技術(shù)的研發(fā)、驗(yàn)證和部署需要很高的投入。

此外，功耗、尺寸和成本的約束導(dǎo)致GNSS與通信（WiFi，藍(lán)牙，LTE，F(xiàn)M）功能高度集成在一個(gè)芯片上，使得基于位置服務(wù)的設(shè)備能夠大批量生產(chǎn)。這些因素導(dǎo)致了行業(yè)的整合，全球僅有博通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、高通、展訊通訊、意法半導(dǎo)體、德州儀器和U-blox這8家企業(yè)能提供這類(lèi)芯片。這些公司沒(méi)有一家提供單純的GNSS芯片，其芯片至少包括無(wú)線通信和定位兩種功能。

GNSS用戶(hù)技術(shù)大眾市場(chǎng)解決方案還有一個(gè)重要特征：大多數(shù)接收機(jī)都是聯(lián)網(wǎng)的，其中大部分是智能手機(jī)或平板電腦。這意味著設(shè)備操作系統(tǒng)的供應(yīng)商也在與位置有關(guān)信息的收集、整合、處理和提供過(guò)程中扮演著重要角色。因此，谷歌和蘋(píng)果這樣的供應(yīng)商也是GNSS大眾市場(chǎng)用戶(hù)設(shè)備行業(yè)格局中的重要一環(huán)。

三、大眾市場(chǎng)GNSS接收機(jī)支持的頻段和星座

北斗、Galileo、QZSS、GPS和GLONASS的發(fā)展，以及對(duì)用戶(hù)在城市峽谷和室內(nèi)環(huán)境中的定位需求，共同推動(dòng)了GNSS大眾市場(chǎng)接收設(shè)備向更加靈活和多星座接收機(jī)方向發(fā)展。盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WiFi和相關(guān)定位技術(shù)能夠?yàn)樵谑覂?nèi)和城市環(huán)境中的定位提供一些幫助，但GNSS仍是定位技術(shù)的核心，且采用多星座能夠提升接收機(jī)的性能，目前大眾市場(chǎng)上超過(guò)70%的GNSS芯片已具備多星座定位能力。

然而，對(duì)多星座的支持也會(huì)增加接收機(jī)的成本、處理負(fù)荷和功耗。因此，設(shè)計(jì)師必須找到平衡點(diǎn)，并基于此設(shè)計(jì)芯片的最佳通道數(shù)量。最近出現(xiàn)的一種創(chuàng)新技術(shù)已解決了這一難題。該技術(shù)的架構(gòu)允許專(zhuān)用通道處理來(lái)自不同星座的信號(hào)，有望使終端產(chǎn)品制造商將專(zhuān)門(mén)星座功能集成到固件上，通過(guò)配置特定硬件實(shí)現(xiàn)處理不同星座組合的功能。

此外，根據(jù)GSA調(diào)查，雖然市場(chǎng)上65%的接收機(jī)支持星基增強(qiáng)系統(tǒng)，但實(shí)際中激活星基增強(qiáng)系統(tǒng)功能的終端產(chǎn)品的比例要低得多，其原因是它需要連續(xù)運(yùn)行，因而會(huì)大量耗電。

盡管大眾市場(chǎng)GNSS設(shè)備目前僅使用L1/E1信號(hào)，但有望在未來(lái)幾年內(nèi)引入L5/E5信號(hào)。

四、大眾市場(chǎng)典型接收機(jī)的規(guī)格與分類(lèi)

目前，大眾市場(chǎng)應(yīng)用的所有GNSS芯片或模塊都是單頻（L1/E1）接收機(jī)，盡管隨著IRNSS在2016年達(dá)到運(yùn)行能力，可能會(huì)出現(xiàn)支持L5/E5信號(hào)的產(chǎn)品。為了增強(qiáng)靈敏性、縮短首次定位時(shí)間和降低功耗，這些芯片都具備A-GNSS能力。

基于位置的服務(wù)：最新的基于位置服務(wù)的GNSS模塊具備支持多星座的能力，并且能在維持低功耗的情況下提高靈敏性和縮短捕獲時(shí)間。其次，優(yōu)化了成本敏感的應(yīng)用，使其性能更優(yōu)且更易于射頻集成。再次，具備易于移植的標(biāo)稱(chēng)外形、精密的射頻結(jié)構(gòu)和干擾抑制能力，確保了性能最優(yōu)化。在不久的將來(lái)，這些芯片還有望增加內(nèi)部閃存，從而允許簡(jiǎn)單的固件更新以支持附加的GNSS功能。另外，這些芯片通常不是單純的GNSS模塊，會(huì)集成通信系統(tǒng)（WiFi、藍(lán)牙、LTE、FM）、MEMS加速度計(jì)和陀螺儀以及其他功能。

物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)芯片是世界上最小的GNSS模塊，提供嵌入式閃存且僅支持GPS。盡管它也可能支持其他星座，但這些設(shè)備極低功耗的要求限制了通道數(shù)量。這些芯片通常使用塑料封裝以使總尺寸最小。它們的低功耗處理核心提供定制的省電模式，從而優(yōu)化電源消耗。物聯(lián)網(wǎng)芯片支持本地和基于服務(wù)器的A-GNSS，因而能縮短首次定位時(shí)間和降低功耗。

便攜式導(dǎo)航設(shè)備：便攜式導(dǎo)航設(shè)備芯片提供一個(gè)由導(dǎo)航引擎、三維定位和運(yùn)動(dòng)傳感器組成的統(tǒng)一平臺(tái)，一般會(huì)將導(dǎo)航衛(wèi)星和MEMS慣性傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提供連續(xù)的位置信息。這些芯片接收機(jī)大多裝有固件，當(dāng)需要附加功能時(shí)可進(jìn)行更新。此外，通常根據(jù)用戶(hù)需求能在芯片級(jí)支持WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN等星基增強(qiáng)系統(tǒng)，以提高定位精度。

其他設(shè)備：用于休閑帆船和通用航空等其他應(yīng)用的產(chǎn)品通常采用為便攜式導(dǎo)航設(shè)備市場(chǎng)研發(fā)的芯片，足以滿(mǎn)足需求。

五、大眾市場(chǎng)GNSS用戶(hù)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1. 隨處定位

據(jù)GSM協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)：到2020年，世界上五分之四的人都能連接3G/4G網(wǎng)絡(luò)。智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備將日益成為人們聯(lián)系彼此及連接智能設(shè)備的主要接口。在這個(gè)超聯(lián)通的世界中，基于情景感知和情景交互的應(yīng)用有著極為廣闊的應(yīng)用空間，而位置信息將在其中扮演重要角色。為此，精確、隨時(shí)隨地可用的定位系統(tǒng)就顯得尤為重要。

（1）傳感器融合技術(shù)的發(fā)展將提升用戶(hù)定位體驗(yàn)

隨著智能手機(jī)的普及，人們?cè)絹?lái)越需要更精密、更精確的基于位置服務(wù)的應(yīng)用。因此，越來(lái)越多的智能手機(jī)采用GNSS補(bǔ)充技術(shù)，使其能夠?qū)γ恳粓?chǎng)景都能提供最優(yōu)的定位解決方案。GNSS仍然是戶(hù)外定位信息的主要來(lái)源，而補(bǔ)充技術(shù)旨在提升接收機(jī)在城市峽谷和室內(nèi)環(huán)境的定位能力。

（2）基于芯片的室內(nèi)定位技術(shù)將極大拓展智能手機(jī)定位應(yīng)用空間

目前智能手機(jī)上運(yùn)行的室內(nèi)定位系統(tǒng)都需要專(zhuān)用軟件接收和處理信號(hào)以解算位置信息。如果定位算法能夠在芯片內(nèi)運(yùn)行，將會(huì)顯著提升手機(jī)CPU的處理性能并大幅降低功耗，也將使新一代智能手機(jī)能夠在任何地方進(jìn)行室內(nèi)定位。

市場(chǎng)上已有一些芯片融合了這些功能，很多頂級(jí)芯片制造商正致力于將室內(nèi)定位技術(shù)融合到新一代芯片中，或正在改進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)。還有一些廠商正致力于運(yùn)動(dòng)傳感器與位置定位的集成。隨著上述這些技術(shù)的發(fā)展，具備通用定位能力的新型智能手機(jī)將很快上市。

2. 更高精度

精度是大眾市場(chǎng)GNSS技術(shù)進(jìn)步的主要驅(qū)動(dòng)因素。從目前正在開(kāi)發(fā)的軟件和硬件來(lái)看，我們正處于創(chuàng)新時(shí)代的尖端，智能手機(jī)將很快能提供目前高端專(zhuān)用設(shè)備所具備的定位精度。

（1）軟件層面，解除訪問(wèn)原始觀測(cè)量限制將提供更高定位精度

大眾市場(chǎng)設(shè)備中GNSS芯片集的功能常被看作是一個(gè)黑盒子。芯片接收到GNSS測(cè)量值后直接輸出最終的位置、速度、時(shí)間（PVT）結(jié)果，并可能包含空間飛行器編號(hào)、偽隨機(jī)碼、給定衛(wèi)星的方位角和高度等其他信息。目前，只有服務(wù)于專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的高端接收機(jī)才提供“原始觀測(cè)量”，包括偽距、多普勒偏移/頻率和載波相位，而大多數(shù)用戶(hù)被認(rèn)定只關(guān)注PVT信息。

新的操作系統(tǒng)正在考慮取消這種限制。例如，谷歌近期宣布，將使Android操作系統(tǒng)中的APP能夠訪問(wèn)原始GNSS觀測(cè)量。通過(guò)訪問(wèn)這些附加數(shù)據(jù)，大眾市場(chǎng)與專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)之間的鴻溝將進(jìn)一步縮小。例如：通過(guò)使用簡(jiǎn)單的智能手機(jī)就能實(shí)現(xiàn)RTK精密定位；智能手機(jī)不需要附加設(shè)備就能獲得EGNOS等星基增強(qiáng)系統(tǒng)的校正量；精度提升以后，還可以研發(fā)很多創(chuàng)新應(yīng)用。

（2）在硬件層面，采用多頻芯片將提高城市峽谷定位精度

隨著用戶(hù)對(duì)更高定位精度需求的不斷增長(zhǎng)，有望看到高端商業(yè)系統(tǒng)的技術(shù)也能應(yīng)用到智能手機(jī)上。事實(shí)上，頂尖智能手機(jī)芯片制造商已經(jīng)在致力于開(kāi)發(fā)新一代使用雙頻定位的更精確、更可靠的GNSS接收機(jī)。雙頻接收機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠有效消除位置計(jì)算中的電離層誤差。這種由電離層引起的誤差具有頻率依賴(lài)性，因此會(huì)對(duì)不同GNSS信號(hào)造成不同的影響。雙頻接收機(jī)可以通過(guò)比較兩個(gè)GNSS信號(hào)的延遲量來(lái)消除電離層誤差的影響。最后，雙頻接收機(jī)可以從碼相位快速過(guò)渡到基于載波相位的導(dǎo)航，使其能夠解決載波相位整周模糊度問(wèn)題。目前已經(jīng)證明，載波相位跟蹤能夠提供厘米級(jí)精度的定位。

3. 高功率效率和微型化

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備GNSS接收機(jī)正在向高功率效率和微型化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常沒(méi)有外加電纜，必須由電池供電或從所處環(huán)境中獲取能量。此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一般要求長(zhǎng)壽命，進(jìn)一步限制了功耗。較大的系統(tǒng)可以承受微瓦到毫瓦的平均功率，而毫米級(jí)大小的設(shè)備需要具備納瓦級(jí)的功耗水平。另一方面，由于連續(xù)運(yùn)行，GNSS接收機(jī)也需要較高的功耗。隨著越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)成為移動(dòng)設(shè)備，定位功能將逐漸成為嵌入式設(shè)計(jì)的重要組成部分。因而，向尺寸更小、重量更輕、壽命更長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中增加定位能力，將使其所有層面都面臨著關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)層面都在進(jìn)行創(chuàng)新。

（1）傳感器：智能微塵和傳感器網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)低功耗、微型化

隨著硅和制造技術(shù)的發(fā)展，遲早能夠生產(chǎn)出比沙子還小的傳感器。這種傳感器稱(chēng)為微塵，智能微塵或無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它是配備傳感器和計(jì)算電路的微小物體的集合，能夠雙向通信并且獨(dú)立供電。微塵的核心部分是一個(gè)小尺寸、低成本、低功耗的計(jì)算機(jī)，連接一個(gè)或多個(gè)傳感器，包括溫度、光、聲音、位置、加速度、壓力、重力、濕度等傳感器。這些計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線電鏈路互相連接，使微塵能夠在一定距離傳輸信息。

（2）連接性：低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

LPWAN是一種面向帶寬需求低的互聯(lián)設(shè)備的無(wú)線廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，關(guān)注很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所要求的作用距離和功率效率。LPWAN具有以下特征：①在不同環(huán)境中，作用距離5～50km；②自主性高，智能設(shè)備的電池壽命長(zhǎng)達(dá)10年；③吞吐量低，一般為幾百比特每秒；④無(wú)線電模塊和芯片價(jià)格便宜，從幾歐元到幾十歐元不等，因供應(yīng)商而異；⑤無(wú)線電訂閱費(fèi)用低，在1歐元/設(shè)備/年量級(jí)；⑥與其他技術(shù)相比，覆蓋相同區(qū)域所需的基站數(shù)量小。由于這些優(yōu)點(diǎn)，LPWAN將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

（3）處理：云處理降低設(shè)備層功耗

云GNSS是軟件GNSS接收機(jī)概念的終極演變。云GNSS接收機(jī)也不再使用宿主設(shè)備處理能力，而是利用基于云端的處理服務(wù)，這樣就將對(duì)處理能力和功耗要求高的任務(wù)分流到了資源不受限制的云端。

基于云處理思想，法國(guó)在2016年GEO物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上展出了第一個(gè)“基于GNSS的物聯(lián)網(wǎng)解決方案”,該方案通過(guò)將GNSS位置計(jì)算在設(shè)備和云端進(jìn)行合理劃分，實(shí)現(xiàn)了功耗最小化。