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北斗“中国芯” Al导航跳动中国力量

时间:2022-11-24

来源:太空与网络

导语:这些年来,市面上的手机大多都在硬件上已经开始支持北斗导航,手机芯片对北斗的支持大概最早可以追溯到10年前,一家国外企业的骁龙芯片。

  这些年来,市面上的手机大多都在硬件上已经开始支持北斗导航,手机芯片对北斗的支持大概最早可以追溯到10年前,一家国外企业的骁龙芯片。

  2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成开通,我国建成的独立自主、开放兼容的卫星导航系统从此走向服务全球、造福人类的新时代舞台。

  北斗,属于中国人的骄傲。北斗,跳动的一颗“中国芯”。

  实现手机接收北斗信号进行导航定位,就要在手机中装上相应的北斗芯片。事实上,北斗芯片在性能上与GPS是同一个量级,不相上下,甚至在某些方面性能更优,而几块钱一块的北斗芯片,成本优势明显。《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,截至2021年底,国产北斗兼容型芯片及模块销量已超过2亿片。

  那么,“芯芯”向荣的北斗芯片要如何发展,导航芯片将何去何从。

  多模多频走向普及

  “我手机上显示了30颗卫星,最多的还是我们中国的北斗,足足有16颗!”肖楠兴奋地举起手机向同伴炫耀。

  “其实你早就用上了北斗,只是不知道而已。现在国内70%以上的智能手机芯片已经可以同时支持GNSS(包括4大全球卫星导航系统)。”业界专家表示。

  北斗应用已经嵌入人们的生产生活中。借用一句流行语:不管你用不用,我都在那儿。北斗服务已“飞入寻常百姓家”。随着导航芯片的发展进步,导航定位不再仅仅是查路况、找位置、规划路径、普通导航这样的简单应用,而是自动驾驶、智慧出行、共享经济等高大上的精准服务。

  不久前,在郑州召开的中国北斗应用大会暨中国卫星导航与位置服务第十一届年会上,北斗卫星导航系统工程总设计师、中国工程院院士杨长风表示,北斗进入全球服务新时代,正在成为智能手机、可穿载设备等大众消费产品定位功能的标准配置。

  2022年第一季度,新进网检测的21款5G基站全部支持北斗,新进网手机中有63款支持北斗。支持北斗的手机出货量6709.4万部,占比98.5%。部分智能手机依托北斗芯片首次推出“高精度定位”服务,提供亚米级定位精度。如今,北斗产品已出口120余国家和地区,服务当地经济社会发展,共享北斗建设发展成果。

  卫星导航芯片相当于导航设备的“大脑”,是卫星信号接收终端产品的核心部件。相当于每一台导航终端想要实现定位,就要靠这个“大脑”进行计算和处理。

  在新冠肺炎疫情防控中,北斗芯片的高精度定位能力发挥了重要作用。将带有芯片模组的终端与时空数据一起嵌入到疫情防控各个环节,比如百姓熟知的健康码、行程码、检测码等小程序,就是基于高精度北斗芯片的导航服务提供的人员行进轨迹及时间数据,实时掌握人员流向,切断病毒传播,实现疫情防控的精准施策。

  基于高精度北斗芯片的北斗定位,还实现了小区(楼宇)出入通行的无接触管理,实现“千人千策”精细化管理,大大缓解了基层社区人员的压力。此外,由北斗导航引导的无人机、无人车,实现了无人员交叉条件下的防疫消杀和物资投放,减少了因人员聚集和接触传播病毒的可能。

  数据显示,具有北斗定位功能的终端产品社会总保有量已超过12亿台/套(含智能手机)。2021年国内厘米级应用北斗高精度芯片、模块和板卡的总出货量持续增长,达到120万片。北斗系统在交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业领域,以及电力、水利、通信基础设施建设等方面,已逐步形成深度应用、规模化发展的良好局面。国产华为、OPPO、VIVO、小米、努比亚、酷派等智能手机厂商均安装了北斗芯片,全面支持北斗系统应用。可以同时支持多种网络制式和频段的多频多模终端走向普及。

  北斗芯片买不来讨不来

  “从北斗建设的那天起,中国科研机构和北斗企业一直致力于研发芯片,自主设计制造。因为它买不来,也讨不来。”中国电子科技集团有限公司首席科学家、卫星导航系统与装备技术国家重点实验室主任蔚保国研究员如是说。

  中国电子科技集团有限公司首席科学家、卫星导航系统与装备技术国家重点实验室主任蔚保国研究员

  “说起北斗芯片成长故事,就要从北斗一号系统建设说起。”蔚保国回忆说,1994年2月,《关于印发<双星导航定位系统工程立项报告>的通知》文件印发后,就进入了北斗建设前期准备阶段。1996年北斗一号系统建设正式启动,中国人由此踏上了北斗系统自主研发之路。2003年12月15日,“北斗一号”正式开通运行,中国成为继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯之后,第三个拥有自主知识产权的卫星导航定位系统国家。

  企业是创新的主体。也是在那个时候,包括北斗星通、神州天鸿、远东华强等中国一批专业从事北斗应用的公司相继成立,开始了北斗芯片、终端的研发和生产,并不断开拓中国自主的卫星定位、导航、通信和授时领域产业化应用。一切都是从0到1的探索和突破。

  北斗一号采用双星定位RDSS信号体制,这是一种高效率的通导融合体制,在提供定位授时服务的同时,其短报文通信是“独门绝技”,至今其他几大全球卫星导航系统都不具有这个能力,它是北斗的一大特色。

  短报文通信是指北斗地面终端与北斗卫星、北斗地面监控中心之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递功能。简言之,使用其他卫星定位系统的用户,只能知道“我在哪”,北斗用户不但自己知道“我在哪”,还能告诉别人“我在哪”,以及“在干什么”。

  举例来说,比如突发地震、海上遇险时,在其他通信手段都失效的情况下,北斗短报文通信能力就凸显了,它向系统发一条短信,就可以“坐等”别人前来救援。如2008年汶川大地震发生后,其他通讯方式纷纷失效,只有北斗用户终端能够以短报文(短信)形式与指挥中心保持可靠通信联系。

  北斗二号的信号体制(RNSS)与目前应用广泛的GNSS(全球卫星导航系统)一样,是无源定位系统,用户只需接收北斗信号就可定位。北斗三号信号体制包括RNSS体制和RDSS体制。所以北斗三号的导航芯片设计要考虑多模兼容问题。

  蔚保国研究员介绍说,美国GPS、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯全球卫星导航系统都是单一星座,由运行在2万千米高度的中轨卫星(MEO)构成。北斗卫星的三种轨道包括:中圆地球轨道卫星(MEO)、地球静止轨道卫星(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星。这样的布局优势在于既能实现全球覆盖、全球服务,又可为亚太大部分地区用户提供精度更高的服务。今天看来,混合星座系统也成为了北斗的一大特色。

  有报道说,此前北斗芯片的研发和市场化进程一直都存在着“看不见”的困难。比如成本环节上,在芯片的研发、流片以及测试的前期,企业需要投入巨大的成本,而且还不一定能成功,或者拿到想要的结果。另外,在北斗芯片发展的前中期,与国外的GPS基带芯片技术相比,我们在抗多径、加惯导等方面明显缺乏大量的实践经验以及相关的测试。

  北斗芯片经过多年技术积累,芯片研发取得了明显的成就。支持北斗三号的28纳米工艺射频基带一体化SoC芯片在物联网和消费电子领域得到了广泛应用;支持双频双模的22纳米北斗导航定位芯片已经量产应用;同样,14纳米北斗芯片也有了一定的应用。

  Al芯片 仅局限于你的想象

  一颗小小的芯片,上面布局了几百万晶体管和数公里长的导线,其工艺难度可想而知。90纳米、55纳米,到40纳米、28纳米、22纳米、14纳米……这颗北斗芯片,从无到有,从有到“精”,一步一步向高精度攀登,彰显着“中国智慧”。

  “北斗应用只受人们想象力限制。”这是北斗人常说的一句话。北斗卫星导航芯片、模块、天线、板卡等基础产品是北斗系统应用的基础。如今,我国实现了卫星导航基础产品的自主可控,形成了完整的产业链,逐步应用到了国民经济和社会发展的各个领域。

  同时,经过多年创新驱动发展,集智攻关,已经形成了比较完整的北斗导航芯片技术体系。导航型芯片、高精度芯片、抗干扰型芯片等都有了长足的发展。其中,导航型芯片精度为5米左右,高精度芯片达到亚米级、厘米级。目前导航芯片的发展正在朝着多模多频融合的方向发展。

  研究机构分析认为,从全球市场来看,亚太地区已经成为GNSS定位芯片最大的消费市场,其次是北美和欧洲市场。高通、博通和联发科三家企业占据着全球50%以上的市场份额。中国市场发展变化较大,和芯星通、武汉梦芯、华大北斗、中科微、泰斗微电子等一批中国企业在迅速成长。

  中国北斗卫星导航产业体系已基本形成,产业应用初具规模。2021年,我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到4690亿元,较上一年增长16.29%。截至2021年年底,业内相关上市公司(含新三板)总数为90家,上市公司涉及卫星导航与位置服务的相关产值约占全国总体产值的8.7%左右。

  “‘快了不精,精了不快’是业界面临的一大痛点。”蔚保国解释说,“快了不精”,是指实时定位精度不高,基本是在米级这个量级。达到厘米级精度时,往往不能做到实时,只能做到准实时,或者叫事后处理。“精了不快”,是指在高精度应用场合,要做大量的事后处理或者做增强处理,同样是非实时状态,参数解算收敛时间不能快速形成。

  为此,业界提出了“全球瞬时高精度”概念。原来交通部门用导航型芯片对所有车辆,包括“两客一危”车辆进行监控,管理者只需要知道车辆的大概位置,即“车在哪”,至于车辆是在几米范围以内则不大关心。在自动驾驶时代,需要构建起全球瞬时定位与道路导航系统。未来,无论在全球任何地方给车辆定位,都要达到实时厘米级精度,这是未来发展方向。

  围绕全球瞬时定位与道路导航系统的构建,目前正在进行相应的技术攻关和探索。一是正在铺设基础设施网络,基于PPP+RTK(即:精密单点定位+实时动态定位)技术。二是国家将要建设一个全球覆盖的低轨卫星星座系统,进行导航增强,以帮助全球瞬时高精度服务能力进一步提升。三是还要建设一个综合PNT(综合定位导航授时体系)网络,通过成体系的融合与创新,使全球瞬时高精度服务能力越来越强。

  其中的融合,包括卫星导航与惯导的融合、卫星导航与各种感知手段的融合、卫星导航与通信的融合等,从而建设一个以北斗卫星导航系统为基石、为主体的综合PNT网络,加上通导融合、传感器融合、环境和地理信息的融合,届时,定位导航就会更加泛在,更加智能。所以,作为北斗整个产业链条中最为重要的基础部件,北斗芯片的研发以及市场化进程都会很大程度地影响着北斗产业的未来走向。

  突破创新 目前还在路上

  两院院士李德仁告诉记者,我国很多芯片企业都在做导航芯片,性能也不差。问题是导航芯片装不到人家的设备里去,通信大公司早已抢占了这块市场,你又怎么可能那么容易地把自己的卫星导航芯片植入到人家手机芯片里去呢。此外,高精度芯片可以给专业用户用,但是产值又不够大。

  李德仁院士风趣地说,现在倒是有一个机会,假如美国高通公司不给中国手机供应芯片的话,将来中国的华为给你装(芯片),那时装的可就是北斗芯片了,现在高通装的是GPS兼容北斗的芯片,将来我们要装的就是北斗兼容GPS的芯片了。

  “我今年到展馆里看,做芯片的公司有那么几家,但是这些公司大部分都是做定位芯片的,做导航芯片的比较少,尤其是做智能驾驶芯片的就更少。”自然资源部相关负责人告诉记者,导航芯片主要用在汽车上,定位芯片应用的地方就比较宽泛了。

  从技术实现上来说,定位芯片相对简单一些,只要接收卫星信号,然后对卫星信号进行数据处理,基本就能确定位置。而导航芯片则相对复杂,不仅要加算法,还要调用地图数据,因为导航离不开地图,离开地图就不是导航。

  “目前,在智能驾驶芯片的研发上,我们与欧美相比还是比较弱的。”这位负责人表示,智能驾驶行业,特别是在新能源汽车领域,经常会听到他们说要弯道超车,那么车厂“弯道超车”应该注重的是什么呢?大多数车厂关注点还是在造车上,就是有形的部分,如车轮、车体、电池等,这些我们与欧洲之间已没有代差。但真正汽车的自动驾驶芯片领域,核心技术还掌握在欧美手中。所以,这一块还需要加强突破创新。

  中国科学院院士杨元喜在年会高端论坛上谈到,北斗板卡嵌入其他服务平台的模式很难形成独立产业。当下,芯片设计、芯片产品层出不穷,每年都有新产品发布,芯片尺寸做得越来越小,功能越来越强,但是全球市场需要多少芯片厂商呢?这样的高水平重复建设不可持续,特别是芯片研发投入很大。他同时认为,北斗芯片设计实现自主了,但是芯片制程技术、流片技术与工艺仍存在不可控因素,特别是目前全国有1万多家导航企业,产业自主创新能力还相对较弱。

  “未来的导航芯片应该是智能化的。”蔚保国解释说,这种智能导航芯片,或者叫AI导航芯片与现在的导航芯片不同之处在于,首先它不是纯北斗导航芯片,而是一个多元融合的导航芯片;其次要有通导(通信和导航)融合的特点,包括要具备本体智能、群体智能、后台赋能的特性。所以,还要有强大的计算能力、信息交换能力。“我认为,未来AI导航芯片,某种意义上它是代表着未来导航技术向智能导航发展的方向。”

  科幻片里经常有这样的智能生活场景:早上,音乐响起,主人被定时叫醒,抬手看一下手表上个人健康状况数据,再快速浏览一下有没有重要信息。洗漱时,主人可以在镜子前处理个人信息,此时机器人已经整理好了卧室,并开始为主人做早餐,导航也自动为主人规划好了上班的行车路径……这些都离不开导航和定位,而芯片就是智慧“大脑”。

  “未来AI导航也是在强大的网络及后台能力的支撑下,赋予每个节点(任何一个个体)智能。而导航定位这个端点,可以是一个芯片、一个模组或者是一个数据处理盒子,其里面的芯片通过自我感知、自我计算、自我控制,最后给你的智能导航系统赋能。简单说,就是让它最懂你。”蔚保国畅想着未来导航和AI芯片的发展愿景。

  AI导航芯片前景很美好,十年磨一剑的北斗“中国芯”也令人期待。


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