智能終端北斗定位技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

●文｜中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所　劉思楊

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智能終端北斗定位技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

●文｜中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所劉思楊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是全球四大衛(wèi)星導(dǎo)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(jì)穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要保障。2015年3月30日，首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)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(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化、市場化、規(guī)模化應(yīng)用進(jìn)入關(guān)鍵階段。目前，各個導(dǎo)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(dǎo)航應(yīng)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(jī)和平板終端都是最大的，分別占80%和90%。

一、智能終端應(yīng)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(jī)、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(dǎo)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(jī)出貨量達(dá)到18.7億部，其中，智能手機(jī)出貨量達(dá)到12.68億部，占全球手機(jī)總出貨量的67.8%。由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位已成為智能手機(jī)的基本和標(biāo)準(zhǔn)配置，因此具備衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能手機(jī)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(dǎo)航定位功能的手機(jī)出貨量將接近15億部；同時預(yù)測，在2013 - 2023年，以智能手機(jī)、平板等移動終端為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位LBS市場累積收入則將占到全球衛(wèi)星導(dǎo)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(yīng)用將從技術(shù)、芯片、應(yīng)用、市場競爭力等各方面有力推動北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級

從技術(shù)角度，智能手機(jī)北斗定位需在低成本器件、強(qiáng)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(yīng)各種應(yīng)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(jī)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(lán)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(yīng)用角度，智能手機(jī)北斗定位需有效融合北斗導(dǎo)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(yīng)用，才有競爭力。從市場競爭力角度，雖然智能手機(jī)北斗定位市場容量大，但是無保護(hù)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(dǎo)航設(shè)備出貨量統(tǒng)計及預(yù)估（數(shù)據(jù)來源：GSA）

圖2　2013-2023年全球各類衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備累計收入預(yù)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(yīng)用

在《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)信息消費(fèi)擴(kuò)大內(nèi)需的若干意見》中，明確提出“加快推動北斗導(dǎo)航核心技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，推動北斗導(dǎo)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(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中，也明確“重點(diǎn)推動衛(wèi)星導(dǎo)航功能成為車載導(dǎo)航和智能手機(jī)終端的標(biāo)準(zhǔn)配置，促進(jìn)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(yīng)用，推動大眾應(yīng)用規(guī)模化發(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(jī)，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(jī)成本、面積大小的限制，手機(jī)終端所使用的導(dǎo)航天線的性能一般比其他終端的導(dǎo)航天線要差。

2）極化的非理想性：手機(jī)通用的平板倒置F天線（PIFA）為線極化，而導(dǎo)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(dǎo)航信號的接收。

4）天線的放置位置：在手機(jī)終端天線設(shè)計中，導(dǎo)航天線可能不得不放置于手機(jī)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(dǎo)航信號的接收。

（2）射頻單元

手機(jī)終端的定位射頻單元經(jīng)常面臨其他強(qiáng)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(jī)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(jī)。

（4）基帶處理

手機(jī)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(qiáng)技術(shù)

為了提高手機(jī)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(qiáng)技術(shù)和衛(wèi)星定位補(bǔ)充技術(shù)。

（1）網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位

網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航定位（A-GNSS）結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站信息和導(dǎo)航衛(wèi)星信息對終端進(jìn)行定位，蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站根據(jù)終端的位置，發(fā)送導(dǎo)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(dǎo)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(jī)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用技術(shù)，目前的智能手機(jī)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(yùn)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(jī)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(dǎo)航信號不利于接收機(jī)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(dǎo)航接收機(jī)將不得不使用非LOS衛(wèi)星信號。多導(dǎo)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(diǎn)，各種新型定位方案不斷涌現(xiàn)，如：WiFi定位、藍(lán)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(diǎn)。為推進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展進(jìn)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(lán)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(biāo)準(zhǔn)化組織也啟動了室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的Study Item（SI）；2015年9月，3GPP RAN全會啟動室內(nèi)定位增強(qiáng)。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(dá)50m內(nèi)；5年內(nèi)，80%的室內(nèi)E911呼叫水平定位精度可達(dá)50m內(nèi)；3年內(nèi)，67%的室內(nèi)E911呼叫垂直定位精度可達(dá)3m內(nèi)；5年內(nèi)，80%的室內(nèi)E911呼叫垂直定位精度可達(dá)3m內(nèi)。

（4）MEMS定位

手機(jī)和平板電腦逐漸開始大量配置微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，尤其是運(yùn)動傳感器，如加速度計、磁力計、陀螺儀，如圖3所示為手機(jī)/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(jī)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(jī)/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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)89.7%，其中，最大的手機(jī)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(dǎo)航定位芯片已很難在智能終端中獲得應(yīng)用，目前主流的智能終端衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片要么與WiFi、藍(lán)牙、FM集成為一顆無線連接芯片，要么與應(yīng)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?fàn)顩r

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(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合推進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化組織中的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布；9月，測試標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布；2G/3G/4G移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)正式支持A-北斗定位技術(shù)。目前，中國通信標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

芯片方面，2014年，在發(fā)改委北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)重大應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用示范，計劃在2016年底，重點(diǎn)支持2000萬部采用自主北斗芯片的北斗智能手機(jī)研發(fā)與應(yīng)用。2015年7月，展訊、海思、聯(lián)芯三大手機(jī)芯片廠商分別發(fā)布了自研的40nm 北斗/ GPS、WiFi、藍(lán)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(jī)整體解決方案，從而一舉打破國外廠商在智能手機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(yù)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(jī)的A-北斗性能得不到發(fā)揮，從而嚴(yán)重影響終端的北斗定位體驗，制約北斗在手機(jī)終端的應(yīng)用。

圖4　eCall系統(tǒng)示意圖

四、智能終端北斗定位應(yīng)用推廣建議

從全球看，國家力量在推動衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)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(jìn)了GPS在手機(jī)中的推廣應(yīng)用。俄羅斯政府為支持自主GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)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(qiáng)制推廣GLONASS以及ERA-GLONASS系統(tǒng)等，通過不斷放風(fēng)“對只配備GPS單導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備（含智能手機(jī)）的關(guān)稅稅率從5%提高到25%”的方式促進(jìn)GLONASS在手機(jī)中的應(yīng)用。為推動歐盟自主伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，歐盟強(qiáng)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(jī)必須支持伽利略系統(tǒng)。

智能終端北斗推廣應(yīng)用對于促進(jìn)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(dǎo)地位的背景下，應(yīng)充分發(fā)揮政府引導(dǎo)和示范作用，推動智能終端北斗定位應(yīng)用，促進(jìn)北斗產(chǎn)業(yè)鏈的壯大完善。①繼續(xù)有序推進(jìn)智能手機(jī)北斗定位國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(yīng)用，真正打通智能手機(jī)北斗定位產(chǎn)業(yè)鏈條。加強(qiáng)政策引導(dǎo)，有序推進(jìn)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(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作、開展特色商業(yè)化應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)和交通應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)，促進(jìn)北斗導(dǎo)航定位應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］GNSS Market Report lssue 4， European Global Navigation Satellite Systems Agency.

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