智能终端北斗定位技术、标准及产业发展状况

●文｜中国信息通信研究院技术与标准研究所　刘思杨



智能终端北斗定位技术、标准及产业发展状况

●文｜中国信息通信研究院技术与标准研究所刘思杨

北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的卫星导航系统，是全球四大卫星导航系统之一，是我国重大空间和信息化基础设施，也是我国国民经济稳定安全运行的重要保障。2015年3月30日，首颗新一代北斗导航卫星成功发射，北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展启动实施。随着北斗区域系统全面商用，北斗全球系统启动实施，推动北斗卫星导航系统的产业化、市场化、规模化应用进入关键阶段。目前，各个导航市场，无论是行业市场还是大众市场，智能终端是最重要的卫星导航应用设备，无论是出货量还是收入水平，智能终端设备，包括智能手机和平板终端都是最大的，分别占80%和90%。

一、智能终端应用对于推动北斗产业的重要意义

1.智能终端北斗定位具备十分广阔的市场前景

以智能手机、平板电脑等移动终端为载体的位置服务（LBS）市场已成为最主要的卫星导航定位市场。根据美国市场研究公司IDC的数据，2014年全年手机出货量达到18.7亿部，其中，智能手机出货量达到12.68亿部，占全球手机总出货量的67.8%。由于卫星导航定位已成为智能手机的基本和标准配置，因此具备卫星导航定位功能手机的渗透率也在迅猛增长。根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）统计，2015年，具备卫星导航定位功能的手机出货量将接近15亿部；同时预测，在2013 - 2023年，以智能手机、平板等移动终端为代表的卫星导航定位LBS市场累积收入则将占到全球卫星导航定位市场收入的53.2%。如图1、图2所示。

2.北斗在智能终端的推广应用将从技术、芯片、应用、市场竞争力等各方面有力推动北斗导航产业结构升级

从技术角度，智能手机北斗定位需在低成本器件、强干扰环境、非理想设计的限制下，保证快速高效定位并适应各种应用场景，同时还需与其他定位方案有效结合。从芯片角度，智能手机北斗定位芯片的工艺制程高（目前至少需40nm或更优）、集成度高（目前至少需与WiFi、蓝牙、FM集成为同一个连接芯片）、功耗要求高，同时需与主控芯片、蜂窝通信芯片、连接芯片、传感芯片紧密配合。从应用角度，智能手机北斗定位需有效融合北斗导航、移动通信、地理信息以及互联网技术，做到云、管、端相结合，开展特色应用，才有竞争力。从市场竞争力角度，虽然智能手机北斗定位市场容量大，但是无保护性门槛、竞争异常激烈，市场获取难度非常高，需有效控制成本，并具备终端一体化解决方案提供能力。

图1　2013-2023年全球各类卫星导航设备出货量统计及预估（数据来源：GSA）

图2　2013-2023年全球各类卫星导航设备累计收入预估（数据来源：GSA）

3.我国高度重视北斗定位在智能终端中的推广应用

在《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》中，明确提出“加快推动北斗导航核心技术研发和产业化，推动北斗导航与移动通信、地理信息、卫星遥感、移动互联网等融合发展，支持位置信息服务市场拓展”。在国务院发布的《国家卫星导航产业中长期发展规划》中，也明确“重点推动卫星导航功能成为车载导航和智能手机终端的标准配置，促进其在社会服务、旅游出行、弱势群体关爱、智慧城市等方面的多元化应用，推动大众应用规模化发展”。

二、智能终端定位技术发展趋势

1.智能终端定位难度大

相比于专用的卫星定位接收机，智能终端由于以下因素的限制，其卫星定位难度要更大。

（1）天线部分

1）低成本天线：由于手机成本、面积大小的限制，手机终端所使用的导航天线的性能一般比其他终端的导航天线要差。

2）极化的非理想性：手机通用的平板倒置F天线（PIFA）为线极化，而导航信号一般是圆极化。

3）天线的指向性：PIFA天线一般具有一定的指向性，可能影响导航信号的接收。

4）天线的放置位置：在手机终端天线设计中，导航天线可能不得不放置于手机的底部，或者放置的位置会被用户的手部分或全部遮挡，从而影响导航信号的接收。

（2）射频单元

手机终端的定位射频单元经常面临其他强信号无线系统（如2G/3G/4G、WLAN、BT、FM）的发射干扰。

（3）晶振

手机终端的晶振出于成本的考虑，其性能一般也差于其他终端的卫星定位接收机。

（4）基带处理

手机终端的定位场景多位于城市地区，基带处理算法需要考虑多径信号的影响并能有效处理微弱信号，同时，基础处理还需尽最大可能的提高定位的速度和精度，减小功耗，提升用户体验。

2.智能终端卫星定位增强技术

为了提高手机终端的卫星定位能力，满足用户需求，业界提出了多种卫星定位增强技术和卫星定位补充技术。

（1）网络辅助卫星导航定位

网络辅助卫星导航定位（A-GNSS）结合蜂窝网络基站信息和导航卫星信息对终端进行定位，蜂窝网络基站根据终端的位置，发送导航卫星系统的辅助信息，终端根据此辅助信息快速搜索到导航卫星，加速定位过程。由于A-GNSS利用了辅助信息，在城市等卫星信号不稳定、可见卫星相对较少的环境，大大减少了定位所需的时间，带来了良好的用户体验。A-GNSS技术已成为智能手机的标准应用技术，目前的智能手机均支持GPS和网络辅助GPS （A-GPS）。国际产业链巨头也各自建设了A-GPS定位平台，用于为终端提供更好的定位服务，包括运营商（如AT&T、Verizon、德国电信）、终端厂商（如微软/诺基亚）、芯片厂商（如高通、博通、CSR）、终端操作系统厂商（如谷歌）、定位方案厂商（如RxNetworks、TruePosition）等。

（2）多星座卫星定位

定位接收机使用的直视径（LOS）卫星数直接影响定位的精度，多半情况下， 非LOS导航信号不利于接收机的精度。然而，某些环境下，如城市峡谷地区，在不能得到足够多的LOS卫星信号时，导航接收机将不得不使用非LOS卫星信号。多导航星座联合定位将显著增加可见卫星数，提高定位精度。

（3）室内定位

室内定位成为研究热点，各种新型定位方案不断涌现，如：WiFi定位、蓝牙定位、RFID定位、甚至LED定位、地磁定位等。各大公司也纷纷布局室内定位，抢占产业制高点。为推进室内定位技术发展进程，2012年8月，诺基亚、三星、索尼及高通等二十多家公司成立了室内定位联盟，该联盟致力于以WiFi及蓝牙信号为基础来提供室内定位解决方案。2012年11月，高通和思科宣布将基于两者的WiFi平台，提供更优质的室内定位方案。2013年3月，苹果收购了WiFi室内定位提供商WifiSlam公司。3GPP、IEEE 等国际标准化组织也启动了室内定位标准制定。2014年6月，3GPP RAN（居民接入网）全会启动室内定位增强的Study Item（SI）；2015年9月，3GPP RAN全会启动室内定位增强。IEEE也在2014年启动了802.11az下一代定位项目。2014年2月，FCC开始起草关于E911室内定位的新规则，根据目前的草案，FCC要求自规则被正式通过后的2年内，67%的室内E911呼叫水平定位精度可达50m内；5年内，80%的室内E911呼叫水平定位精度可达50m内；3年内，67%的室内E911呼叫垂直定位精度可达3m内；5年内，80%的室内E911呼叫垂直定位精度可达3m内。

（4）MEMS定位

手机和平板电脑逐渐开始大量配置微机电系统（MEMS）传感器，尤其是运动传感器，如加速度计、磁力计、陀螺仪，如图3所示为手机/平板MEMS传感器渗透率。传感器定位也成为重要的辅助定位手段，甚至成为主要的定位方式之一。目前，手机和平板的传感器定位主要用于辅助其他定位方案，在其他定位方案短时失效的情况下，用来维持定位精度。

图3　手机/平板 MEMS传感器渗透率

随着LBS业务的愈加丰富，智能终端用户对于定位的要求越来越高，未来智能终端必将通过多种定位方案的融合以便在各种复杂场景下为用户提供综合的位置服务。

在智能终端卫星导航定位芯片市场中，国外芯片厂商，尤其是大型通信芯片厂商，占据绝对统治地位。据咨询公司ABI Research数据显示，全球卫星导航定位芯片市场占有率最高的五家公司分别是高通、博通、联发科、u-Blox和CSR（Cambridge Silicon Radio）。前三家均为综合型通信芯片厂商，市场份额之和高达89.7%，其中，最大的手机芯片厂商高通占据接近6成的市场份额，遥遥领先其他厂商。从产品形态来看，单卫星导航定位芯片已很难在智能终端中获得应用，目前主流的智能终端卫星导航定位芯片要么与WiFi、蓝牙、FM集成为一颗无线连接芯片，要么与应用处理芯片或基带通信芯片集成在一起。

三、智能终端北斗定位技术与产业发展状况

鉴于A-GNSS技术在智能终端中的重要作用，2013年初，工信部和总装北斗办联合成立了“移动通信领域北斗国际标准联合推进工作组”以推动网络辅助北斗定位（A-北斗）技术在3GPP、3GPP2、OMA等国际标准化组织中的标准化工作。历时两年，2015年3月，移动通信系统北斗定位技术标准和性能标准正式发布；9月，测试标准正式发布；2G/3G/4G移动通信国际标准正式支持A-北斗定位技术。目前，中国通信标准化协会（CCSA）多个工作委员会正在紧锣密鼓的制定移动通信北斗终端、以及定位系统的行业标准。

芯片方面，2014年，在发改委北斗卫星导航产业重大应用示范发展专项支持下，工信部成功组织国内终端厂商、芯片厂商开展了北斗卫星导航系统在消费电子领域的应用示范，计划在2016年底，重点支持2000万部采用自主北斗芯片的北斗智能手机研发与应用。2015年7月，展讯、海思、联芯三大手机芯片厂商分别发布了自研的40nm 北斗/ GPS、WiFi、蓝牙、调频（FM）四合一低功耗、高集成度北斗定位芯片以及智能手机整体解决方案，从而一举打破国外厂商在智能手机卫星导航芯片市场的垄断地位。

然而，我国在智能终端北斗定位方面仍存在很多不足。首先，智能终端GPS占据主导的优势仍未有明显改观。据GSA统计，2014年，北斗在智能终端卫星导航芯片中的渗透率约为30%， 仍有巨大提升空间。即使对于已经具备北斗功能的多模终端，由于GPS更为成熟，绝大多数智能终端会优先保证GPS卫星的搜索定位。其次，自主卫星导航芯片的市场占有率仍然很低，目前不足10%。在企业整体实力、芯片集成度等方面，我国企业与国际巨头相比，仍然差距明显。最后，我国缺乏A-北斗服务平台，未有效打通智能手机产业链。我国芯片厂商展讯、海思目前正积极开发A-北斗芯片，预计将于2016年出货。然后，由于业界的A-GNSS平台目前均不支持北斗，使得手机的A-北斗性能得不到发挥，从而严重影响终端的北斗定位体验，制约北斗在手机终端的应用。

图4　eCall系统示意图

四、智能终端北斗定位应用推广建议

从全球看，国家力量在推动卫星导航系统的应用方面发挥着至关重要的作用。美国E911政策的制定极大促进了GPS在手机中的推广应用。俄罗斯政府为支持自主GLONASS卫星导航系统的发展，出台了一系列政策，包括在政府领域和汽车交通领域中强制推广GLONASS以及ERA-GLONASS系统等，通过不断放风“对只配备GPS单导航系统设备（含智能手机）的关税税率从5%提高到25%”的方式促进GLONASS在手机中的应用。为推动欧盟自主伽利略卫星导航系统的应用，欧盟强制推广支持伽利略的eCall（紧急呼叫）系统，如图4所示。要求自2015年起，所有的新车必须安装eCall系统，且车内的eCall接收机必须支持伽利略系统。

智能终端北斗推广应用对于促进我国整个北斗产业的发展具有至关重要的作用。在目前GPS产品占据主导地位的背景下，应充分发挥政府引导和示范作用，推动智能终端北斗定位应用，促进北斗产业链的壮大完善。①继续有序推进智能手机北斗定位国际国内标准化，构建完善的技术标准和产品检测体系。②持续支持国内芯片厂商开展高集成度、高工艺手机北斗定位芯片研发。③加快开展A-北斗定位平台建设与示范应用，真正打通智能手机北斗定位产业链条。加强政策引导，有序推进A-北斗定位技术规模商用、全面商用。④围绕北斗积极开展室内定位、高精度定位等新型定位方案研究，推进相关标准化工作、开展特色商业化应用，并积极研发综合定位解决方案，带动全产业突破。⑤借鉴美国E911系统、俄罗斯ERA-GLONASS系统、欧盟eCall系统，探索我国个人紧急呼叫响应系统和交通应急响应系统建设，促进北斗导航定位应用。

参考文献

［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.