“用好”北斗,还看芯片

作者: 黄海年
发布于: 2022-09-01 10:00
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卫星导航系统被比喻为“守护国门的金钥匙”,即使GPS出现较早,许多国家和经济体都建立了自己独立的卫星导航系统,包括俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo、印度IRNSS、日本QZSS,英国在脱欧之后也在寻求建立卫星导航系统。

经过二十余年努力,我国的北斗卫星导航系统(下文简称北斗系统)攻克了原子钟、混合星座、星间链路等技术难题,2020年北斗三号系统完成全球组网成功,向全世界宣示我国具备向全球提供卫星导航定位服务的能力。技术和设施不断完善,北斗系统已经成熟,在各行各业被更多地使用起来,包括交通运输、农林牧渔、城市设施等,并融入电力、通信、金融等行业,综合效益不断显现。

随着市场大门逐渐开启,北斗系统正以高速发展的态势实现其立项之初确立的“天上好用、地上用好”目标。

北斗规模化的下一个阵地

导航系统提供最基本的时间和空间信息,与生活当中密切相关,涉及到国计民生,因此,推动北斗系统在大众消费领域普及,或将成为北斗在特定行业、重点领域标配化之后的发展重心。

今年1月,工信部发布《关于大众消费领域北斗推广应用的若干意见》(下文简称《意见》),当中提出,“提升北斗系统用户体验和竞争优势,将大众消费领域打造成为北斗规模化应用的动力引擎。大众消费领域具有产品规模大、辐射作用强的特点,是扩大北斗应用规模、提高应用普及率、培育北斗发展新动能的重要领域。”

北斗三号系统组网完成,基础设施建设规模也在不断扩大,市场已经呈现高增长态势。从商业化产品来看,北斗系统实际上已经进入大众消费,在智能手机、可穿戴设备、共享单车等产品中都使用到北斗系统。

在突破关键核心技术和产品方面,《意见》指出,“重点突破短报文集成应用、融合卫星/基站/传感器的室内外无缝定位、自适应防欺骗抗干扰等关键技术,加快推进高精度、低功耗、低成本、小型化的北斗芯片及关键元器件研发和产业化,形成北斗与5G、物联网、车联网等新一代信息技术融合的系统解决方案。”

北斗系统已经从过去不惜代价发展的战略产业,发展到面向大众普惠发展的阶段。而渗透大众消费领域,满足应用需求,就需要硬件提供支撑。

芯片先行,释放北斗潜能

实际上我国已构建了完整北斗产业链,遍及芯片、模组、服务等环节,每一个环节都有国产厂商布局,可以说北斗系统的国产化率较高。

在向大众消费领域延伸的时候,终端应用的场景对硬件提出更高要求,比如,精度要求越来越高、缩短定位时间、开机立即能定位等。面向物联网应用,终端用户还要求芯片能提供一定的附加功能,比如定位芯片能够和各种各样的互联网传感器结合在一起,能够有开放的接口等。

图注:华大北斗董事长兼总经理 孙中亮 宣布新一代低功耗旗舰产品HD8120正式发售

 

要达到上述设计目标,迫使芯片、模组等的自主研发速度加快。华大北斗董事长兼总经理孙中亮表示,芯片级的高精度定位导航要解决众多难题,包括射频技术、基带技术、抗干扰技术、低功耗技术、SoC技术、算法技术、安全技术等,华大北斗的低功耗导航定位芯片逐步迭代,为实现北斗民用化、大众化规模应用提供芯片的技术支撑。

华大北斗近期推出低功耗旗舰产品HD8120,新品的设计针对功能、性能做了深度优化,面向更广泛的大众化、规模化应用提供更优的性价比、更广泛的使用场景。

HD8120保持了多标准的兼容性,支持北斗、GPS、伽利略、GLONASS以及QZSS等几乎所有全球运行的民用卫星导航信号,可实现快速定位、持久续航,为卫星导航定位技术在自动驾驶、交通运输领域的广泛应用构建坚实的硬件基础。

北斗民用进入亚米级时代

据悉,华大北斗以芯片为核心的全栈系列产品,可实现芯片模组终端全系列的解决方案。产品定位精度系列也从5米到10米的标准定位精度,发展到亚米级(小于1米)的定位精度,再到厘米级的定位精度。

华大北斗技术负责人于洪涛介绍,使用CEP(定位准确度单位)的统计方式,HD8120在开阔环境下的定位精度可以达到1.5米,在打开SBAS(星基增强系统)的情况下定位精度小于1米,实测结果为0.5米到0.8米区间。在SBAS和差分处理情况下,速度精度都可以达到0.1米每秒,授时精度1 PPS可以做到20纳秒的授时精度。

图注:HD8120八大核心能力

10秒内冷启动,体验大幅提升

导航系统的首次定位时间(设备获取足够的可用卫星信号和数据以提供准确导航所需的时间)决定了导航系统使用体验,通常包括两个指标,即热启动和冷启动,前者通常为1秒,后者为半分钟左右,过长的冷启动时间是导航产品的痛点之一。

HD8120如何解决冷启动过慢的问题?

于洪涛介绍,导航系统要接收到卫星的星历数据才能定位,但是在某些情况下信号非常弱,收不到卫星的数据,这就需要星历存储功能,方便下次启动的时候使用,缩短冷启动时间,做到快速定位。

图注:华大北斗技术负责人于洪涛介绍A-GNSS功能

 

为了做到这一点,HD8120具备一项名为A-GNSS的功能,通过在线服务把星历信息实时推送到芯片,完成快速定位,提升定位灵敏度。基于华大北斗自研的在线系统和离线系统,可提供两种A-GNSS,这是一项具有技术难度的创新。

具体而言,在线方式使用了华大北斗自研的“星历采集云系统”,实时采集全球所有实时卫星星历,汇总进行数据处理,再通过用户服务器在线访问的方式传递给终端客户,这样达到实时快速定位,把之前从30秒左右的冷启动定位时间大大缩短到10秒以内。

另一种是离线A-GNSS,提前播发未来导航卫星的位置和时间,这种离线方式需要系统算法估计星历,实现起来比较困难,据悉目前只有少数厂商才具备这个能力。

华大北斗经过攻关,研发出“星历预估算法系统”,并已经投入到客户的实际使用中。该系统将星历信息通过用户服务器离线下载到集成HD8120的终端,最大支持存储7天的星历信息,也就是说,用户可在7天内在没有联网的情况下获得到卫星实时星历,最终达到快速定位。

这实际上也是HD8120实现低功耗的秘诀之一,使用星历采集云系统实时通信;使用离线A-GNSS在没有通信的情况下快速定位。值得注意的是,该项功能所使用的闪存支持断电记忆,数据保留的有效期是两个小时,不过,这已经可以满足用户使用场景需求。

综合来看,星历存储功能目的是达到快速定位,同时架构简单,不需要额外辅助,只需要HD8120就可以实现,成本非常低。

功耗降低50%,为物联网而生

在电源效率方面,HD8120的功耗降低到11毫安,在3.3伏工作电压下,HD8120的功耗相当于是主流芯片的50%,这是非常大的提升。

随着系统规模和信号的增加,整体功耗也可以控制在18毫安以下。还值得一提的是,待机功耗只有15微安,芯片被运用到物联网设备或者追踪设备上的时候,可以实现设备休眠时候的超低功耗,从而达到长时间待机和使用。

功耗降低到极致,也要得益于HD8120所采用新架构CYNOSURE III Lite。

全新架构对集成DC/DC(直流电压转换)、PMU(电源管理单元)的全新设计;还对射频数字基带进行全面优化;通过复用追踪通路提升信号支持;使用基带前端的数字滤波器,实时动态地检测当前有没有干扰,并且检测到干扰后,实时滤除。由于在数字转换前进行抗干扰,具有较佳的效率和功耗。

物联网不仅需要低功耗和足够性能,还需要芯片能够满足应用的多样性。HD8120宽压设计支持不同的场景、不同的客户,芯片使用为1.7V到3.63V电压输入,可以灵活地支持终端方案设计。

与HD8120同期发布了两款模组,TAU1113和TAU1114,兼容GPS模块,节省design in替换成本,也就是在将单GPS模式的产品换成多频多系统模组,可直接替换。此外,TAU1113/1114支持有源天线检测与保护功能;采用SMD表贴模式,方便批量生产;支持全新一代的北斗三号系统B1C信号。

以开放平台促进北斗全球化

以粤港澳大湾区为基础的电子产业领域,华大北斗实现了北斗卫星导航在车载导航、车辆管理、物流跟踪、自动驾驶、无人机、共享单车、地质灾害监测、水利监测、高精度测绘等领域实现广泛应用,为北斗规模化应用提供了坚实的芯片基础。

图注:HD8120典型应用行业

在实现产品广泛应用的基础上,华大北斗推出了北斗芯片的开放平台,依托华大北斗自主研发的北斗三号信号体制的多系统多频高精度系列芯片产品,赋能产业链的企业实现嵌入式算法研发,为卫星导航的二次应用核心算法,开放芯片的原始观测量;面向应用集成研发,开放芯片内核接口资源。

孙中亮表示,只有开放才能使整个系统更快、更广泛的应用,使北斗系统能够更快地走向全球,实现中国的北斗也是世界的北斗。

秉承30余年的集成电路设计底蕴和经验积累,华大北斗在BDS/GPS导航定位芯片的基带与射频一体化设计、算法研究、产品化解决方案等方面持续挺进。针对行业应用的不同需求,华大北斗重点围绕共享单车、车载应用、无人机、智能终端、高精度等应用,规划了完整的芯片产品线,包括米级精度的HD8120系列双频芯片及模组、米级精度HD8040系列双频芯片及模组、厘米级精度的HD9300系列芯片和高精度定位、定向模组。

小结

大众消费领域范围比较宽广,除了文中提到的应用之外,还包括诸如智能汽车、AR/VR、高精度位置服务等新兴领域,这些也都为北斗系统未来提供成长动能,这些市场的爆发在即,北斗系统有望在规模应用的道路上大放异彩。在国内导航芯片厂商的努力下,低功耗、高精度产品推陈出新,势必加快北斗系统在大众消费领域的普及进程。

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