GN—SS大众市场解决方案概述《GNSS用户技术报告2018》摘编

一、GNSS大众市场的特征

1.GNSS大众市场设备特性

高可用性和低功耗仍然是大众市场接收机的关键性能特征，同时高端设备可实现高精度定位。GNSS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、可穿戴设备和便携式设备；②物联网（IoT），包括连接互联网的物理设备；③汽车解决方案，包括跟踪和导航；④无人机，如在带有高清摄像头的第一人称视角（FPV）无人机上实现基本导航功能。

LBS仍然在大众市场中占据主要地位，用户通常在使用智能手机、平板电脑、跟踪设备、数码相机、笔记本电脑、健身装备和其他设备时通过GNSS定位。随着技术进步，GNSS在人工智能、实时定制生态系统、超移动性和共同责任等方面可能会有进一步发展。

为了在现有LBS设备中实现所需性能，经常会用到其他技术对GNSS定位进行补充，包括：蜂窝网络定位、无线局域网（WLAN）或WiFi定位、无线个人局域网（WPAN）、低功率广域网（LPWAN）、无线射频识别（RFID）、超宽带（UWB）、微机电系统（MEMS）陀螺仪和加速度计等。

2.关键性能参数

在以往的报告中，大众市场的关键性能参数包括：可用性、功耗、首次定位时间和室内穿透能力。根据最近的发展趋势，特别是用户级无人机、测绘和地理信息系统、移动医疗等方面的发展，许多应用程序从按需定位转变为连续的位置信息，对更多关键性能提出了更高要求。本报告增加了以下几项关键性能参数：准确性、连续性、强健性和完好性。

3.用户需求

用户对GNSS提出了不同要求。制造商通过不同方式组合芯片，并使用差异化技术对固件或软件优化升级。图1显示了如何针对消费者需求调整设备GNSS关键性能参数。

图1 大众市场接收机的相关参数

二、GNSS大众市场的行业格局

虽然具备LBS功能的智能手机市场仍在增长，但已经形成的新市场（汽车、可穿戴设备和物联网等）和新兴领域（企业应用、社交网络、体育和游戏，以及快速发展的用户级无人机）也在影响技术发展。车载诊断、惯性导航、蓝牙、低能量信标等技术也为各类应用提供了巨大的发展空间。

从地理角度来看，非欧盟国家企业在大众市场占主导地位，北美企业在芯片市场处于领先地位，亚洲企业则在手机收入方面处于领先地位。

大众市场的重要特征之一就是在每个不同领域都聚集了不同制造商。例如，高通公司、博通公司和台湾联发科技股份有限公司在智能手机市场占据主导地位；U-blox公司和意法半导体集团在汽车和物联网领域占据主导地位；索尼半导体以超低功耗解决方案进入可穿戴设备市场；英特尔继续在笔记本电脑方面领先，并正在进入智能手机和物联网领域。

随着无人机技术的发展，无处不在的智能手机芯片带来了用户级无人机的指数式增长。对无人机进行地理围栏管理所需的PNT性能，正在增加对大量芯片准确性和完好性的需求。

目前，GNSS大众市场已经基本达到饱和，部分企业试图通过提供差异化解决方案实现突破。尽管全球芯片供应商的领先地位稳定，但新技术使越来越多初创企业在市场中占据一席之地。

三、GNSS大众市场接收机的性能

到2018年，支持多星座已经成为大众市场接收机的标准，多频芯片也已经在大众市场批量生产。这造成了优质芯片和低成本芯片的分化，前者依据性能区分产品，后者则以成本和功耗为主。

1.支持多星座

由于当前的GNSS星座均已提供全面运行服务，多星座定位能力和在节能模式下选用星座的能力，已成为大量设备的标准。

当用户身处城市峡谷和室内环境时，尽管设备中固有的通信技术能够提供一些帮助，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。随着新型专用集成电路（ASIC）的设计和开发成本增加，产品通过模块和设备级别的固件配置而非硬件配置来实现多星座功能。自上一版报告发布以来，支持北斗、Galileo、GLONASS和准天顶卫星系统（QZSS）的接收机均有所增加。目前，支持所有星座的接收机最为常见。

支持多星座定位会增加接收机的成本、处理负荷和功耗，开发者必须找到平衡点，而一些低成本设备也具备了实现专门星座功能的架构，从而导致了市场中优质高性能接收机和低成本低功耗接收机之间的分化。

2.支持多频段

尽管GNSS大众市场设备目前仅使用L1/E1信号，但在2017年推出了可支持L5/E5a信号的优质芯片。采用这类芯片的智能手机已于2018年6月面世，预计还会有更多其他产品。

双频接收机提供更高的精度和强健性，同时接入了目前仅在专业接收机中使用的高精度技术（精密单点定位技术和实时动态），从而打破了其与专业接收机之间的界线。

四、GNSS大众市场接收机的规格

近年来，大众市场接收机发展迅速，并具备了不同功能。LBS设备主要使用E1/L1信号并支持多星座定位，现已推出双频接收机；在物联网方面，制造商开发出了连续跟踪功耗低于3mA的接收机；用户级无人机则采用专为LBS模块设计的低成本GNSS接收机；一些汽车也开始支持双频接收机，随着自动驾驶汽车进入市场，GNSS功能成为关键指标，新一代芯片将不断升级，以满足ISO 26262中ASIL等级的安全要求。

LBS接收机：过去，是否支持GNSS星座是区分低成本和高级接收机的标准，现在的区别标准则是频段。大多数LBS接收机将继续使用L1/E1频段并支持多星座，实际上更倾向于使用单星座定位以保持较低功耗。新一代接收机支持L1/E1和L5/E5a信号，可支持高级智能手机的增强现实等应用。

物联网接收机：大多支持多星座定位，用户可以选择星座以优化电源消耗。采用省电模式后，通过降低灵敏度和更新速率以及禁止跟踪星基增强系统等，可显著降低功耗。控制占空比仍然是降低功耗的首选方法，采用A-GNSS也是缩短首次定位时间的重要方法。

无人机接收机：通常作为包含MEMS加速度计/陀螺仪以及其他功能的模块提供给无人机制造商。典型的无人机接收机可提供多星座解决方案。由于用户级无人机的运行时间受到推进力的限制，因此对LBS模块功耗的考虑要优先于对GNSS模块功耗的考虑。

汽车接收机：汽车接收机受功耗限制较少，不会通过工作循环降低灵敏度，可以跟踪所有卫星和星基增强系统，并采用多频率。汽车接收机还可以使用外部有源天线提高信号强度。即使在信号受损的情况下，通过紧耦合卫星和MEMS惯性传感器也可实现高速位置输出。

五、GNSS大众市场的发展趋势

1.双频接收机

（1）更高精度

2017-2018年，制造商面向大众市场推出了多频接收机，这为高精度技术打开了大门，使接收机的定位精度达到分米级，满足了用户对精度的需求。随着移动医疗、虚拟现实和地理信息系统服务等应用的发展，用户对定位的水平和垂直精度要求更高，精度从米级提高到分米级。采用双频测量可以实现直接电离层延迟，并使用差分技术和动态载波相位定位技术。在城市环境中，还需要多星座来实现更加精确的解决方案，从而提供良好的精度因子（DOP），故障检测与排除残差，以及足够的无多径测量方案。

（2）潜力巨大

2018年1月，《GPS世界》杂志发布了Trimble公司对Android定位的调研结果：在理想条件下，使用BCM47755芯片和天线可实现厘米级精度。虽然与现有的专业GNSS设备相比，Android定位的模糊度收敛时间会受到影响，但这也为用户级接收机的发展提供了一种可能性。诺瓦泰公司使用其高精度定位引擎和校正服务测试了用于汽车精确定位的Teseo APP和Teseo V芯片，以验证使用芯片的双频功能可显著减少位置误差。上述结果表明，在合适的条件下可以实现亚米级定位精度。随着大众市场硬件的局限性不断被突破，亚米级精度将变得司空见惯，并将为增强现实等一系列新应用提供基础。

（3）性能差异化

支持双频（E1/L1+E5/L5）GNSS的智能手机上市（第一款是小米的Mi 8），前所未有的定位精度使它们在市场上脱颖而出。这些智能手机装有博通公司BCM47755双频GNSS芯片，该芯片于2017年推出，是第一款专为大众市场设计和生产的芯片，能够以30cm的精度生成修正，更可靠地减少城市多路径引起的误差，使用户可以体验增强定位精度。未来，双频GNSS或将成为性能差异化的因素，下一代智能手机将根据其GNSS接收机的性能进行分类。

2.GNSS原始观测数据

谷歌公司于2016年在Android Nougat及以上系统开放GNSS原始观测数据。此后，第三方开发人员可以访问载波和码观测量，并在更多用户级接收机中解码导航信息。这为APP开发者和用户使用先进GNSS处理技术（之前仅限于专业接收机）提供了可能，使增强现实、基于位置服务的广告、移动健康和资产管理等应用提高定位的准确性。

3.厘米级精度与增强现实应用

增强现实（AR）通过将计算机生成的信息“叠加”在真实场景中，增强用户对现实的感知。目前，得益于可处理图像的大众市场移动设备（如智能手机）、新的GNSS星座和性能更优的接收机，许多场景中可以实现增强现实应用。厘米级高精度的时空信息可确保增强现实应用的良好运行。

（1）大众市场的增强现实应用

增强现实应用程序需要克服两个关键问题：必须确定摄像机的位置和方向，必须正确识别并显示现实环境。现有的大众市场设备可以使用多星座双频GNSS接收机获得非常准确的位置信息，同时通过融合嵌入式MEMS器件进一步增强位置信息，并在信号出现问题时提供航位推算所需信息。MEMS器件还可以提供摄像机的位置与方向信息。由于存储成本降低、计算能力增加，利用已有存储信息和SLAM技术识别环境变得越来越重要。目前，很多智能手机中的增强现实功能已经可以实现基本的图像识别，如有效识别地板和墙壁等，催生了Wallame、PokemonGo等应用程序和ARCore等软件平台的出现。

（2）更加复杂的增强现实应用

虽然目前的增强现实应用可以有效识别平面，并且GNSS接收机的现有精度可满足基本需求，但更加复杂的增强现实应用要求成功识别现实世界对象，并且提供最高精度的位置信息。考虑到环境中物体的可变性和数量，需要利用基于神经网络方法的图像识别技术，确保设备能适当地识别物品。例如，在室内环境中，结合从WiFi和蓝牙等来源获得的信息，可以确定建筑结构或实用元件的位置和视图，进而创建其虚拟图像。位置精度的提高促使基于增强现实的新概念出现。例如，不仅可以访问特定位置的信息，还可以在3D空间中绘制或创建内容。3D空间中的增强现实应用如图2所示。

图2 3D空间中的增强现实应用

4.机器人定位

目前，没有一个大众市场设备具有高级机器人所需的全部功能，但这些特定的功能越来越多地在无人机、船只和汽车中实现，为今后将其引入机器人奠定了基础。

（1）自主导航

确保机器人能够自主导航并且不会造成事故和中断，关键在于自动识别图像并使机器人可获取位置和方向的准确数据，这与增强现实的要求相似。有效方法是利用定位准确且高效节能的GNSS接收机，将GNSS信息与传感器的数据相结合，从而确定设备或机器人的位置与方向。

（2）地理围栏

机器人进入受限区域（如高速公路）会带来明显的安全风险。随着地理空间数据的可用性和准确性不断提高，由GNSS驱动的地理围栏将成为解决方案之一，这类解决方案已经在用户级无人机和机器人割草机等设备中使用，防止它们进入受限区域。此外，动态地理围栏会随着条件和环境的变化而变化，必须及时传输给机器人和自动化设备，因此良好的连接性也非常重要。图3为地理围栏与动态地理围栏方案示意图。

图3 地理围栏与动态地理围栏方案示意图

5.物联网应用

到2022年，290亿台连接设备中约有180亿台设备与物联网相关，从而形成一个巨大的物联网市场。目前，由于高功耗的限制和低功率网络的广泛可用，GNSS在物联网中的广泛应用受到了一定影响。但基于云技术的GNSS接收机可以改变这一现状。

（1）GNSS与物联网

2018年，物联网设备总量将超过移动电话，这些设备包括联网汽车、机器、仪表，可穿戴设备和其他消费电子产品。这些设备的出现已经，并将导致使用定位服务和应用程序的数量大大增加。虽然GNSS是物联网设备定位最准确且无处不在的资源，但由于低成本物联网传感器要求更低功耗，可能会采用其他一些不太准确的定位技术。

最新技术发展可能进一步促进物联网对GNSS的使用。为物联网创建基于云的GNSS接收机已经成为研究热点，包括GNSS信号的云处理、物联网传感器捕获GNSS信号并将其发送到服务器等，从而降低设备层功耗。

（2）越来越受关注的安全性

随着物联网的快速发展，越来越多的连接设备为各行业提供了解决方案，为经济增长提供了新的商机，同时也带来了各种新的安全威胁。事实上，在监控假释等执法应用或资产跟踪等商业应用中，物联网设备可能需要传递敏感或受限信息，这使其更容易受到欺骗攻击。在这些应用程序中，定位导航授时（PNT）信息的安全性非常重要，Galileo（OS-NMA和SAS）提供的认证服务可能具有一定价值，因为它们将确保用户获得的PNT信息来自太空信号，并且无法被篡改。