金双根：从导航芯片发展看GNSS现状与机遇

2022年9月6日，习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第二十七次会议，审议通过了《关于健全社会主义市场经济条件下关键核心技术攻关新型举国体制的意见》（以下简称《意见》）。在新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构的时代背景下，科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运。

北斗卫星导航系统自全球组网部署成功以来，这一国家自主高精尖技术便获得了空前的关注和应用探索。

导航芯片作为整个卫星导航系统的重要组成部分，目前发展态势如何？其国产化替代进程如何？又有哪些问题亟需解决呢？

金双根教授在北斗/GNSS相关论坛上作报告

在本期杂志中，记者就此问题专访了我国卫星导航与遥感专家金双根教授，请他为读者详解一二。

记者：

《意见》的审议通过，从学术方向理解，释放了怎样的信号？

金双根：我个人认为，是要求我们在学术研究方面，要集中力量瞄准我国国产装备、三大产业、生命健康和国家安全等关键科学问题、技术难点及重大任务，明确主攻方向和核心技术突破口，重点研发卡脖子关键技术和引领未来发展的前沿技术。

要围绕国家战略需求，优化配置创新资源，强化国家战略科技力量，大幅提升科技攻关体系化能力，在若干重要领域形成竞争优势、赢得战略主动；以完善制度、解决突出问题为重点，提高人才和项目遴选评审机制、优化学科布局、加强学风作风建设，提高质量和效率；要健全关键核心技术攻关创新人才建设体系，持续激发创新主体活力动力。依托现有“卓越人才教育培养计划”等人才计划，加强拔尖科技创新人才培养，同时鼓励探索面向国外研究机构的多种人才培养合作模式；要坚持破“四唯”，将人才的学术影响力、成果原创性和转化效益等纳为重要评价指标，充分发挥“小同行”专家在评价中的作用；要加大对战略科学家、学科带头人、PI（首席科学家）、团队骨干、青年学者等在薪酬、专业技术职务评聘、科研条件平台、人才计划项目等方面的稳定支持力度，健全国际战略科学家发现、吸附、培育及激励机制，为实现关键核心技术攻关提供战略力量。

记者：

在卫星导航定位领域，我们需要重点关注哪些核心技术？

金双根：在卫星导航定位领域，我们重点关注的技术主要包括：导航芯片、板卡、模块、天线等技术研发，导航终端装备研制和产品服务解决方案及行业应用，如物联网、智能驾驶、精准农业、轨道交通、智能机器人、测量测绘等领域；低轨卫星增强和地基增强技术，城市复杂环境、室内、地下、手机等多技术融合导航定位技术，高灵敏度GNSS接收技术开发和复杂环境下微弱信号高精度导航定位算法；GNSS+多种传感器无人驾驶融合技术，实现自动驾驶高精度GNSS导航定位关键技术，通过融合IMU（惯导测量）和5G等技术提高精确导航定位；GNSS信号反射测量散射机理、轻量化功耗低星载GNSS-R接收机、地球物理参数联合反演方法，以及行业推广应用等。

记者：

国产卫星导航芯片在其中处于什么位置？目前发展状态如何？

金双根：目前国产GNSS芯片在国内整机产品的应用已经达到70%以上。从市场的反馈和接受程度来看，国产GNSS芯片完全具备国际竞争力，并在加速走向国际市场。

当前标准精度的大众消费市场以功耗敏感和用量大为突出特点，高通、联发科等传统手机芯片大厂优势显著，Ublox、ST、博通、索尼也具备先发优势，国产厂商阵营则以华大北斗、北斗星通（和芯星通）、中科微为代表。

和芯星通的新一代北斗高精度定位模组UM982，适用于无人机、精准农业及自主机器等高精度导航定位领域。支持双天线独立解算，并输出定位结果，方便不同领域做特定的可靠性校验，通过校验UM982双天线的RTK定位结果，可规避在复杂场景下出现的固定异常结果。产品内置先进的抗干扰单元，保证模组即使在复杂电磁环境下仍可提供可靠准确的定位精度。

华大北斗于日前宣布，新一代低功耗旗舰产品HD8120系列芯片及模组正式发售。据介绍，HD8120系列产品定位于米级精度，面向消费类应用市场，满足位置感知、物流运输等导航定位需求。HD8120芯片及模组全面支持北斗三号信号体制，并支持美国的G P S、欧盟的Galileo、俄罗斯的GLONASS等全部民用卫星导航系统。功耗方面，HD8120采用自主研发的CYNOSUREIIILite架构，借助智能电源管理设计，相比上代产品功耗降低一半。HD8120同时用算法提升各种复杂场景下定位可用性及定位率，通过对A-GNSS在线和离线模式的支持，加快搜索跟踪性能与速度，大幅缩短冷启动首次定位时间并提升定位灵敏度。

记者：

预计未来卫星导航芯片会呈现怎样的发展趋势？

金双根：结合国内外导航芯片产业发展历程，以及集成电路行业的发展规律，未来导航芯片产品发展趋势如下：

在产品类型上，IP核（Intellectual Property core）以及导航芯片的定制化开发将成为导航芯片产业的主要发展趋势。随着导航领域的全面扩展，面向用户的个性定制化开发也将越来越多。通过适应不同用户的实际需求而进行针对性的硬件软件设计，一方面能拓宽导航芯片市场范围，另一方也有助于减少用户接收终端设计环节和降低成本。

技术方面，导航芯片产品在硬件工艺上SoC集成化设计和芯片级双频甚至多频联合定位将成为主要发展方向。导航SoC芯片在一块芯片中同时包含了射频、基带、电源管理、嵌入式存储、接口等多个模块。相比于现有的OEM板或SIP芯片组，一体化封装用一颗芯片实现多颗芯片的功能，在尺寸、功耗、成本等方面具有更大的优势，也更有利于同其他应用功能进行定制化的集成。集成了定位导航、多媒体、移动通讯、蓝牙、5G等功能的联合定位SoC芯片，可针对市场提供更灵活的融合应用，获得更高性价比的解决方案。

此外，双频或多频GNSS联合定位采用GNSS信号反层级联合优化，通过一路信号的信息对另一组信号进行修正，消除折射、反射导致的影响和误差，可进一步提高定位精度、收敛速度和抗干扰性能。

在软件算法上，卫星导航与其他手段结合的融合定位将成为发展趋势。随着芯片工艺的提高，芯片微处理器的计算能力也大大提高，这就使得利用微处理器运行特定的软件算法来提高定位精度有了可能。

通过将卫星导航定位与其他定位手段相结合，如基于传感器的惯性定位，基于WiFi、蓝牙、ZigBee无线定位、通信信号基站增强定位等，有助于提高在复杂环境如隧道、室内、城市、峡谷等区域中的定位精度和可用性。这种融合不仅限于软件层面的结合，也有芯片的集成化开发。在对于定位精度及收敛速度需求越来越高的当下，基于芯片硬件的多手段融合定位以及芯片的标准化组合接口也将成为导航芯片领域新的创新点和推动点。

就产业链来看，北斗产业分为空间段、地面段与用户段，其中空间段、地面段主要由“国家队”负责，用户段则分为上游(芯片、板卡、模块、天线)，中游(终端产品、解决方案)、下游(运营服务)三个环节。围绕芯片、模块及板卡，高精度产品基本完成替代，而标准精度的大众市场国产化水平较低。标准精度芯片产品主要应用于物联网及消费类市场，高精度产品主要应用于智能驾驶、无人机、精准农业、轨道交通、智能机器人、测量测绘等领域。未来北斗若要扩大应用，大众消费级产品被视作重要突破口。

随着卫星导航系统的空间系统的升级完成，各大系统的信号频率设计定型，用户端的技术也必将迎来一次较大的升级。伴随着高精度定位向新的应用领域拓展，卫星导航的核心零部件也正在朝着更小（体积、功耗、成本）、更快（多系统、多频点）、更准（组合导航）的方向发展，目前国内外的高精度卫星导航芯片形成了新的竞争态势。

记者：

卫星导航芯片的国产化替代，主要面临哪些问题？有何解决途径？

金双根：国内芯片企业近年来作出了突出的贡献，但依旧存在产业与需求差距大、投入不够、人才不足等问题，芯片缺失制约了北斗的产业化进程。北斗系统建设偏重于卫星的研制和发射，导航新算法和高性能芯片有待加强。芯片前期研制费用很高、技术难度大、成功率低，也很难获得行业用户的认可。投入大，市场小，导致企业研发热情不高。在涉及高精度芯片生产、芯片算法、定位专利等多个重要短板环节，我国企业还有突破和努力的空间，比如美国在卫星导航定位技术专利上居于垄断地位，不可避免影响着我国北斗导航产业发展。

解决途径：技术方面，随着区块链、物联网、人工智能等新技术的出现，要引进先进技术，在最大限度内向国外学习相应的新型技术；人才方面，引进和培养导航人才，技术的研究和发展离不开人才的投入和培养；市场方面，随着北斗系统建成，卫星导航的市场规模快速扩大，北斗产业迎来乐观的增长期。但是仍要增加资金投入，芯片研制周期长，人员要求高，硬件条件苛刻，需要更多资金支持。

近年来，北斗卫星导航能力高度聚合，服务能力逐步升级，北斗卫星导航系统的相关产品已经得到广泛的应用，我国卫星导航与位置服务产业正全面迈向综合时空体系建设的新阶段。受市场前景吸引，国内北斗卫星导航芯片企业产能不断释放，我们完全有理由相信，通过下游应用领域的不断拓展，带动北斗卫星导航芯片的升级换代不失为一条优选途径。

记者：

在推动卫星导航位置服务方面，您有何建议？

金双根：我个人认为，不妨从以下方向进行探索：

举全国之力，聚八方之智。“健全科技攻关新型举国体制，是时代赋予我们的大命题和大考题，卫星导航定位是重要的内容之一，身为其中的科技工作者，我们有责任和义务，为打造自主可控、安全可靠的卫星导航产业链供应链，实现高水平科技自立自强发光发热。”金双根表示。