大众市场GNSS用户技术现状及趋势——《GNSS用户技术报告》简介之四

● 文 |中国国防科技信息中心 李龙龙 张永红 席欢

大众市场GNSS用户技术现状及趋势
——《GNSS用户技术报告》简介之四

● 文 |中国国防科技信息中心 李龙龙 张永红 席欢

自1981年第一台GPS接收机TI-4100问世以来，到现在GNSS芯片已广泛集成到众多智能手机、可穿戴设备中，GNSS接收机的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不断演化。近年来，多GNSS星座的建设以及新服务的涌现，促进了GNSS用户技术蓬勃发展。本文根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）2016年10月5日发布的第一版《GNSS用户技术报告》，重点梳理了大众市场GNSS用户技术的发展现状及未来发展趋势。

GNSS 用户技术 大众市场 LBS IoT

一、大众市场GNSS用户设备的特性和关键性能参数

高可用性和低功耗是大众市场接收机的关键性能特性。GNSS用户技术大众市场主要包括：①基于位置的服务（LBS），包括智能手机/平板电脑、便携式设备、可穿戴设备；②物联网（IoT），主要是寿命长但使用频率低的自主设备；③汽车内置的导航/娱乐系统；④用于徒步、骑行及其他户外活动的便携式导航设备（PND）或其他手持设备；⑤其他用户设备，比如用户级无人机，在视距飞行规则下航行的通用航空飞机、休闲帆船等。其中，就数量和价值而言，GNSS接收机在大众市场中最主要的用途是基于位置的服务，其次是物联网，而便携式导航设备的份额正逐渐被汽车内置系统和智能手机蚕食。

上述大众市场GNSS用户设备具有以下特性：①基于位置的服务市场的接受度主要取决于服务的可用性和成本，但它们反过来又限制了可以用于室内定位的高灵敏性GNSS或GNSS/MEMS组合接收机的推广应用；②上述所列设备绝大多数情况下在联网条件下使用，因而有利于使用A-GNSS，甚至采用基于云处理的分布式接收机架构；③这些设备一般采用电池供电，GNSS接收机设计要优先考虑功耗问题；④大多数设备并不需要连续的位置信息，而是只在需要的时候才会使用定位服务，使得GNSS接收机在大多数时间处于关闭或休眠状态以节省电量，这就要求GNSS接收机在用户需要位置信息时“准即时可用”，即尽可能缩短首次定位时间。

综上所述，大众市场GNSS接收机的关键性能参数主要包括：

● 可用性：当用户或应用需要时，GNSS接收机能够在任何时间、任何地点、尽可能快地提供位置信息。

● 功耗：大多数都是可移动设备，并且受电池电量限制。因此，低功耗定位技术具有优势。

● 首次定位时间：大众市场GNSS接收机的典型应用场景是临时的短时间应用。如果用户还拥有其他定位手段，那么首次定位时间过长将使用户不会使用这些GNSS设备。

● 室内穿透能力：很多设备都是在室内或城市区域等GNSS信号弱的环境中提供服务。

二、大众市场GNSS用户设备行业格局

大众市场GNSS芯片具有生产规模大、价格低的特点。每年用于智能手机和平板电脑的芯片多达几亿个，用于车内GNSS系统的芯片也有几千万个。在基于位置的服务占主导地位的大众市场，GNSS接收机的生命周期相对较短，一般只有几十个月。这使得它们能快速采用新功能，但也意味着上市时间至关重要。过早或过晚采用一种新功能，哪怕只差几个月，都可能会影响产品的整个生命周期。而且，大众市场的创新速率非常高，例如，高端用户设备已经具备了支持多星座的能力。然而，这些创新仅限于可以保证足够经济规模的少数几个厂商。

大众市场GNSS用户设备也面临挑战。例如，大众市场接收机的设计要能够让用户随时随地获取到位置信息。这个挑战可以通过以下技术解决：①降低捕获信号所需的信号电平（高灵敏度）；②与其他无线电定位技术（“WiFi指纹”定位技术、蜂窝网络定位、泛在无线信号等）或非无线电定位技术（如MEMS）组合；③能够在严重多径或非直达信号条件下提供更高精度位置估计的专用技术；④矢量跟踪技术；⑤卫星阴影匹配等先进算法。显然，这些技术的研发、验证和部署需要很高的投入。

此外，功耗、尺寸和成本的约束导致GNSS与通信（WiFi，蓝牙，LTE，FM）功能高度集成在一个芯片上，使得基于位置服务的设备能够大批量生产。这些因素导致了行业的整合，全球仅有博通、英特尔、联发科、高通、展讯通讯、意法半导体、德州仪器和U-blox这8家企业能提供这类芯片。这些公司没有一家提供单纯的GNSS芯片，其芯片至少包括无线通信和定位两种功能。

GNSS用户技术大众市场解决方案还有一个重要特征：大多数接收机都是联网的，其中大部分是智能手机或平板电脑。这意味着设备操作系统的供应商也在与位置有关信息的收集、整合、处理和提供过程中扮演着重要角色。因此，谷歌和苹果这样的供应商也是GNSS大众市场用户设备行业格局中的重要一环。

三、大众市场GNSS接收机支持的频段和星座

北斗、Galileo、QZSS、GPS和GLONASS的发展，以及对用户在城市峡谷和室内环境中的定位需求，共同推动了GNSS大众市场接收设备向更加灵活和多星座接收机方向发展。尽管蜂窝网络、WiFi和相关定位技术能够为在室内和城市环境中的定位提供一些帮助，但GNSS仍是定位技术的核心，且采用多星座能够提升接收机的性能，目前大众市场上超过70%的GNSS芯片已具备多星座定位能力。

然而，对多星座的支持也会增加接收机的成本、处理负荷和功耗。因此，设计师必须找到平衡点，并基于此设计芯片的最佳通道数量。最近出现的一种创新技术已解决了这一难题。该技术的架构允许专用通道处理来自不同星座的信号，有望使终端产品制造商将专门星座功能集成到固件上，通过配置特定硬件实现处理不同星座组合的功能。

此外，根据GSA调查，虽然市场上65%的接收机支持星基增强系统，但实际中激活星基增强系统功能的终端产品的比例要低得多，其原因是它需要连续运行，因而会大量耗电。

尽管大众市场GNSS设备目前仅使用L1/E1信号，但有望在未来几年内引入L5/E5信号。

四、大众市场典型接收机的规格与分类

目前，大众市场应用的所有GNSS芯片或模块都是单频（L1/E1）接收机，尽管随着IRNSS在2016年达到运行能力，可能会出现支持L5/E5信号的产品。为了增强灵敏性、缩短首次定位时间和降低功耗，这些芯片都具备A-GNSS能力。

基于位置的服务：最新的基于位置服务的GNSS模块具备支持多星座的能力，并且能在维持低功耗的情况下提高灵敏性和缩短捕获时间。其次，优化了成本敏感的应用，使其性能更优且更易于射频集成。再次，具备易于移植的标称外形、精密的射频结构和干扰抑制能力，确保了性能最优化。在不久的将来，这些芯片还有望增加内部闪存，从而允许简单的固件更新以支持附加的GNSS功能。另外，这些芯片通常不是单纯的GNSS模块，会集成通信系统（WiFi、蓝牙、LTE、FM）、MEMS加速度计和陀螺仪以及其他功能。

物联网：物联网芯片是世界上最小的GNSS模块，提供嵌入式闪存且仅支持GPS。尽管它也可能支持其他星座，但这些设备极低功耗的要求限制了通道数量。这些芯片通常使用塑料封装以使总尺寸最小。它们的低功耗处理核心提供定制的省电模式，从而优化电源消耗。物联网芯片支持本地和基于服务器的A-GNSS，因而能缩短首次定位时间和降低功耗。

便携式导航设备：便携式导航设备芯片提供一个由导航引擎、三维定位和运动传感器组成的统一平台，一般会将导航卫星和MEMS惯性传感器数据进行融合，提供连续的位置信息。这些芯片接收机大多装有固件，当需要附加功能时可进行更新。此外，通常根据用户需求能在芯片级支持WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN等星基增强系统，以提高定位精度。

其他设备：用于休闲帆船和通用航空等其他应用的产品通常采用为便携式导航设备市场研发的芯片，足以满足需求。

五、大众市场GNSS用户技术未来发展趋势

1. 随处定位

据GSM协会预测：到2020年，世界上五分之四的人都能连接3G/4G网络。智能手机、平板电脑和可穿戴设备将日益成为人们联系彼此及连接智能设备的主要接口。在这个超联通的世界中，基于情景感知和情景交互的应用有着极为广阔的应用空间，而位置信息将在其中扮演重要角色。为此，精确、随时随地可用的定位系统就显得尤为重要。

（1）传感器融合技术的发展将提升用户定位体验

随着智能手机的普及，人们越来越需要更精密、更精确的基于位置服务的应用。因此，越来越多的智能手机采用GNSS补充技术，使其能够对每一场景都能提供最优的定位解决方案。GNSS仍然是户外定位信息的主要来源，而补充技术旨在提升接收机在城市峡谷和室内环境的定位能力。

（2）基于芯片的室内定位技术将极大拓展智能手机定位应用空间

目前智能手机上运行的室内定位系统都需要专用软件接收和处理信号以解算位置信息。如果定位算法能够在芯片内运行，将会显著提升手机CPU的处理性能并大幅降低功耗，也将使新一代智能手机能够在任何地方进行室内定位。

市场上已有一些芯片融合了这些功能，很多顶级芯片制造商正致力于将室内定位技术融合到新一代芯片中，或正在改进室内定位技术。还有一些厂商正致力于运动传感器与位置定位的集成。随着上述这些技术的发展，具备通用定位能力的新型智能手机将很快上市。

2. 更高精度

精度是大众市场GNSS技术进步的主要驱动因素。从目前正在开发的软件和硬件来看，我们正处于创新时代的尖端，智能手机将很快能提供目前高端专用设备所具备的定位精度。

（1）软件层面，解除访问原始观测量限制将提供更高定位精度

大众市场设备中GNSS芯片集的功能常被看作是一个黑盒子。芯片接收到GNSS测量值后直接输出最终的位置、速度、时间（PVT）结果，并可能包含空间飞行器编号、伪随机码、给定卫星的方位角和高度等其他信息。目前，只有服务于专业应用的高端接收机才提供“原始观测量”，包括伪距、多普勒偏移/频率和载波相位，而大多数用户被认定只关注PVT信息。

新的操作系统正在考虑取消这种限制。例如，谷歌近期宣布，将使Android操作系统中的APP能够访问原始GNSS观测量。通过访问这些附加数据，大众市场与专业市场之间的鸿沟将进一步缩小。例如：通过使用简单的智能手机就能实现RTK精密定位；智能手机不需要附加设备就能获得EGNOS等星基增强系统的校正量；精度提升以后，还可以研发很多创新应用。

（2）在硬件层面，采用多频芯片将提高城市峡谷定位精度

随着用户对更高定位精度需求的不断增长，有望看到高端商业系统的技术也能应用到智能手机上。事实上，顶尖智能手机芯片制造商已经在致力于开发新一代使用双频定位的更精确、更可靠的GNSS接收机。双频接收机的另一个优势是能够有效消除位置计算中的电离层误差。这种由电离层引起的误差具有频率依赖性，因此会对不同GNSS信号造成不同的影响。双频接收机可以通过比较两个GNSS信号的延迟量来消除电离层误差的影响。最后，双频接收机可以从码相位快速过渡到基于载波相位的导航，使其能够解决载波相位整周模糊度问题。目前已经证明，载波相位跟踪能够提供厘米级精度的定位。

3. 高功率效率和微型化

物联网设备GNSS接收机正在向高功率效率和微型化发展。物联网设备通常没有外加电缆，必须由电池供电或从所处环境中获取能量。此外，物联网设备一般要求长寿命，进一步限制了功耗。较大的系统可以承受微瓦到毫瓦的平均功率，而毫米级大小的设备需要具备纳瓦级的功耗水平。另一方面，由于连续运行，GNSS接收机也需要较高的功耗。随着越来越多的物联网节点成为移动设备，定位功能将逐渐成为嵌入式设计的重要组成部分。因而，向尺寸更小、重量更轻、寿命更长的物联网设备中增加定位能力，将使其所有层面都面临着关键技术挑战。为应对这一挑战，物联网的各个层面都在进行创新。

（1）传感器：智能微尘和传感器网络推动低功耗、微型化

随着硅和制造技术的发展，迟早能够生产出比沙子还小的传感器。这种传感器称为微尘，智能微尘或无线传感器网络。它是配备传感器和计算电路的微小物体的集合，能够双向通信并且独立供电。微尘的核心部分是一个小尺寸、低成本、低功耗的计算机，连接一个或多个传感器，包括温度、光、声音、位置、加速度、压力、重力、湿度等传感器。这些计算机通过无线电链路互相连接，使微尘能够在一定距离传输信息。

（2）连接性：低功耗广域网络（LPWAN）促进物联网发展

LPWAN是一种面向带宽需求低的互联设备的无线广域网络技术，关注很多物联网应用所要求的作用距离和功率效率。LPWAN具有以下特征：①在不同环境中，作用距离5～50km；②自主性高，智能设备的电池寿命长达10年；③吞吐量低，一般为几百比特每秒；④无线电模块和芯片价格便宜，从几欧元到几十欧元不等，因供应商而异；⑤无线电订阅费用低，在1欧元/设备/年量级；⑥与其他技术相比，覆盖相同区域所需的基站数量小。由于这些优点，LPWAN将对物联网的发展产生重要影响。

（3）处理：云处理降低设备层功耗

云GNSS是软件GNSS接收机概念的终极演变。云GNSS接收机也不再使用宿主设备处理能力，而是利用基于云端的处理服务，这样就将对处理能力和功耗要求高的任务分流到了资源不受限制的云端。

基于云处理思想，法国在2016年GEO物联网大会上展出了第一个“基于GNSS的物联网解决方案”,该方案通过将GNSS位置计算在设备和云端进行合理划分，实现了功耗最小化。