一、GNSS大眾市場的特征

1.GNSS大眾市場設(shè)備特性

高可用性和低功耗仍然是大眾市場接收機(jī)的關(guān)鍵性能特征，同時(shí)高端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高精度定位。GNSS大眾市場主要包括：①基于位置的服務(wù)（LBS），包括智能手機(jī)/平板電腦、可穿戴設(shè)備和便攜式設(shè)備；②物聯(lián)網(wǎng)（IoT），包括連接互聯(lián)網(wǎng)的物理設(shè)備；③汽車解決方案，包括跟蹤和導(dǎo)航；④無人機(jī)，如在帶有高清攝像頭的第一人稱視角（FPV）無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)基本導(dǎo)航功能。

LBS仍然在大眾市場中占據(jù)主要地位，用戶通常在使用智能手機(jī)、平板電腦、跟蹤設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、健身裝備和其他設(shè)備時(shí)通過GNSS定位。隨著技術(shù)進(jìn)步，GNSS在人工智能、實(shí)時(shí)定制生態(tài)系統(tǒng)、超移動性和共同責(zé)任等方面可能會有進(jìn)一步發(fā)展。

為了在現(xiàn)有LBS設(shè)備中實(shí)現(xiàn)所需性能，經(jīng)常會用到其他技術(shù)對GNSS定位進(jìn)行補(bǔ)充，包括：蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、無線局域網(wǎng)（WLAN）或WiFi定位、無線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）、低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）、無線射頻識別（RFID）、超寬帶（UWB）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀和加速度計(jì)等。

2.關(guān)鍵性能參數(shù)

在以往的報(bào)告中，大眾市場的關(guān)鍵性能參數(shù)包括：可用性、功耗、首次定位時(shí)間和室內(nèi)穿透能力。根據(jù)最近的發(fā)展趨勢，特別是用戶級無人機(jī)、測繪和地理信息系統(tǒng)、移動醫(yī)療等方面的發(fā)展，許多應(yīng)用程序從按需定位轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的位置信息，對更多關(guān)鍵性能提出了更高要求。本報(bào)告增加了以下幾項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)：準(zhǔn)確性、連續(xù)性、強(qiáng)健性和完好性。

3.用戶需求

用戶對GNSS提出了不同要求。制造商通過不同方式組合芯片，并使用差異化技術(shù)對固件或軟件優(yōu)化升級。圖1顯示了如何針對消費(fèi)者需求調(diào)整設(shè)備GNSS關(guān)鍵性能參數(shù)。

圖1 大眾市場接收機(jī)的相關(guān)參數(shù)

二、GNSS大眾市場的行業(yè)格局

雖然具備LBS功能的智能手機(jī)市場仍在增長，但已經(jīng)形成的新市場（汽車、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等）和新興領(lǐng)域（企業(yè)應(yīng)用、社交網(wǎng)絡(luò)、體育和游戲，以及快速發(fā)展的用戶級無人機(jī)）也在影響技術(shù)發(fā)展。車載診斷、慣性導(dǎo)航、藍(lán)牙、低能量信標(biāo)等技術(shù)也為各類應(yīng)用提供了巨大的發(fā)展空間。

從地理角度來看，非歐盟國家企業(yè)在大眾市場占主導(dǎo)地位，北美企業(yè)在芯片市場處于領(lǐng)先地位，亞洲企業(yè)則在手機(jī)收入方面處于領(lǐng)先地位。

大眾市場的重要特征之一就是在每個(gè)不同領(lǐng)域都聚集了不同制造商。例如，高通公司、博通公司和臺灣聯(lián)發(fā)科技股份有限公司在智能手機(jī)市場占據(jù)主導(dǎo)地位；U-blox公司和意法半導(dǎo)體集團(tuán)在汽車和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位；索尼半導(dǎo)體以超低功耗解決方案進(jìn)入可穿戴設(shè)備市場；英特爾繼續(xù)在筆記本電腦方面領(lǐng)先，并正在進(jìn)入智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無處不在的智能手機(jī)芯片帶來了用戶級無人機(jī)的指數(shù)式增長。對無人機(jī)進(jìn)行地理圍欄管理所需的PNT性能，正在增加對大量芯片準(zhǔn)確性和完好性的需求。

目前，GNSS大眾市場已經(jīng)基本達(dá)到飽和，部分企業(yè)試圖通過提供差異化解決方案實(shí)現(xiàn)突破。盡管全球芯片供應(yīng)商的領(lǐng)先地位穩(wěn)定，但新技術(shù)使越來越多初創(chuàng)企業(yè)在市場中占據(jù)一席之地。

三、GNSS大眾市場接收機(jī)的性能

到2018年，支持多星座已經(jīng)成為大眾市場接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，多頻芯片也已經(jīng)在大眾市場批量生產(chǎn)。這造成了優(yōu)質(zhì)芯片和低成本芯片的分化，前者依據(jù)性能區(qū)分產(chǎn)品，后者則以成本和功耗為主。

1.支持多星座

由于當(dāng)前的GNSS星座均已提供全面運(yùn)行服務(wù)，多星座定位能力和在節(jié)能模式下選用星座的能力，已成為大量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)用戶身處城市峽谷和室內(nèi)環(huán)境時(shí)，盡管設(shè)備中固有的通信技術(shù)能夠提供一些幫助，但GNSS 仍是定位技術(shù)的核心，且采用多星座能夠提升接收機(jī)的性能。隨著新型專用集成電路（ASIC）的設(shè)計(jì)和開發(fā)成本增加，產(chǎn)品通過模塊和設(shè)備級別的固件配置而非硬件配置來實(shí)現(xiàn)多星座功能。自上一版報(bào)告發(fā)布以來，支持北斗、Galileo、GLONASS和準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）的接收機(jī)均有所增加。目前，支持所有星座的接收機(jī)最為常見。

支持多星座定位會增加接收機(jī)的成本、處理負(fù)荷和功耗，開發(fā)者必須找到平衡點(diǎn)，而一些低成本設(shè)備也具備了實(shí)現(xiàn)專門星座功能的架構(gòu)，從而導(dǎo)致了市場中優(yōu)質(zhì)高性能接收機(jī)和低成本低功耗接收機(jī)之間的分化。

2.支持多頻段

盡管GNSS大眾市場設(shè)備目前僅使用L1/E1信號，但在2017年推出了可支持L5/E5a信號的優(yōu)質(zhì)芯片。采用這類芯片的智能手機(jī)已于2018年6月面世，預(yù)計(jì)還會有更多其他產(chǎn)品。

雙頻接收機(jī)提供更高的精度和強(qiáng)健性，同時(shí)接入了目前僅在專業(yè)接收機(jī)中使用的高精度技術(shù)（精密單點(diǎn)定位技術(shù)和實(shí)時(shí)動態(tài)），從而打破了其與專業(yè)接收機(jī)之間的界線。

四、GNSS大眾市場接收機(jī)的規(guī)格

近年來，大眾市場接收機(jī)發(fā)展迅速，并具備了不同功能。LBS設(shè)備主要使用E1/L1信號并支持多星座定位，現(xiàn)已推出雙頻接收機(jī)；在物聯(lián)網(wǎng)方面，制造商開發(fā)出了連續(xù)跟蹤功耗低于3mA的接收機(jī)；用戶級無人機(jī)則采用專為LBS模塊設(shè)計(jì)的低成本GNSS接收機(jī)；一些汽車也開始支持雙頻接收機(jī)，隨著自動駕駛汽車進(jìn)入市場，GNSS功能成為關(guān)鍵指標(biāo)，新一代芯片將不斷升級，以滿足ISO 26262中ASIL等級的安全要求。

LBS接收機(jī)：過去，是否支持GNSS星座是區(qū)分低成本和高級接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)則是頻段。大多數(shù)LBS接收機(jī)將繼續(xù)使用L1/E1頻段并支持多星座，實(shí)際上更傾向于使用單星座定位以保持較低功耗。新一代接收機(jī)支持L1/E1和L5/E5a信號，可支持高級智能手機(jī)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)接收機(jī)：大多支持多星座定位，用戶可以選擇星座以優(yōu)化電源消耗。采用省電模式后，通過降低靈敏度和更新速率以及禁止跟蹤星基增強(qiáng)系統(tǒng)等，可顯著降低功耗?？刂普伎毡热匀皇墙档凸牡氖走x方法，采用A-GNSS也是縮短首次定位時(shí)間的重要方法。

無人機(jī)接收機(jī)：通常作為包含MEMS加速度計(jì)/陀螺儀以及其他功能的模塊提供給無人機(jī)制造商。典型的無人機(jī)接收機(jī)可提供多星座解決方案。由于用戶級無人機(jī)的運(yùn)行時(shí)間受到推進(jìn)力的限制，因此對LBS模塊功耗的考慮要優(yōu)先于對GNSS模塊功耗的考慮。

汽車接收機(jī)：汽車接收機(jī)受功耗限制較少，不會通過工作循環(huán)降低靈敏度，可以跟蹤所有衛(wèi)星和星基增強(qiáng)系統(tǒng)，并采用多頻率。汽車接收機(jī)還可以使用外部有源天線提高信號強(qiáng)度。即使在信號受損的情況下，通過緊耦合衛(wèi)星和MEMS慣性傳感器也可實(shí)現(xiàn)高速位置輸出。

五、GNSS大眾市場的發(fā)展趨勢

1.雙頻接收機(jī)

（1）更高精度

2017-2018年，制造商面向大眾市場推出了多頻接收機(jī)，這為高精度技術(shù)打開了大門，使接收機(jī)的定位精度達(dá)到分米級，滿足了用戶對精度的需求。隨著移動醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)和地理信息系統(tǒng)服務(wù)等應(yīng)用的發(fā)展，用戶對定位的水平和垂直精度要求更高，精度從米級提高到分米級。采用雙頻測量可以實(shí)現(xiàn)直接電離層延遲，并使用差分技術(shù)和動態(tài)載波相位定位技術(shù)。在城市環(huán)境中，還需要多星座來實(shí)現(xiàn)更加精確的解決方案，從而提供良好的精度因子（DOP），故障檢測與排除殘差，以及足夠的無多徑測量方案。

（2）潛力巨大

2018年1月，《GPS世界》雜志發(fā)布了Trimble公司對Android定位的調(diào)研結(jié)果：在理想條件下，使用BCM47755芯片和天線可實(shí)現(xiàn)厘米級精度。雖然與現(xiàn)有的專業(yè)GNSS設(shè)備相比，Android定位的模糊度收斂時(shí)間會受到影響，但這也為用戶級接收機(jī)的發(fā)展提供了一種可能性。諾瓦泰公司使用其高精度定位引擎和校正服務(wù)測試了用于汽車精確定位的Teseo APP和Teseo V芯片，以驗(yàn)證使用芯片的雙頻功能可顯著減少位置誤差。上述結(jié)果表明，在合適的條件下可以實(shí)現(xiàn)亞米級定位精度。隨著大眾市場硬件的局限性不斷被突破，亞米級精度將變得司空見慣，并將為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等一系列新應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

（3）性能差異化

支持雙頻（E1/L1+E5/L5）GNSS的智能手機(jī)上市（第一款是小米的Mi 8），前所未有的定位精度使它們在市場上脫穎而出。這些智能手機(jī)裝有博通公司BCM47755雙頻GNSS芯片，該芯片于2017年推出，是第一款專為大眾市場設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的芯片，能夠以30cm的精度生成修正，更可靠地減少城市多路徑引起的誤差，使用戶可以體驗(yàn)增強(qiáng)定位精度。未來，雙頻GNSS或?qū)⒊蔀樾阅懿町惢囊蛩?，下一代智能手機(jī)將根據(jù)其GNSS接收機(jī)的性能進(jìn)行分類。

2.GNSS原始觀測數(shù)據(jù)

谷歌公司于2016年在Android Nougat及以上系統(tǒng)開放GNSS原始觀測數(shù)據(jù)。此后，第三方開發(fā)人員可以訪問載波和碼觀測量，并在更多用戶級接收機(jī)中解碼導(dǎo)航信息。這為APP開發(fā)者和用戶使用先進(jìn)GNSS處理技術(shù)（之前僅限于專業(yè)接收機(jī)）提供了可能，使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、基于位置服務(wù)的廣告、移動健康和資產(chǎn)管理等應(yīng)用提高定位的準(zhǔn)確性。

3.厘米級精度與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）通過將計(jì)算機(jī)生成的信息“疊加”在真實(shí)場景中，增強(qiáng)用戶對現(xiàn)實(shí)的感知。目前，得益于可處理圖像的大眾市場移動設(shè)備（如智能手機(jī)）、新的GNSS星座和性能更優(yōu)的接收機(jī)，許多場景中可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。厘米級高精度的時(shí)空信息可確保增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的良好運(yùn)行。

（1）大眾市場的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序需要克服兩個(gè)關(guān)鍵問題：必須確定攝像機(jī)的位置和方向，必須正確識別并顯示現(xiàn)實(shí)環(huán)境?，F(xiàn)有的大眾市場設(shè)備可以使用多星座雙頻GNSS接收機(jī)獲得非常準(zhǔn)確的位置信息，同時(shí)通過融合嵌入式MEMS器件進(jìn)一步增強(qiáng)位置信息，并在信號出現(xiàn)問題時(shí)提供航位推算所需信息。MEMS器件還可以提供攝像機(jī)的位置與方向信息。由于存儲成本降低、計(jì)算能力增加，利用已有存儲信息和SLAM技術(shù)識別環(huán)境變得越來越重要。目前，很多智能手機(jī)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)基本的圖像識別，如有效識別地板和墻壁等，催生了Wallame、PokemonGo等應(yīng)用程序和ARCore等軟件平臺的出現(xiàn)。

（2）更加復(fù)雜的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

雖然目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以有效識別平面，并且GNSS接收機(jī)的現(xiàn)有精度可滿足基本需求，但更加復(fù)雜的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用要求成功識別現(xiàn)實(shí)世界對象，并且提供最高精度的位置信息?？紤]到環(huán)境中物體的可變性和數(shù)量，需要利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的圖像識別技術(shù)，確保設(shè)備能適當(dāng)?shù)刈R別物品。例如，在室內(nèi)環(huán)境中，結(jié)合從WiFi和藍(lán)牙等來源獲得的信息，可以確定建筑結(jié)構(gòu)或?qū)嵱迷奈恢煤鸵晥D，進(jìn)而創(chuàng)建其虛擬圖像。位置精度的提高促使基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的新概念出現(xiàn)。例如，不僅可以訪問特定位置的信息，還可以在3D空間中繪制或創(chuàng)建內(nèi)容。3D空間中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用如圖2所示。

圖2 3D空間中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

4.機(jī)器人定位

目前，沒有一個(gè)大眾市場設(shè)備具有高級機(jī)器人所需的全部功能，但這些特定的功能越來越多地在無人機(jī)、船只和汽車中實(shí)現(xiàn)，為今后將其引入機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。

（1）自主導(dǎo)航

確保機(jī)器人能夠自主導(dǎo)航并且不會造成事故和中斷，關(guān)鍵在于自動識別圖像并使機(jī)器人可獲取位置和方向的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，這與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的要求相似。有效方法是利用定位準(zhǔn)確且高效節(jié)能的GNSS接收機(jī)，將GNSS信息與傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而確定設(shè)備或機(jī)器人的位置與方向。

（2）地理圍欄

機(jī)器人進(jìn)入受限區(qū)域（如高速公路）會帶來明顯的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著地理空間數(shù)據(jù)的可用性和準(zhǔn)確性不斷提高，由GNSS驅(qū)動的地理圍欄將成為解決方案之一，這類解決方案已經(jīng)在用戶級無人機(jī)和機(jī)器人割草機(jī)等設(shè)備中使用，防止它們進(jìn)入受限區(qū)域。此外，動態(tài)地理圍欄會隨著條件和環(huán)境的變化而變化，必須及時(shí)傳輸給機(jī)器人和自動化設(shè)備，因此良好的連接性也非常重要。圖3為地理圍欄與動態(tài)地理圍欄方案示意圖。

圖3 地理圍欄與動態(tài)地理圍欄方案示意圖

5.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

到2022年，290億臺連接設(shè)備中約有180億臺設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)，從而形成一個(gè)巨大的物聯(lián)網(wǎng)市場。目前，由于高功耗的限制和低功率網(wǎng)絡(luò)的廣泛可用，GNSS在物聯(lián)網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用受到了一定影響。但基于云技術(shù)的GNSS接收機(jī)可以改變這一現(xiàn)狀。

（1）GNSS與物聯(lián)網(wǎng)

2018年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總量將超過移動電話，這些設(shè)備包括聯(lián)網(wǎng)汽車、機(jī)器、儀表，可穿戴設(shè)備和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品。這些設(shè)備的出現(xiàn)已經(jīng)，并將導(dǎo)致使用定位服務(wù)和應(yīng)用程序的數(shù)量大大增加。雖然GNSS是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備定位最準(zhǔn)確且無處不在的資源，但由于低成本物聯(lián)網(wǎng)傳感器要求更低功耗，可能會采用其他一些不太準(zhǔn)確的定位技術(shù)。

最新技術(shù)發(fā)展可能進(jìn)一步促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)對GNSS的使用。為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建基于云的GNSS接收機(jī)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，包括GNSS信號的云處理、物聯(lián)網(wǎng)傳感器捕獲GNSS信號并將其發(fā)送到服務(wù)器等，從而降低設(shè)備層功耗。

（2）越來越受關(guān)注的安全性

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的連接設(shè)備為各行業(yè)提供了解決方案，為經(jīng)濟(jì)增長提供了新的商機(jī)，同時(shí)也帶來了各種新的安全威脅。事實(shí)上，在監(jiān)控假釋等執(zhí)法應(yīng)用或資產(chǎn)跟蹤等商業(yè)應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能需要傳遞敏感或受限信息，這使其更容易受到欺騙攻擊。在這些應(yīng)用程序中，定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）信息的安全性非常重要，Galileo（OS-NMA和SAS）提供的認(rèn)證服務(wù)可能具有一定價(jià)值，因?yàn)樗鼈儗⒋_保用戶獲得的PNT信息來自太空信號，并且無法被篡改。