● 文 |中國國防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

大眾市場GNSS用戶技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢
——《GNSS用戶技術(shù)報告》簡介之四

● 文 |中國國防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

自1981年第一臺GPS接收機TI-4100問世以來，到現(xiàn)在GNSS芯片已廣泛集成到眾多智能手機、可穿戴設(shè)備中，GNSS接收機的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化。近年來，多GNSS星座的建設(shè)以及新服務(wù)的涌現(xiàn)，促進了GNSS用戶技術(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用戶技術(shù)報告》，重點梳理了大眾市場GNSS用戶技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。

GNSS 用戶技術(shù) 大眾市場 LBS IoT

一、大眾市場GNSS用戶設(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接收機的關(guān)鍵性能特性。GNSS用戶技術(shù)大眾市場主要包括：①基于位置的服務(wù)（LBS），包括智能手機/平板電腦、便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備；②物聯(lián)網(wǎng)（IoT），主要是壽命長但使用頻率低的自主設(shè)備；③汽車內(nèi)置的導(dǎo)航/娛樂系統(tǒng)；④用于徒步、騎行及其他戶外活動的便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）或其他手持設(shè)備；⑤其他用戶設(shè)備，比如用戶級無人機，在視距飛行規(guī)則下航行的通用航空飛機、休閑帆船等。其中，就數(shù)量和價值而言，GNSS接收機在大眾市場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內(nèi)置系統(tǒng)和智能手機蠶食。

上述大眾市場GNSS用戶設(shè)備具有以下特性：①基于位置的服務(wù)市場的接受度主要取決于服務(wù)的可用性和成本，但它們反過來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架構(gòu)；③這些設(shè)備一般采用電池供電，GNSS接收機設(shè)計要優(yōu)先考慮功耗問題；④大多數(shù)設(shè)備并不需要連續(xù)的位置信息，而是只在需要的時候才會使用定位服務(wù)，使得GNSS接收機在大多數(shù)時間處于關(guān)閉或休眠狀態(tài)以節(jié)省電量，這就要求GNSS接收機在用戶需要位置信息時“準即時可用”，即盡可能縮短首次定位時間。

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

● 可用性：當用戶或應(yīng)用需要時，GNSS接收機能夠在任何時間、任何地點、盡可能快地提供位置信息。

● 功耗：大多數(shù)都是可移動設(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。

● 首次定位時間：大眾市場GNSS接收機的典型應(yīng)用場景是臨時的短時間應(yīng)用。如果用戶還擁有其他定位手段，那么首次定位時間過長將使用戶不會使用這些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信號弱的環(huán)境中提供服務(wù)。

二、大眾市場GNSS用戶設(shè)備行業(yè)格局

大眾市場GNSS芯片具有生產(chǎn)規(guī)模大、價格低的特點。每年用于智能手機和平板電腦的芯片多達幾億個，用于車內(nèi)GNSS系統(tǒng)的芯片也有幾千萬個。在基于位置的服務(wù)占主導(dǎo)地位的大眾市場，GNSS接收機的生命周期相對較短，一般只有幾十個月。這使得它們能快速采用新功能，但也意味著上市時間至關(guān)重要。過早或過晚采用一種新功能，哪怕只差幾個月，都可能會影響產(chǎn)品的整個生命周期。而且，大眾市場的創(chuàng)新速率非常高，例如，高端用戶設(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)濟規(guī)模的少數(shù)幾個廠商。

大眾市場GNSS用戶設(shè)備也面臨挑戰(zhàn)。例如，大眾市場接收機的設(shè)計要能夠讓用戶隨時隨地獲取到位置信息。這個挑戰(zhàn)可以通過以下技術(shù)解決：①降低捕獲信號所需的信號電平（高靈敏度）；②與其他無線電定位技術(shù)（“WiFi指紋”定位技術(shù)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、泛在無線信號等）或非無線電定位技術(shù)（如MEMS）組合；③能夠在嚴重多徑或非直達信號條件下提供更高精度位置估計的專用技術(shù)；④矢量跟蹤技術(shù)；⑤衛(wèi)星陰影匹配等先進算法。顯然，這些技術(shù)的研發(fā)、驗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，藍牙，LTE，F(xiàn)M）功能高度集成在一個芯片上，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)能提供這類芯片。這些公司沒有一家提供單純的GNSS芯片，其芯片至少包括無線通信和定位兩種功能。

GNSS用戶技術(shù)大眾市場解決方案還有一個重要特征：大多數(shù)接收機都是聯(lián)網(wǎng)的，其中大部分是智能手機或平板電腦。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、處理和提供過程中扮演著重要角色。因此，谷歌和蘋果這樣的供應(yīng)商也是GNSS大眾市場用戶設(shè)備行業(yè)格局中的重要一環(huán)。

三、大眾市場GNSS接收機支持的頻段和星座

北斗、Galileo、QZSS、GPS和GLONASS的發(fā)展，以及對用戶在城市峽谷和室內(nèi)環(huán)境中的定位需求，共同推動了GNSS大眾市場接收設(shè)備向更加靈活和多星座接收機方向發(fā)展。盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WiFi和相關(guān)定位技術(shù)能夠為在室內(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的性能，目前大眾市場上超過70%的GNSS芯片已具備多星座定位能力。

然而，對多星座的支持也會增加接收機的成本、處理負荷和功耗。因此，設(shè)計師必須找到平衡點，并基于此設(shè)計芯片的最佳通道數(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)允許專用通道處理來自不同星座的信號，有望使終端產(chǎn)品制造商將專門星座功能集成到固件上，通過配置特定硬件實現(xiàn)處理不同星座組合的功能。

此外，根據(jù)GSA調(diào)查，雖然市場上65%的接收機支持星基增強系統(tǒng)，但實際中激活星基增強系統(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)運行，因而會大量耗電。

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

四、大眾市場典型接收機的規(guī)格與分類

目前，大眾市場應(yīng)用的所有GNSS芯片或模塊都是單頻（L1/E1）接收機，盡管隨著IRNSS在2016年達到運行能力，可能會出現(xiàn)支持L5/E5信號的產(chǎn)品。為了增強靈敏性、縮短首次定位時間和降低功耗，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，具備易于移植的標稱外形、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，這些芯片還有望增加內(nèi)部閃存，從而允許簡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，會集成通信系統(tǒng)（WiFi、藍牙、LTE、FM）、MEMS加速度計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)備芯片提供一個由導(dǎo)航引擎、三維定位和運動傳感器組成的統(tǒng)一平臺，一般會將導(dǎo)航衛(wèi)星和MEMS慣性傳感器數(shù)據(jù)進行融合，提供連續(xù)的位置信息。這些芯片接收機大多裝有固件，當需要附加功能時可進行更新。此外，通常根據(jù)用戶需求能在芯片級支持WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN等星基增強系統(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)備市場研發(fā)的芯片，足以滿足需求。

五、大眾市場GNSS用戶技術(shù)未來發(fā)展趨勢

1. 隨處定位

據(jù)GSM協(xié)會預(yù)測：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、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)展將提升用戶定位體驗

隨著智能手機的普及，人們越來越需要更精密、更精確的基于位置服務(wù)的應(yīng)用。因此，越來越多的智能手機采用GNSS補充技術(shù)，使其能夠?qū)γ恳粓鼍岸寄芴峁┳顑?yōu)的定位解決方案。GNSS仍然是戶外定位信息的主要來源，而補充技術(shù)旨在提升接收機在城市峽谷和室內(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定位應(yīng)用空間

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

市場上已有一些芯片融合了這些功能，很多頂級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，或正在改進室內(nèi)定位技術(shù)。還有一些廠商正致力于運動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將很快上市。

2. 更高精度

精度是大眾市場GNSS技術(shù)進步的主要驅(qū)動因素。從目前正在開發(fā)的軟件和硬件來看，我們正處于創(chuàng)新時代的尖端，智能手機將很快能提供目前高端專用設(shè)備所具備的定位精度。

（1）軟件層面，解除訪問原始觀測量限制將提供更高定位精度

大眾市場設(shè)備中GNSS芯片集的功能常被看作是一個黑盒子。芯片接收到GNSS測量值后直接輸出最終的位置、速度、時間（PVT）結(jié)果，并可能包含空間飛行器編號、偽隨機碼、給定衛(wèi)星的方位角和高度等其他信息。目前，只有服務(wù)于專業(yè)應(yīng)用的高端接收機才提供“原始觀測量”，包括偽距、多普勒偏移/頻率和載波相位，而大多數(shù)用戶被認定只關(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能夠訪問原始GNSS觀測量。通過訪問這些附加數(shù)據(jù)，大眾市場與專業(yè)市場之間的鴻溝將進一步縮小。例如：通過使用簡單的智能手機就能實現(xiàn)RTK精密定位；智能手機不需要附加設(shè)備就能獲得EGNOS等星基增強系統(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

隨著用戶對更高定位精度需求的不斷增長，有望看到高端商業(yè)系統(tǒng)的技術(shù)也能應(yīng)用到智能手機上。事實上，頂尖智能手機芯片制造商已經(jīng)在致力于開發(fā)新一代使用雙頻定位的更精確、更可靠的GNSS接收機。雙頻接收機的另一個優(yōu)勢是能夠有效消除位置計算中的電離層誤差。這種由電離層引起的誤差具有頻率依賴性，因此會對不同GNSS信號造成不同的影響。雙頻接收機可以通過比較兩個GNSS信號的延遲量來消除電離層誤差的影響。最后，雙頻接收機可以從碼相位快速過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題。目前已經(jīng)證明，載波相位跟蹤能夠提供厘米級精度的定位。

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)備一般要求長壽命，進一步限制了功耗。較大的系統(tǒng)可以承受微瓦到毫瓦的平均功率，而毫米級大小的設(shè)備需要具備納瓦級的功耗水平。另一方面，由于連續(xù)運行，GNSS接收機也需要較高的功耗。隨著越來越多的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點成為移動設(shè)備，定位功能將逐漸成為嵌入式設(shè)計的重要組成部分。因而，向尺寸更小、重量更輕、壽命更長的物聯(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)對這一挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)的各個層面都在進行創(chuàng)新。

（1）傳感器：智能微塵和傳感器網(wǎng)絡(luò)推動低功耗、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。這種傳感器稱為微塵，智能微塵或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它是配備傳感器和計算電路的微小物體的集合，能夠雙向通信并且獨立供電。微塵的核心部分是一個小尺寸、低成本、低功耗的計算機，連接一個或多個傳感器，包括溫度、光、聲音、位置、加速度、壓力、重力、濕度等傳感器。這些計算機通過無線電鏈路互相連接，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)備的電池壽命長達10年；③吞吐量低，一般為幾百比特每秒；④無線電模塊和芯片價格便宜，從幾歐元到幾十歐元不等，因供應(yīng)商而異；⑤無線電訂閱費用低，在1歐元/設(shè)備/年量級；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，LPWAN將對物聯(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接收機概念的終極演變。云GNSS接收機也不再使用宿主設(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，法國在2016年GEO物聯(lián)網(wǎng)大會上展出了第一個“基于GNSS的物聯(lián)網(wǎng)解決方案”,該方案通過將GNSS位置計算在設(shè)備和云端進行合理劃分，實現(xiàn)了功耗最小化。