影响GNSS 用户技术发展的主要因素——《GNSS 用户技术报告》简介之一

· 文 |中国国防科技信息中心 李龙龙 张永红 席欢

影响GNSS 用户技术发展的主要因素
——《GNSS 用户技术报告》简介之一

· 文 |中国国防科技信息中心 李龙龙 张永红 席欢

自1981年第一台GPS接收机TI-4100问世以来，到现在GNSS芯片已广泛集成到众多智能手机、可穿戴设备中，GNSS接收机的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不断演化。近年来，多GNSS星座的建设以及新服务的涌现，促进了GNSS用户技术蓬勃发展。本文根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）2016年10月发布的第一版《GNSS用户技术报告》，梳理了影响GNSS用户技术发展的主要因素。

GNSS；半导体技术；传感器技术

GNSS用户技术的发展主要受以下三方面因素影响：用户需求的不断变化；GNSS星座、频段等基础设施的建设改进；半导体及其他潜在技术的发展。

一、用户需求的变化决定了创新路线图

用户行为及需求的变化趋势将直接影响GNSS用户技术的发展方向。为更好地了解用户需求，GSA建立了良好的国际市场监视和预测流程，持续监视和分析用户需求的变化和市场发展趋势，并将分析结果在一年一度的《GNSS市场报告》中出版，提供对全球GNSS用户市场和趋势的综合信息，而《GNSS用户技术报告》则更关注用户接收机的技术发展趋势和驱动因素。

二、GNSS的发展提供了增强性能又带来新问题

目前，所有GNSS基础设施供应商都在致力于通过现代化或早期部署来进一步改善系统性能。例如，GPS、GLONASS都在实施现代化计划；Galileo正处于部署阶段，预计2020年实现全面运行；中国北斗卫星导航系统正在从区域向全球过渡，预计将于2020年完成。印度的IRNSS和日本的QZSS等区域卫星导航系统（RNSS）也计划在未来几年开始运行。此外，还有星基增强系统，美国的WAAS、欧洲的EGNOS、印度的GAGAN都在计划改进升级，提升服务性能，而俄罗斯的SDCM和中国的SNAS则正在加快部署。

随着GNSS基础设施的发展，用户将能使用在多个频段广播的大量信号，提升服务性能，但也带来了新的问题：

1．选择哪个GNSS/RNSS？

所有GNSS和RNSS都使用相同的频段并相互兼容。但是，它们的信号不同：有些信号测量精度高，有些信号捕获速度快，有些信号处理功耗低。没有“最好”的信号或信号组合，只有更适应用户特定场景的信号。

2．使用多少颗卫星？

不久的将来，约有120颗卫星在L1/E1频段广播测距信号，在L5/E5频段广播信号的卫星更多。这意味着GNSS接收机能够同时接收到约50颗卫星的信号，使GNSS接收机能够在不影响几何精度因子（GDOP）的情况下舍弃低质量的观测量，从而提升服务质量。实现这一目标的关键是恰当评估观测量。因此，GNSS接收机必须有合适的选择或拒止策略。

3．使用哪些频段？

对于低精度或中等精度的应用，一个频段已足够。目前单频定位使用的是L1/E1，但可以预见的是，L5/E5将为单频定位提供另一选择。对于高精度应用，经常要使用双频观测量以消除电离层传播延迟或解决在实时动态差分（RTK）和精密单点定位（PPP）中遇到的载波相位模糊问题。目前通常使用L1+L2组合，而L5由于广播卫星数量多且不易受干扰将很快成为第二频段的替代选择。此外，高精度应用也可以通过三载波模糊度解（TCAR）技术使用三个频段的信号。而对于安全攸关的应用，冗余度和抗干扰能力十分重要，L1/E1 + L5/E5无疑是最佳选择。

4．提供哪些服务？

一些提供独特特性的服务并不是所有GNSS星座都有的。例如，Galileo提供的商用服务，为订购该服务的用户提供非常高精度的增强性能；开放服务的导航信息认证（NMA），这是Galileo的一项创新，可保护开放服务用户不受欺骗干扰。

三、半导体技术的发展将直接影响GNSS接收机性能

根据“摩尔定律”，芯片上晶体管的数量约两年增加一倍。晶体管尺寸的减小直接使单个芯片上晶体管数量增多以及处理器时钟频率提升，进而增强处理器性能。同时根据“登纳德缩放比例定律”，由于晶体管尺寸的减小，处理器所需的功耗在面积比率上保持不变，使处理器功率效率显著提升。半导体芯片尺寸、密度和效率的快速发展，已经促进了专用集成电路设备功能的显著提升，使智能手机、GNSS接收机等电子产品的复杂性前所未有的增加。同时，GNSS模块的功耗也在不断降低。过去一个基本GPS芯片的功耗要200mW，现在相同的芯片仅需要20mW，而且具备处理多个星座、多种信号的能力。

但从大约2005年起，“登纳德缩放比例定律”的预测再没能达到之前的速率，晶体管数量的增加只能通过多核处理器维持。这种减缓现象导致性能的任何持续提升都面临以下两种挑战：能够有效配置多核的软件技术的发展；晶体管替代技术的发展。由于“登纳德缩放比例定律”的终结，半导体行业已经将研究重点从提升处理能力转移到后摩尔时代（MtM）的概念：提升功率效率和设备利用率。对GNSS接收机而言，射频端或软件定义无线电领域可能会得到进一步发展。

四、软件定义GNSS接收机将提供更大的灵活性

伴随综合处理能力的发展，出现了一种新的发展趋势：利用软件来处理传统上需要专用硬件解决的问题。GNSS用户技术领域已经开发了软件定义GNSS接收机和仿真器。

软件定义GNSS接收机利用常规接收机的天线和前端硬件，并使用承载平台的数字计算能力来执行通常由特定GNSS专用集成电路完成的所有其他任务（信号处理、导航位置解算等）。软件定义GNSS接收机相比硬件接收机显著提高了灵活性，但这是以降低效率为代价的（提高了功耗和主系统的计算负荷）。因此，它们目前的应用局限于开发工具。而GNSS仿真器是利用软件定义无线电来开展新型定位算法的快速原型设计。

GNSS接收机技术短期到中期发展的关键问题是，数字信号处理技术的发展能否使软件接收机成为主流，这意味着GNSS的功能实现从专用集成电路转向软件。考虑到近年来半导体技术特别是与数字处理相关技术的发展，这样的转变是很有可能的，虽然未来五年可能不会实现。

五、传感器技术的进步将催生新的定位技术

汽车定位系统、智能手机和平板电脑正在推动传感器技术的创新，促进了组合传感器封装、传感器中枢（专用处理器）以及“智能传感器”（融合软件的集成传感器）的发展。

加速度计和陀螺仪等惯性传感器在行业至少是在消费类产品中占据最大的份额。它们通常被集成为一个6轴组合（有时加入磁强计，9轴联合体），称为“运动传感器”。随着尺寸、成本、功耗的迅速降低，惯性传感器在智能手机、可穿戴设备等领域已得到广泛应用。

除了惯性传感器，汽车的先进驾驶辅助系统和无人驾驶车辆的发展促进了低成本、高性能相机、红外、CMOS成像仪和超声传感器的发展。这些传感器也可能出于定位目的而被广泛应用。在晶体振荡器方面，芯片级原子钟已经实现商业化，未来的研究将继续致力于提高其效费比。随着GNSS接收机尺寸和功耗的大幅下降，电池能量密度提高的同时成本不断降低，未来这些设备会变得更小，并提供更多未知应用。

随着传感器技术的发展，现在算法设计师可以获得比以往更多的传感器数据，通过将其融合产生新的定位技术。这些技术能够克服GNSS不利环境的挑战，但还难以量化性能。因此，这些技术必须达到相当成熟的水平才能用于攸关生命安全的服务。