多模增强型卫星导航接收机芯片的机遇与挑战

1、多模增强型卫星导航接收机芯片的机遇与挑战 1研究现状 1963年 12月第一颗美国导航卫星入轨运行，开创了卫星无 线电导航的新时代。 1994年 3月，美国第二代卫星导航系统 - GPS 卫星全球定位系统（ 24 颗工作卫星）建成，并发展成为当代跨 学科、跨行业、广用途、高效益的综合性高新技术。与此同时， 前苏联也在1996年建立了自已的全球卫星导航系统 -GLONASS 然而，GPS和GLONAS尚存在以下不足和问题：1）定位精 度较低； 2）缺乏完好性； 3）缺乏服务的可用性和连续性； 4） 国际上的民用组织对其无法控制。 欧盟出于政治、军事、经济方面的考虑，于 1990年提出了 发展全球

2、卫星导航系统的设想， 1999年 2月正式公布拟实施的 伽利略计划（GALILEO。伽利略计划将于2010年前在三个轨道 面上部署30颗卫星，其服务功能有：1）公开服务（OS ：向全 球免费提供优于GPS现行民用精度的导航、定位和授时服务；2） 生命安全服务（SOLS :具有完好性保障、能对系统故障、卫星 和信号的健康状况向用户及时报警；3）商业服务（GS :是一 种收费的增值服务； 4 公共事业服务 （PRS ：是一种高安全性、 高完好性和高保障性的专门服务。 5 搜救服务（ SAR ：即将遇 难者的求救信号和精确位置集成到GALILEO卫星的导航数据中 转发给现有的国际卫星紧急搜救系统中心

3、（COSPAS-SARSAT。 2003年 10月，中欧正式签署伽利略计划合作协定。目前， 中欧已成功启动了涵盖伽利略系统的空间段、 地面段和应用段领 域的 11个项目的技术谈判，其中 7 个项目已签合作协议，包括 渔业应用、 基于位置服务的标准研究、 电离层研究、 上行站前端、 搜救转发器、激光后向反射器、中国伽利略测试认证环境等。 卫星导航系统由卫星、地面控制站和用户设备 3 部分组成， 用户设备指的是卫星导航接收机， 它是所有应用的基础。 接收机 由主机板及外围设备组成，而主机板的核心是 IC 芯片。所以， 芯片是卫星导航应用产业化的核心基础， 要推动我国卫星导航应 用产业的发展， 就必

4、须拥有自主知识产权的卫星导航接收机芯片 组。 2市场需求 卫星导航市场无论是从规模还是业务类型来说都非常巨大。 据统计，全球GPS用户已超过400万，相关产品和相关服务年产 值达80亿美元；而据欧盟预计，在 20052025年这20年间， 欧洲卫星导航用户设备市场规模可望达到 880 亿欧元，业务市场 可达 1120 亿欧元，由伽利略计划带来的欧洲卫星导航设备出口 市场估计约有 700 亿欧元。 就我国而言， 截止到“十五”末期， 我国卫星导航应用市场 总产值达到 70 多亿元人民币， 导航定位运营服务产值超过 30 亿 元人民币（表 1显示了 2000到 2005 年间我国卫星导航应用市场

5、现状）。 我国卫星导航应用领域广阔， 传统的测绘应用和军工应用比 重逐年下降，正在从专业化走向大众化。在应用领域中，车载应 用的比重最大，约占总量的 50%左右。据有关部门预测，未来几 年内每年将有 10 万辆以上的汽车装备卫星导航系统，每年的相 关产值将增长 710 亿元。 3发展趋势 3.1 多模兼容是必然方向 提高定位精度、 改善用户体验不仅是目前主流导航服务的持 续要求，也是将卫星导航定位服务推广到多样化的消费电子产品 领域的重要技术保障。但目前单一依靠GPS系统的技术还难以满 足全方位的应用需求。 随着伽利略系统投入使用，卫星导航将从GPS时代向GNSS （全球卫星导航系统）时代转变

6、，形成GPS+Galileo （伽利略系 统）+其它系统（如 GLONASS北斗）的多系统并存的局面。 GNSS 在可用性、连续性和完好性方面的保障将远比单一GPS好。伽利 略系统与GPS配合使用可大幅提高导航卫星的可用性，使单一的 GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%由于 伽利略系统的初始设计已充分考虑了与GPS的融合，这就将形成 GPS/Galileo组合的GNSS多模兼容接收机应用的批量市场，多 模接收机在性价比上将大大超过单一系统的接收机。 因此， 多模 兼容是卫星导航接收机发展的必然方向。 3.2 高精度增强型是目标 高精度是卫星导航系统及其接收机追求的

7、目标。 卫星导航系 统的精度一直受到电离层、 对流层、 多径效应和电磁干扰等一系 列问题的影响。为了提高GPS的定位精度，新一代的GPS卫星将 发射L5频率，同时在L2、L5频率上增发C/A码和新的PRN马， 民用用户可利用双频消除电离层影响，增加定位精度。因此，新 一代的卫星导航接收机必需拥有接收 L 波段增强信号的能力 （如 表 2 所示）。 3.3 与移动通信融合是客观需求 卫星导航与移动通信的融合， 将使卫星导航如虎添翼。 通过 接收移动运营商提供的广域和区域精密差分定位信号， 可以为用 户提供米级到厘米级的定位服务； 通过接收移动运营商提供的增 值服务信息，可以为用户提供实时交通、天

8、气预报、卫星广播和 移动电视等增值服务和多媒体娱乐信息。 近年来， 定位手机和车 载移动定位产品销售的大幅增长说明， 与移动通信融合是卫星导 航应用市场的客观需求和发展方向。 4多模增强型接收机芯片技术 传统的卫星导航接收机主要由天线、 前置低噪声放大器、 射 频前端芯片和基带处理芯片组成， 接收机的各个部分均使用专用 集成电路（ASIC）对信号进行处理，运算速度快，但设计定型后 难以改变（如图 1 所示）。 随着卫星导航接收机向多模兼容的方向发展， 这种以硬件为 基础的传统解决方案将面临系统开发时间长、 开发费用上升、 不 易升级等问题。 因此， 多模增强型接收机必然采用基于软件的解 决方案

9、，接收机芯片对信号的处理过程软件应可编程。 多模增强型接收机的硬件部分由 5 部分组成：多功能接收天 线、多模射频接收芯片、差分信息及多媒体信息接收芯片、基带 处理芯片和显示终端（如图 2 所示）。 多功能天线能够接收 L 波段的导航卫星信号和差分及多 媒体信息流，带前置放大，对选定的频率有很好的响应灵敏度。 根据接收机功能要求的不同，天线带宽有所差异。 多模射频接收芯片，用来接收多模的（如 GPS/Galileo ） 卫星定位信号。 它的架构基于软件， 只需通过简单的软件升级便 能灵活地支持多种模式的接收。它集成片上高增益低噪声放大 器、线性自动增益控制和数字中频模数转换器， 采样操作可利用

10、 软件配置。它的数字中频滤波器是软件可编程的，能同时支持 GPS和伽利略运作，也可单独支持 GPS运作。 差分信息和多媒体接收芯片， 用于接收卫星或地面的差分 信息和多媒体信息流， 为导航模块提供差分信息， 以解算高精度 定位数据， 提高系统定位精度； 同时为用户提供增值服务和多媒 体娱乐信息。 基带处理芯片采用 ARM架构，对接收到的卫星信号进行实 时处理。 它运行相应的导航数据处理算法和系统软件， 解码差分 信息和多媒体信息，对接收机前端和外设进行控制。 显示模块是人机交互界面，它显示电子地图和多媒体内 容。定位信息通过电子地图为用户提供导航服务， 多媒体数据流 通过屏幕为用户提供娱乐功能。 基于软件的多模增强型接收机芯片的工作模式和接收频段 完全可编程， 通过更换接收芯片的程序来适应多频段和多模的工 作方式。 这不但降低了开发费用， 同时也大大缩短了新产品的上 市时间。 5结论 芯片组和主机板是卫星导航应用产业化的核心基础， 多模增 强型接收机是卫星导航从 GPS寸代向GNSS寸代转变的必然选择。 我们必须抓住这个机遇， 自主研发制造应用于多模接收的芯片组 和主机板， 在此基础上进行接收机产品的开发， 促进我国卫星导 航应用产业向深度和广度方向发展， 并带动其