深度解读 | 天琴二代GNSS高精度基带芯片
发布时间:2019/7/25 来源:《时空》杂志 阅读:7139
分享到:


文 | 林涛 GNSS研究所技术总监
刊登 | 《时空》杂志 NO.15

《时空》:天琴二代芯片与天琴一代相比有哪些改变?
天琴二代芯片是合众思壮 GNSS 研究所历时两年完成的新一代 GNSS 基带芯片。基带芯片是高精度板卡和模块的核心,直接决定了板卡和模块支持的信号类型与个数、搜星的速度和稳定性、原始观测量质量、定位精度以及功耗和尺寸。
天琴二代芯片是全球首款全面支持北斗三代全信号体制的高精度基带芯片。相比于天琴一代,天琴二代芯片增加了对新信号的支持和抗干扰功能,优化了低功耗性能以及多路径抑制技术。
这四个方面的技术创新让天琴二代芯片更好的满足不同高精度应用的需求。

《时空》:市面上有若干家芯片标称已经兼容北斗三号信号,那么天琴二代芯片跟国内其它厂家的北斗三号芯片有什么区别?
首先,兼容不等于全面支持。本质上天琴一代已经可以兼容北斗三号的一些简单信号,但是做不到全面支持。
北斗三号有两个创新的信号 B1C(QMBOC) 和 ACEBOC,其中 B1C 有一个精细的 BOC 部分可以有很强的抗多路径功能。
北斗三号的ACEBOC 和欧洲Galileo 系统的 ALTBOC 是现在卫星导航上信号质量最好的两个宽带信号,有很好的抗多路径,低噪声的伪距观测值,对5 到20 厘米应用乃至高精度 PPP 和 RTK 性能上(快速收敛和复杂场景高精度)都有很好帮助。
纵观国外的卫星导航厂家,例如 Trimble 和 NovAtel 都支持ALTBOC 但是还没有支持 ACEBOC。国内芯片厂家里面,天琴二代是唯一一款支持 ACEBOC 和 B1C 完整 QMBOC跟踪的芯片。
需要补充说明的是,天琴二代也是国内芯片里唯一支持欧洲Galileo的ALTBOC信号和日本QZSS系统的 LEX 信号的芯片。
随着伽利略系统的完善,国产高精度板卡对伽利略系统的全面支持也越来越重要。因为ALTBOC信号的优越性,国外品牌高精度板卡(不管是CORS基准站板卡还是移动站板卡)基本都是支持伽利略系统的ALTBOC信号。
之前国内板卡对伽利略ALTBOC信号支持的缺失,使得我们国产板卡在高精度应用,特别是CORS基准站板卡上有局限性,跟国外高端高精度接收机板卡不能完全兼容。
正如我前面说的,我们花 2 年时间去做天琴二代,就是要让我们中国的芯片能够完全支持北斗三号和伽利略系统,并且跟国外卫星系统和接收机板卡做到兼容互操作。
这是来自于我们多年在高精度领域耕耘的经验,也是受到我们北斗三号系统要与其他系统兼容互操作的思想启发。

《时空》:既然ACEBOC和ALTBOC这么重要,为什么中国其它厂家不支持这些信号呢?日本QZSS系统的LEX信号有什么用处?
合众思壮是一家专注于高精度技术和应用的公司,拥有自己完整的高精度产业链,产品在世界各地的测绘、农业、机械、海洋等工业应用领域中被使用。
工业应用的基因和全球市场的需求决定了合众思壮的芯片必须要跟国际需求接轨,支持所有的卫星导航信号。
而 ACEBOC 可以说是中国北斗三号在世界卫星导航领域的一次创新,我们想让客户能够充分感受到北斗三号这种优质信号带来的好处,所以我们加入了对这个信号的支持。
ACEBOC 可以分解成 B2a 和 B2b 两路信号,一般厂家选择分开跟踪这两路信号而不是跟踪 ACEBOC,这种分开跟踪的方式比较简单,跟最传统的 GPS L1 C/A 跟踪方式类似,尽管没有享受到 ACEBOC 优质信号的好处,但是技术难度低,容易实现,芯片流片风险低。
这种跟踪方式更适合入门级的卫星导航应用,例如对高精度,可靠性等要求比较低的应用。而 ALTBOC 信号特点跟 ACEBOC 类似,信号质量好,目前国外最顶级的高精度芯片厂家都已经完全支持。
QZSS 的 LEX 信号会附带 QZSS 的 PPP 改正数,是日本和东南亚地区高精度应用的一个必须信号。

《时空》:ACEBOC和ALTBOC对消费类电子等其它大众领域的用处大吗?
我个人认为,随着高精度的不断普及, ACEBOC 和 ALTBOC 会出现在大众领域的芯片里面,但是会有个过程,如同高精度在大众消费类领域普及一样,这两个信号尽管实现复杂,但是天生的伪距高性能非常适合复杂场景高精度应用。
ACEBOC 和 ALTBOC 是北斗系统和伽利略系统设计者在卫星导航信号设计上的一种革命性创新,他们的性能实用性是经过系统设计专家的反复论证,从而设计了这两种信号在卫星上。我相信这两个优质信号会越来越被大家接受。

《时空》:天琴二代的抗干扰技术是大家讨论的热点,能简单介绍一下技术难点和应用的价值吗?
天琴二代集成的抗干扰功能是在多维度实现的,包括高量化的ADC,高分辨率的FFT频谱监控模块,灵活的通道滤波器,高阶FIR陷波滤波器,复合ARMA 陷波滤波器,智能的干扰自动检测功能和精细的通道延时补偿模块。
难点在于抗干扰后还能实现0.8到2厘米的高精度定位,以及根据实际干扰和应用场景功耗上的控制。
抗干扰在军用上应用的比较成熟 , 但是这些技术都不是针对高精度应用的,市面上除了国外几个老牌高精度厂家的抗干扰技术可以在高精度应用,大部分抗干扰技术都只适用于单频多系统,而天琴二代的抗干扰技术可以说是弥补了国内的这块缺失。
随着高精度技术的普及,行业对高精度芯片模块板卡的集成度,功耗以及适应性有了进一步的要求,宽带射频接收技术可以大幅提高射频芯片集成度,降低整体接收机的功耗。
但是与之而来的是,芯片也更容易受到干扰的影响,有了抗干扰功能,高精度小板卡和模块才能稳定应用在各种高集成度载体上,好比无人机,无人车和机器人等含有复杂的电磁波环境的载体上。

《时空》:天琴二代在低功耗和抗多路径方面做了哪些改进呢?
天琴二代加入了很多新的功能,这样大大的扩展了它的使用面,但是同时我们也需要做更灵活的功耗控制,根据我们用户功能和应用需求提供合理的功耗。
基带芯片对宽带射频的支持,使整个系统架构得到优化,降低了整体的功耗。另外,抗多路径一直是合众思壮芯片或者板卡传统优势项,我们有自主知识产权的技术专利,几代抗多路径技术在世界范围内的各种高精度领域应用了十几年,也有在这个领域顶尖的专家指导我们团队。
这次,我们重新设计了抗多路径的相关器,并优化了抗多路径在复杂场景的牵引,让高精度更稳定可靠。
我们有相关的新专利在准备,后续配合我们的板卡和固件,我们也会推出白皮书介绍我们天琴二代中的黑科技。

《时空》:天琴二代官方介绍能支持1100个通道,能解释一下这个指标的意义吗?
更多的通道表示芯片能支持更多的信号,频点,和系统跟踪,更多模式跟踪,跟踪更稳定,信号搜索更快。
通道数一直是高精度接收机一个重要指标,特别是在CORS网,大气电离层监控,形变监测,高可靠性应用,和定位定向等应用。
天琴二代的多通道支持的需求来自于我们产品支撑应用的多样性,还有刚刚提到的性能的优越性,以及在高精度领域跟国外一流厂家,(NovAtel OEM7 的 555 通道)的竞争。
作为一家中国的卫星导航公司,做好芯片,用好北斗,推好应用,一直是合众思壮的核心理念。

《时空》:最近廉价高精度在国内非常火,很多芯片厂家都宣传廉价高精度芯片,天琴二代是廉价高精度芯片吗?
天琴二代是一款给专业领域的高性能高精度芯片。首先,我先解释一下概念,廉价高精度这个名词主要是指在大众消费领域使用高精度,但是这个高精度以及高精度背后的可靠性或者可复现性还是相对模糊,跟具体应用有关,因为在大众消费类里面每个应用的需求客观的说都是不一样的。
廉价只是一个大众消费类应用对芯片价格和量需求跟专业市场差异的缩影。天琴二代是设计给工业和专业应用使用,满足最高等级高精度应用,配合我们在低功耗的处理,它自然也可以满足很多或者部分大众消费类应用,但是我们需要具体案例具体说,不能泛泛而谈。
举个例子,天琴二代是比较适合无人机,机器人,无人车等无人系统应用,这块也是我们未来市场的一个拓展领域。价格高低完全是跟市场规模决定,跟芯片没有直接关系。

《时空》:天琴二代是传统基带芯片而不是SoC,请问在这方面的考虑是什么呢?
这还是跟芯片的市场和应用有关系。传统基带芯片是指,我们的处理器不在芯片内, SoC 是指处理器在芯片内部。
在很多领域,除了 GNSS 处理以外,还需要其它传感器和应用的处理,每个领域对处理器的需求是不一样的。
例如在无人机,无人车等领域,处理器需要强大的处理视频流的能力,而普通的处理器是无法满足这一需求。因此天琴二代给了用户更灵活的选择。

《时空》:市面有人说天琴二代流片技术相对保守,没有效仿高通等手机厂家使用14 nm 乃至8 nm工艺,我们的考虑是什么呢?
这其实是一种误解,我们本身采用的流片工艺跟国外最好的高精度厂家 NovAtel 和 Trimble相当。
14 nm 乃至 8 nm 工艺主要是为了小型化,适用于在手机上应用。而工业芯片除了大小以外,还有其他的标准需要统一考虑。
我们是设计芯片,不是制造芯片。能做 14 nm 乃至 8 nm 芯片体现的是芯片流片厂(好比中芯国际和台积电)的能力,而非芯片设计能力。
信号跟踪捕获能力,通道设计灵活性和个数才是体现我们设计 GNSS 芯片的能力。如果市场有需要,我们也会推出更好工艺的芯片。