影響GNSS 用戶技術發展的主要因素
——《GNSS 用戶技術報告》簡介之一

· 文 |中國國防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

影響GNSS 用戶技術發展的主要因素
——《GNSS 用戶技術報告》簡介之一

· 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，到現在GNSS芯片已廣泛集成到眾多智能手機、可穿戴設備中，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星座的建設以及新服務的涌現，促進了GNSS用戶技術蓬勃發展。本文根據歐洲全球導航衛星系統管理局（GSA）2016年10月發布的第一版《GNSS用戶技術報告》，梳理了影響GNSS用戶技術發展的主要因素。

GNSS；半導體技術；傳感器技術

GNSS用戶技術的發展主要受以下三方面因素影響：用戶需求的不斷變化；GNSS星座、頻段等基礎設施的建設改進；半導體及其他潛在技術的發展。

一、用戶需求的變化決定了創新路線圖

用戶行為及需求的變化趨勢將直接影響GNSS用戶技術的發展方向。為更好地了解用戶需求，GSA建立了良好的國際市場監視和預測流程，持續監視和分析用戶需求的變化和市場發展趨勢，并將分析結果在一年一度的《GNSS市場報告》中出版，提供對全球GNSS用戶市場和趨勢的綜合信息，而《GNSS用戶技術報告》則更關注用戶接收機的技術發展趨勢和驅動因素。

二、GNSS的發展提供了增強性能又帶來新問題

目前，所有GNSS基礎設施供應商都在致力于通過現代化或早期部署來進一步改善系統性能。例如，GPS、GLONASS都在實施現代化計劃；Galileo正處于部署階段，預計2020年實現全面運行；中國北斗衛星導航系統正在從區域向全球過渡，預計將于2020年完成。印度的IRNSS和日本的QZSS等區域衛星導航系統（RNSS）也計劃在未來幾年開始運行。此外，還有星基增強系統，美國的WAAS、歐洲的EGNOS、印度的GAGAN都在計劃改進升級，提升服務性能，而俄羅斯的SDCM和中國的SNAS則正在加快部署。

隨著GNSS基礎設施的發展，用戶將能使用在多個頻段廣播的大量信號，提升服務性能，但也帶來了新的問題：

1．選擇哪個GNSS/RNSS？

所有GNSS和RNSS都使用相同的頻段并相互兼容。但是，它們的信號不同：有些信號測量精度高，有些信號捕獲速度快，有些信號處理功耗低。沒有“最好”的信號或信號組合，只有更適應用戶特定場景的信號。

2．使用多少顆衛星？

不久的將來，約有120顆衛星在L1/E1頻段廣播測距信號，在L5/E5頻段廣播信號的衛星更多。這意味著GNSS接收機能夠同時接收到約50顆衛星的信號，使GNSS接收機能夠在不影響幾何精度因子（GDOP）的情況下舍棄低質量的觀測量，從而提升服務質量。實現這一目標的關鍵是恰當評估觀測量。因此，GNSS接收機必須有合適的選擇或拒止策略。

3．使用哪些頻段？

對于低精度或中等精度的應用，一個頻段已足夠。目前單頻定位使用的是L1/E1，但可以預見的是，L5/E5將為單頻定位提供另一選擇。對于高精度應用，經常要使用雙頻觀測量以消除電離層傳播延遲或解決在實時動態差分（RTK）和精密單點定位（PPP）中遇到的載波相位模糊問題。目前通常使用L1+L2組合，而L5由于廣播衛星數量多且不易受干擾將很快成為第二頻段的替代選擇。此外，高精度應用也可以通過三載波模糊度解（TCAR）技術使用三個頻段的信號。而對于安全攸關的應用，冗余度和抗干擾能力十分重要，L1/E1 + L5/E5無疑是最佳選擇。

4．提供哪些服務？

一些提供獨特特性的服務并不是所有GNSS星座都有的。例如，Galileo提供的商用服務，為訂購該服務的用戶提供非常高精度的增強性能；開放服務的導航信息認證（NMA），這是Galileo的一項創新，可保護開放服務用戶不受欺騙干擾。

三、半導體技術的發展將直接影響GNSS接收機性能

根據“摩爾定律”，芯片上晶體管的數量約兩年增加一倍。晶體管尺寸的減小直接使單個芯片上晶體管數量增多以及處理器時鐘頻率提升，進而增強處理器性能。同時根據“登納德縮放比例定律”，由于晶體管尺寸的減小，處理器所需的功耗在面積比率上保持不變，使處理器功率效率顯著提升。半導體芯片尺寸、密度和效率的快速發展，已經促進了專用集成電路設備功能的顯著提升，使智能手機、GNSS接收機等電子產品的復雜性前所未有的增加。同時，GNSS模塊的功耗也在不斷降低。過去一個基本GPS芯片的功耗要200mW，現在相同的芯片僅需要20mW，而且具備處理多個星座、多種信號的能力。

但從大約2005年起，“登納德縮放比例定律”的預測再沒能達到之前的速率，晶體管數量的增加只能通過多核處理器維持。這種減緩現象導致性能的任何持續提升都面臨以下兩種挑戰：能夠有效配置多核的軟件技術的發展；晶體管替代技術的發展。由于“登納德縮放比例定律”的終結，半導體行業已經將研究重點從提升處理能力轉移到后摩爾時代（MtM）的概念：提升功率效率和設備利用率。對GNSS接收機而言，射頻端或軟件定義無線電領域可能會得到進一步發展。

四、軟件定義GNSS接收機將提供更大的靈活性

伴隨綜合處理能力的發展，出現了一種新的發展趨勢：利用軟件來處理傳統上需要專用硬件解決的問題。GNSS用戶技術領域已經開發了軟件定義GNSS接收機和仿真器。

軟件定義GNSS接收機利用常規接收機的天線和前端硬件，并使用承載平臺的數字計算能力來執行通常由特定GNSS專用集成電路完成的所有其他任務（信號處理、導航位置解算等）。軟件定義GNSS接收機相比硬件接收機顯著提高了靈活性，但這是以降低效率為代價的（提高了功耗和主系統的計算負荷）。因此，它們目前的應用局限于開發工具。而GNSS仿真器是利用軟件定義無線電來開展新型定位算法的快速原型設計。

GNSS接收機技術短期到中期發展的關鍵問題是，數字信號處理技術的發展能否使軟件接收機成為主流，這意味著GNSS的功能實現從專用集成電路轉向軟件。考慮到近年來半導體技術特別是與數字處理相關技術的發展，這樣的轉變是很有可能的，雖然未來五年可能不會實現。

五、傳感器技術的進步將催生新的定位技術

汽車定位系統、智能手機和平板電腦正在推動傳感器技術的創新，促進了組合傳感器封裝、傳感器中樞（專用處理器）以及“智能傳感器”（融合軟件的集成傳感器）的發展。

加速度計和陀螺儀等慣性傳感器在行業至少是在消費類產品中占據最大的份額。它們通常被集成為一個6軸組合（有時加入磁強計，9軸聯合體），稱為“運動傳感器”。隨著尺寸、成本、功耗的迅速降低，慣性傳感器在智能手機、可穿戴設備等領域已得到廣泛應用。

除了慣性傳感器，汽車的先進駕駛輔助系統和無人駕駛車輛的發展促進了低成本、高性能相機、紅外、CMOS成像儀和超聲傳感器的發展。這些傳感器也可能出于定位目的而被廣泛應用。在晶體振蕩器方面，芯片級原子鐘已經實現商業化，未來的研究將繼續致力于提高其效費比。隨著GNSS接收機尺寸和功耗的大幅下降，電池能量密度提高的同時成本不斷降低，未來這些設備會變得更小，并提供更多未知應用。

隨著傳感器技術的發展，現在算法設計師可以獲得比以往更多的傳感器數據，通過將其融合產生新的定位技術。這些技術能夠克服GNSS不利環境的挑戰，但還難以量化性能。因此，這些技術必須達到相當成熟的水平才能用于攸關生命安全的服務。