· 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(fā)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(xiàn)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(xiàn)，促進了GNSS用戶技術蓬勃發(fā)展。本文根據(jù)歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）2016年10月發(fā)布的第一版《GNSS用戶技術報告》，梳理了影響GNSS用戶技術發(fā)展的主要因素。

GNSS；半導體技術；傳感器技術

GNSS用戶技術的發(fā)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(fā)展。

一、用戶需求的變化決定了創(chuàng)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(fā)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(jiān)視和預測流程，持續(xù)監(jiān)視和分析用戶需求的變化和市場發(fā)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(fā)展趨勢和驅(qū)動因素。

二、GNSS的發(fā)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(xiàn)代化或早期部署來進一步改善系統(tǒng)性能。例如，GPS、GLONASS都在實施現(xiàn)代化計劃；Galileo正處于部署階段，預計2020年實現(xiàn)全面運行；中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正在從區(qū)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(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)（RNSS）也計劃在未來幾年開始運行。此外，還有星基增強系統(tǒng)，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(fā)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(wèi)星？

不久的將來，約有120顆衛(wèi)星在L1/E1頻段廣播測距信號，在L5/E5頻段廣播信號的衛(wèi)星更多。這意味著GNSS接收機能夠同時接收到約50顆衛(wèi)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(zhì)量的觀測量，從而提升服務質(zhì)量。實現(xiàn)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(jīng)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(tài)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(wèi)星數(shù)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(chuàng)新，可保護開放服務用戶不受欺騙干擾。

三、半導體技術的發(fā)展將直接影響GNSS接收機性能

根據(jù)“摩爾定律”，芯片上晶體管的數(shù)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(shù)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(jù)“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(fā)展，已經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)量的增加只能通過多核處理器維持。這種減緩現(xiàn)象導致性能的任何持續(xù)提升都面臨以下兩種挑戰(zhàn)：能夠有效配置多核的軟件技術的發(fā)展；晶體管替代技術的發(fā)展。由于“登納德縮放比例定律”的終結，半導體行業(yè)已經(jīng)將研究重點從提升處理能力轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)展，出現(xiàn)了一種新的發(fā)展趨勢：利用軟件來處理傳統(tǒng)上需要專用硬件解決的問題。GNSS用戶技術領域已經(jīng)開發(fā)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(guī)接收機的天線和前端硬件，并使用承載平臺的數(shù)字計算能力來執(zhí)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(tǒng)的計算負荷）。因此，它們目前的應用局限于開發(fā)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(fā)展的關鍵問題是，數(shù)字信號處理技術的發(fā)展能否使軟件接收機成為主流，這意味著GNSS的功能實現(xiàn)從專用集成電路轉(zhuǎn)向軟件?？紤]到近年來半導體技術特別是與數(shù)字處理相關技術的發(fā)展，這樣的轉(zhuǎn)變是很有可能的，雖然未來五年可能不會實現(xiàn)。

五、傳感器技術的進步將催生新的定位技術

汽車定位系統(tǒng)、智能手機和平板電腦正在推動傳感器技術的創(chuàng)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(fā)展。

加速度計和陀螺儀等慣性傳感器在行業(yè)至少是在消費類產(chǎn)品中占據(jù)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(lián)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(tǒng)和無人駕駛車輛的發(fā)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(fā)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(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，未來的研究將繼續(xù)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(fā)展，現(xiàn)在算法設計師可以獲得比以往更多的傳感器數(shù)據(jù)，通過將其融合產(chǎn)生新的定位技術。這些技術能夠克服GNSS不利環(huán)境的挑戰(zhàn)，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。