新一代GNSS定位方案有望用于穿戴設(shè)備和資產(chǎn)追蹤應(yīng)用

1 GNSS接收設(shè)備全球年出貨量預(yù)計(jì)持續(xù)增長(zhǎng)

提起戶外定位，大家首先想到的就是GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），這是一種被普遍認(rèn)可、廣泛接受的追蹤定位技術(shù)，可以對(duì)人員、動(dòng)物、資產(chǎn)、車輛等進(jìn)行追蹤定位，這些設(shè)備為人們的安全出行、工作和生活帶來(lái)極大便利。

隨著可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的興起，也成為GNSS設(shè)備最重要的市場(chǎng)增量之一。據(jù)IDC今年3月發(fā)布的中國(guó)可穿戴市場(chǎng)報(bào)告，2019年中國(guó)可穿戴市場(chǎng)在腕帶式產(chǎn)品上均得到了突破性的發(fā)展，成人手表市場(chǎng)出貨量突破1000萬(wàn)，同比增長(zhǎng)58.2%，創(chuàng)3年來(lái)最高增速。未來(lái)，各廠商將在主打運(yùn)動(dòng)健康類的細(xì)分手表市場(chǎng)上紛紛跟進(jìn)，以兼具良好體驗(yàn)和親民價(jià)格的產(chǎn)品進(jìn)一步挖掘市場(chǎng)潛力。同時(shí)，具有應(yīng)用拓展功能的智能手表市場(chǎng)也在保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。2020年，受疫情影響，中國(guó)可穿戴市場(chǎng)全年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)18.6%。

在技術(shù)上，針對(duì)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的高端設(shè)備，多星座多頻GNSS技術(shù)是最有價(jià)值的技術(shù)之一，可以為客戶提供更精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航信息。另外，還面臨著欺騙和干擾問(wèn)題，因?yàn)镚NSS信號(hào)來(lái)自太空，盡管精準(zhǔn)又無(wú)所不在，但是因?yàn)樾l(wèi)星太遠(yuǎn)，信號(hào)非常脆弱，容易受到惡意干擾。盡管如此，GNSS上游企業(yè)不斷研發(fā)新技術(shù)，使GNSS有更多的應(yīng)用。

例如GNSS的開路先鋒u-blox公司，2016年就推出了專為資產(chǎn)追蹤應(yīng)用所設(shè)計(jì)的小型GNSS接收器——EVA-M8Q，特點(diǎn)是靈敏度高，可同時(shí)接收三大GNSS衛(wèi)星信號(hào)，可將終端系統(tǒng)與其天線輕松掩藏在車輛或其他需追蹤的高價(jià)值資產(chǎn)中。

隨著GNSS系統(tǒng)的成熟，u-blox又推出了可同時(shí)接受四大GNSS衛(wèi)星信號(hào)的芯片和模組u-blox M10，且專門面向可穿戴和資產(chǎn)追蹤市場(chǎng)。那么，這些市場(chǎng)需要什么樣的GNSS定位芯片？為此，電子產(chǎn)品世界記者訪問(wèn)了該公司中國(guó)區(qū)資深市場(chǎng)經(jīng)理梅景浩先生。

1   穿戴設(shè)備和資產(chǎn)追蹤的定位痛點(diǎn)

1）穿戴設(shè)備

典型產(chǎn)品如智能手表，由于電池小、體積小，所以需要元器件有極低的功耗，且緊湊、小體積；另外天線也不能做得很大，只能在表盤周圍放一圈小天線，此外，由于天線還會(huì)受到人體和衣物的遮擋，所以必須要針對(duì)小型天線的弱信號(hào)場(chǎng)景做優(yōu)化；再有，因?yàn)槭窃谶\(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，對(duì)于動(dòng)態(tài)，例如跑步時(shí)的配速有較高的要求，所以對(duì)動(dòng)態(tài)的精度要求也很高。

 對(duì)于寵物追蹤、兒童追蹤及老人跟蹤器，可能1分鐘或幾分鐘給出一個(gè)位置，同樣需要便攜、低功耗，同時(shí)應(yīng)對(duì)天線信號(hào)不佳的挑戰(zhàn)。

2)資產(chǎn)追蹤

在工業(yè)市場(chǎng)，例如集裝箱、車輛、冷鏈產(chǎn)品等的追蹤，需要具有GNSS的定位功能,但通常采用電池驅(qū)動(dòng)。因此對(duì)GNSS硬件的要求是功耗低，同時(shí)也要符合經(jīng)濟(jì)性的要求，即性價(jià)比高。

許多物流貨物跟蹤器1天只需要上報(bào)1個(gè)位置，甚至幾天上報(bào)一個(gè)位置，但是要在比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使用電池工作。例如火車或輪船上的集裝箱，可能要能持續(xù)工作120天甚至更高的時(shí)間。這些設(shè)備的電池較大，但是也需要低功耗，因?yàn)樗鼈兊氖褂脮r(shí)間很長(zhǎng)。

還有汽車追蹤器，與汽車導(dǎo)航不同，它通常是安裝在特殊的位置，天線很少暴露出來(lái)，所以天線信號(hào)也不好，而且動(dòng)態(tài)要求也很高——有的應(yīng)用要求能在高速下精確追蹤位置，更新速率要高達(dá)10 Hz（如下表）。

部分穿戴設(shè)備和資產(chǎn)追蹤的信號(hào)采集頻次

2 u-blox M10平臺(tái)的亮點(diǎn)

u-blox的第10代GNSS產(chǎn)品u-blox M10可以滿足上述應(yīng)用需求： 能同時(shí)跟蹤多達(dá)4個(gè) GNSS 星座的衛(wèi)星信號(hào)，在深度城市峽谷等充滿挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也輕松實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。該接收機(jī)采用的 Super-S 技術(shù)有助于將定位信號(hào)與背景噪聲區(qū)分開，即使在衛(wèi)星信號(hào)較弱的情況下也可以捕獲定位數(shù)據(jù)。其射頻靈敏度高，可配合小型天線使用，因此是緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理想之選。

在低功耗方面，u-blox M10 在連續(xù)跟蹤模式下的功耗為12mW，是前代米級(jí)GNSS定位芯片EVA-M8Q的1/5，同時(shí)將芯片尺寸縮小了35%，因此非常適用于電池供電型應(yīng)用。

封裝尺寸方面：u-blox M10有3種封裝尺寸（如下圖）。其中，首批產(chǎn)品是 MAX- M10S GNSS 模塊 和 UBX-M10050 GNSS 芯片組 ，芯片組尺寸只有4×4 mm2，比上一代芯片u-blox M8 減小了35%；模塊的特點(diǎn)是易于集成，無(wú)需外部元器件，連接天線和電源即可使用。這些產(chǎn)品將于2020年11月開始提供工程樣片。接下來(lái)的2021年，公司將發(fā)布類似于ZOE的封裝產(chǎn)品，是高度集成的模塊，但只有芯片大小。

３ u-blox M10中的黑科技

●   為何支持4星座

相對(duì)于上一代u-blox產(chǎn)品M8推出的時(shí)代而言，現(xiàn)在GNSS已經(jīng)非常成熟了，北斗三代也于2020年也進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，伽利略也很快會(huì)加入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，所以此次發(fā)布的新產(chǎn)品支持了GPS， 北斗， 格洛納斯和伽利略4星座系統(tǒng)。4個(gè)星座系統(tǒng)帶來(lái)了性能提升，M10的靜態(tài)定位精度從前代的2.5米提升到2米。另外，北斗的SBAS（星基增強(qiáng)系統(tǒng)）也發(fā)展很快，預(yù)計(jì)在2020年底正式運(yùn)營(yíng)，有了SBAS這樣的輔助信息以后，M10可以做到1.5米的定位精度。

因?yàn)閡-blox支持4個(gè)星系的衛(wèi)星，衛(wèi)星數(shù)量比較多，所以在一些衛(wèi)星容易受到遮擋的地方或城市峽谷等挑戰(zhàn)性的環(huán)境下，u-blox M10的精度實(shí)測(cè)下來(lái)會(huì)比M8有較大的提升。

●   為何功耗能降低

首先，M10工藝比上一代有提升（如下圖）。另一方面，在算法上面做了一些優(yōu)化，包括軟件和硬件的架構(gòu)和算法都做了優(yōu)化。再有，u-blox M10有一個(gè)專門的Super-E模式，用了一些特殊的機(jī)制來(lái)節(jié)省了整體芯片的功耗，還可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)外圍的器件進(jìn)行優(yōu)化，以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

●   增加了定位可信度報(bào)告

u-blox M10增加了新功能——定位可信度報(bào)告。一般地，GNSS會(huì)輸出位置信息，但這個(gè)位置信息到底準(zhǔn)不準(zhǔn)，尤其在復(fù)雜的城市環(huán)境下，是很難確保的。在有的應(yīng)用場(chǎng)景下， 比方說(shuō)自動(dòng)化機(jī)器中， 位置是否有偏差很重要，例如差了5米或10米，有可能就定位在了馬路對(duì)面。為了應(yīng)對(duì)這一場(chǎng)景， M10可輸出位置的可信度，例如位置可信度如果報(bào)告4米，即表示實(shí)際的位置與當(dāng)前上報(bào)位置的距離有95%的概率在4米以內(nèi)，這樣可以防止機(jī)器控制類應(yīng)用的誤操作。

●   Super-S技術(shù)

Super-S是針對(duì)弱信號(hào)場(chǎng)景做的優(yōu)化。GNSS類產(chǎn)品的規(guī)格書中， 僅僅定義了開闊環(huán)境下的定位精度，但在用戶的實(shí)際使用中有時(shí)并沒(méi)有那么好的信號(hào)環(huán)境，在這種弱信號(hào)或小天線的情景下，Super-S技術(shù)可以提升可用性和定位精度（如下圖）。

●   防止欺騙和干擾的機(jī)制

首先是抗干擾機(jī)制有所提升，M10的干擾檢測(cè)器進(jìn)行了升級(jí)，可以更加靈敏地檢測(cè)噪聲，并把它濾除掉。其次，u-blox M10也支持伽利略的專門防欺騙的機(jī)制OS-NMA，可對(duì)伽利略信號(hào)檢測(cè)簽名來(lái)抑制欺騙攻擊。

圖 運(yùn)動(dòng)型手表是GNSS的典型應(yīng)用場(chǎng)景之一

4 多種定位技術(shù)融合，滿足差異化高精度定位需求

市面上還有一些其他的定位技術(shù)，例如利用4G蜂窩技術(shù)的eSIM卡、UWB、Wi-Fi、藍(lán)牙等，和GNSS是相互融合的解決方案。

GNSS的優(yōu)勢(shì)是在室外環(huán)境下可以精確地定位，但是在室內(nèi)環(huán)境下，要聯(lián)合室內(nèi)定位做輔助。。