大眾市場GNSS用戶技術現狀及趨勢
——《GNSS用戶技術報告》簡介之四

● 文 |中國國防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

大眾市場GNSS用戶技術現狀及趨勢
——《GNSS用戶技術報告》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5日發布的第一版《GNSS用戶技術報告》，重點梳理了大眾市場GNSS用戶技術的發展現狀及未來發展趨勢。

GNSS 用戶技術 大眾市場 LBS IoT

一、大眾市場GNSS用戶設備的特性和關鍵性能參數

高可用性和低功耗是大眾市場接收機的關鍵性能特性。GNSS用戶技術大眾市場主要包括：①基于位置的服務（LBS），包括智能手機/平板電腦、便攜式設備、可穿戴設備；②物聯網（IoT），主要是壽命長但使用頻率低的自主設備；③汽車內置的導航/娛樂系統；④用于徒步、騎行及其他戶外活動的便攜式導航設備（PND）或其他手持設備；⑤其他用戶設備，比如用戶級無人機，在視距飛行規則下航行的通用航空飛機、休閑帆船等。其中，就數量和價值而言，GNSS接收機在大眾市場中最主要的用途是基于位置的服務，其次是物聯網，而便攜式導航設備的份額正逐漸被汽車內置系統和智能手機蠶食。

上述大眾市場GNSS用戶設備具有以下特性：①基于位置的服務市場的接受度主要取決于服務的可用性和成本，但它們反過來又限制了可以用于室內定位的高靈敏性GNSS或GNSS/MEMS組合接收機的推廣應用；②上述所列設備絕大多數情況下在聯網條件下使用，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；③這些設備一般采用電池供電，GNSS接收機設計要優先考慮功耗問題；④大多數設備并不需要連續的位置信息，而是只在需要的時候才會使用定位服務，使得GNSS接收機在大多數時間處于關閉或休眠狀態以節省電量，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接收機的關鍵性能參數主要包括：

● 可用性：當用戶或應用需要時，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：大多數都是可移動設備，并且受電池電量限制。因此，低功耗定位技術具有優勢。

● 首次定位時間：大眾市場GNSS接收機的典型應用場景是臨時的短時間應用。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設備。

● 室內穿透能力：很多設備都是在室內或城市區域等GNSS信號弱的環境中提供服務。

二、大眾市場GNSS用戶設備行業格局

大眾市場GNSS芯片具有生產規模大、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GNSS系統的芯片也有幾千萬個。在基于位置的服務占主導地位的大眾市場，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，都可能會影響產品的整個生命周期。而且，大眾市場的創新速率非常高，例如，高端用戶設備已經具備了支持多星座的能力。然而，這些創新僅限于可以保證足夠經濟規模的少數幾個廠商。

大眾市場GNSS用戶設備也面臨挑戰。例如，大眾市場接收機的設計要能夠讓用戶隨時隨地獲取到位置信息。這個挑戰可以通過以下技術解決：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（“WiFi指紋”定位技術、蜂窩網絡定位、泛在無線信號等）或非無線電定位技術（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；④矢量跟蹤技術；⑤衛星陰影匹配等先進算法。顯然，這些技術的研發、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致GNSS與通信（WiFi，藍牙，LTE，FM）功能高度集成在一個芯片上，使得基于位置服務的設備能夠大批量生產。這些因素導致了行業的整合，全球僅有博通、英特爾、聯發科、高通、展訊通訊、意法半導體、德州儀器和U-blox這8家企業能提供這類芯片。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用戶技術大眾市場解決方案還有一個重要特征：大多數接收機都是聯網的，其中大部分是智能手機或平板電腦。這意味著設備操作系統的供應商也在與位置有關信息的收集、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商也是GNSS大眾市場用戶設備行業格局中的重要一環。

三、大眾市場GNSS接收機支持的頻段和星座

北斗、Galileo、QZSS、GPS和GLONASS的發展，以及對用戶在城市峽谷和室內環境中的定位需求，共同推動了GNSS大眾市場接收設備向更加靈活和多星座接收機方向發展。盡管蜂窩網絡、WiFi和相關定位技術能夠為在室內和城市環境中的定位提供一些幫助，但GNSS仍是定位技術的核心，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，設計師必須找到平衡點，并基于此設計芯片的最佳通道數量。最近出現的一種創新技術已解決了這一難題。該技術的架構允許專用通道處理來自不同星座的信號，有望使終端產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處理不同星座組合的功能。

此外，根據GSA調查，雖然市場上65%的接收機支持星基增強系統，但實際中激活星基增強系統功能的終端產品的比例要低得多，其原因是它需要連續運行，因而會大量耗電。

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

四、大眾市場典型接收機的規格與分類

目前，大眾市場應用的所有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，可能會出現支持L5/E5信號的產品。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：最新的基于位置服務的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，優化了成本敏感的應用，使其性能更優且更易于射頻集成。再次，具備易于移植的標稱外形、精密的射頻結構和干擾抑制能力，確保了性能最優化。在不久的將來，這些芯片還有望增加內部閃存，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（WiFi、藍牙、LTE、FM）、MEMS加速度計和陀螺儀以及其他功能。

物聯網：物聯網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，但這些設備極低功耗的要求限制了通道數量。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，從而優化電源消耗。物聯網芯片支持本地和基于服務器的A-GNSS，因而能縮短首次定位時間和降低功耗。

便攜式導航設備：便攜式導航設備芯片提供一個由導航引擎、三維定位和運動傳感器組成的統一平臺，一般會將導航衛星和MEMS慣性傳感器數據進行融合，提供連續的位置信息。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，通常根據用戶需求能在芯片級支持WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN等星基增強系統，以提高定位精度。

其他設備：用于休閑帆船和通用航空等其他應用的產品通常采用為便攜式導航設備市場研發的芯片，足以滿足需求。

五、大眾市場GNSS用戶技術未來發展趨勢

1. 隨處定位

據GSM協會預測：到2020年，世界上五分之四的人都能連接3G/4G網絡。智能手機、平板電腦和可穿戴設備將日益成為人們聯系彼此及連接智能設備的主要接口。在這個超聯通的世界中，基于情景感知和情景交互的應用有著極為廣闊的應用空間，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就顯得尤為重要。

（1）傳感器融合技術的發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的應用。因此，越來越多的智能手機采用GNSS補充技術，使其能夠對每一場景都能提供最優的定位解決方案。GNSS仍然是戶外定位信息的主要來源，而補充技術旨在提升接收機在城市峽谷和室內環境的定位能力。

（2）基于芯片的室內定位技術將極大拓展智能手機定位應用空間

目前智能手機上運行的室內定位系統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定位技術融合到新一代芯片中，或正在改進室內定位技術。還有一些廠商正致力于運動傳感器與位置定位的集成。隨著上述這些技術的發展，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技術進步的主要驅動因素。從目前正在開發的軟件和硬件來看，我們正處于創新時代的尖端，智能手機將很快能提供目前高端專用設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）結果，并可能包含空間飛行器編號、偽隨機碼、給定衛星的方位角和高度等其他信息。目前，只有服務于專業應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，而大多數用戶被認定只關注PVT信息。

新的操作系統正在考慮取消這種限制。例如，谷歌近期宣布，將使Android操作系統中的APP能夠訪問原始GNSS觀測量。通過訪問這些附加數據，大眾市場與專業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RTK精密定位；智能手機不需要附加設備就能獲得EGNOS等星基增強系統的校正量；精度提升以后，還可以研發很多創新應用。

（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，有望看到高端商業系統的技術也能應用到智能手機上。事實上，頂尖智能手機芯片制造商已經在致力于開發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航，使其能夠解決載波相位整周模糊度問題。目前已經證明，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

物聯網設備GNSS接收機正在向高功率效率和微型化發展。物聯網設備通常沒有外加電纜，必須由電池供電或從所處環境中獲取能量。此外，物聯網設備一般要求長壽命，進一步限制了功耗。較大的系統可以承受微瓦到毫瓦的平均功率，而毫米級大小的設備需要具備納瓦級的功耗水平。另一方面，由于連續運行，GNSS接收機也需要較高的功耗。隨著越來越多的物聯網節點成為移動設備，定位功能將逐漸成為嵌入式設計的重要組成部分。因而，向尺寸更小、重量更輕、壽命更長的物聯網設備中增加定位能力，將使其所有層面都面臨著關鍵技術挑戰。為應對這一挑戰，物聯網的各個層面都在進行創新。

（1）傳感器：智能微塵和傳感器網絡推動低功耗、微型化

隨著硅和制造技術的發展，遲早能夠生產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絡。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：低功耗廣域網絡（LPWAN）促進物聯網發展

LPWAN是一種面向帶寬需求低的互聯設備的無線廣域網絡技術，關注很多物聯網應用所要求的作用距離和功率效率。LPWAN具有以下特征：①在不同環境中，作用距離5～50km；②自主性高，智能設備的電池壽命長達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，因供應商而異；⑤無線電訂閱費用低，在1歐元/設備/年量級；⑥與其他技術相比，覆蓋相同區域所需的基站數量小。由于這些優點，LPWAN將對物聯網的發展產生重要影響。

（3）處理：云處理降低設備層功耗

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備處理能力，而是利用基于云端的處理服務，這樣就將對處理能力和功耗要求高的任務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物聯網大會上展出了第一個“基于GNSS的物聯網解決方案”,該方案通過將GNSS位置計算在設備和云端進行合理劃分，實現了功耗最小化。