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深度解讀 | 天琴二代GNSS高精度基帶芯片
發布時間:2019/7/25 來源:《時空》雜志 閱讀:2187
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文 | 林濤 GNSS研究所技術總監
刊登 | 《時空》雜志 NO.15

《時空》:天琴二代芯片與天琴一代相比有哪些改變?
天琴二代芯片是合衆思壯 GNSS 研究所曆時兩年完成的新一代 GNSS 基帶芯片。基帶芯片是高精度板卡和模塊的核心,直接決定了板卡和模塊支持的信號類型與個數、搜星的速度和穩定性、原始觀測量質量、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鬥三代全信號體制的高精度基帶芯片。相比于天琴一代,天琴二代芯片增加了對新信號的支持和抗幹擾功能,優化了低功耗性能以及多路徑抑制技術。
這四個方面的技術創新讓天琴二代芯片更好的滿足不同高精度應用的需求。

《時空》:市面上有若幹家芯片標稱已經兼容北鬥三號信號,那麽天琴二代芯片跟國內其它廠家的北鬥三號芯片有什麽區別?
首先,兼容不等于全面支持。本質上天琴一代已經可以兼容北鬥三號的一些簡單信號,但是做不到全面支持。
北鬥三號有兩個創新的信號 B1C(QMBOC) 和 ACEBOC,其中 B1C 有一個精細的 BOC 部分可以有很強的抗多路徑功能。
北鬥三號的ACEBOC 和歐洲Galileo 系統的 ALTBOC 是現在衛星導航上信號質量最好的兩個寬帶信號,有很好的抗多路徑,低噪聲的僞距觀測值,對5 到20 厘米應用乃至高精度 PPP 和 RTK 性能上(快速收斂和複雜場景高精度)都有很好幫助。
縱觀國外的衛星導航廠家,例如 Trimble 和 NovAtel 都支持ALTBOC 但是還沒有支持 ACEBOC。國內芯片廠家裏面,天琴二代是唯一一款支持 ACEBOC 和 B1C 完整 QMBOC跟蹤的芯片。
需要補充說明的是,天琴二代也是國內芯片裏唯一支持歐洲Galileo的ALTBOC信號和日本QZSS系統的 LEX 信號的芯片。
隨著伽利略系統的完善,國産高精度板卡對伽利略系統的全面支持也越來越重要。因爲ALTBOC信號的優越性,國外品牌高精度板卡(不管是CORS基准站板卡還是移動站板卡)基本都是支持伽利略系統的ALTBOC信號。
之前國內板卡對伽利略ALTBOC信號支持的缺失,使得我們國産板卡在高精度應用,特別是CORS基准站板卡上有局限性,跟國外高端高精度接收機板卡不能完全兼容。
正如我前面說的,我們花 2 年時間去做天琴二代,就是要讓我們中國的芯片能夠完全支持北鬥三號和伽利略系統,並且跟國外衛星系統和接收機板卡做到兼容互操作。
這是來自于我們多年在高精度領域耕耘的經驗,也是受到我們北鬥三號系統要與其他系統兼容互操作的思想啓發。

《時空》:既然ACEBOC和ALTBOC這麽重要,爲什麽中國其它廠家不支持這些信號呢?日本QZSS系統的LEX信號有什麽用處?
合衆思壯是一家專注于高精度技術和應用的公司,擁有自己完整的高精度産業鏈,産品在世界各地的測繪、農業、機械、海洋等工業應用領域中被使用。
工業應用的基因和全球市場的需求決定了合衆思壯的芯片必須要跟國際需求接軌,支持所有的衛星導航信號。
而 ACEBOC 可以說是中國北鬥三號在世界衛星導航領域的一次創新,我們想讓客戶能夠充分感受到北鬥三號這種優質信號帶來的好處,所以我們加入了對這個信號的支持。
ACEBOC 可以分解成 B2a 和 B2b 兩路信號,一般廠家選擇分開跟蹤這兩路信號而不是跟蹤 ACEBOC,這種分開跟蹤的方式比較簡單,跟最傳統的 GPS L1 C/A 跟蹤方式類似,盡管沒有享受到 ACEBOC 優質信號的好處,但是技術難度低,容易實現,芯片流片風險低。
這種跟蹤方式更適合入門級的衛星導航應用,例如對高精度,可靠性等要求比較低的應用。而 ALTBOC 信號特點跟 ACEBOC 類似,信號質量好,目前國外最頂級的高精度芯片廠家都已經完全支持。
QZSS 的 LEX 信號會附帶 QZSS 的 PPP 改正數,是日本和東南亞地區高精度應用的一個必須信號。

《時空》:ACEBOC和ALTBOC對消費類電子等其它大衆領域的用處大嗎?
我個人認爲,隨著高精度的不斷普及, ACEBOC 和 ALTBOC 會出現在大衆領域的芯片裏面,但是會有個過程,如同高精度在大衆消費類領域普及一樣,這兩個信號盡管實現複雜,但是天生的僞距高性能非常適合複雜場景高精度應用。
ACEBOC 和 ALTBOC 是北鬥系統和伽利略系統設計者在衛星導航信號設計上的一種革命性創新,他們的性能實用性是經過系統設計專家的反複論證,從而設計了這兩種信號在衛星上。我相信這兩個優質信號會越來越被大家接受。

《時空》:天琴二代的抗幹擾技術是大家討論的熱點,能簡單介紹一下技術難點和應用的價值嗎?
天琴二代集成的抗幹擾功能是在多維度實現的,包括高量化的ADC,高分辨率的FFT頻譜監控模塊,靈活的通道濾波器,高階FIR陷波濾波器,複合ARMA 陷波濾波器,智能的幹擾自動檢測功能和精細的通道延時補償模塊。
難點在于抗幹擾後還能實現0.8到2厘米的高精度定位,以及根據實際幹擾和應用場景功耗上的控制。
抗幹擾在軍用上應用的比較成熟 , 但是這些技術都不是針對高精度應用的,市面上除了國外幾個老牌高精度廠家的抗幹擾技術可以在高精度應用,大部分抗幹擾技術都只適用于單頻多系統,而天琴二代的抗幹擾技術可以說是彌補了國內的這塊缺失。
隨著高精度技術的普及,行業對高精度芯片模塊板卡的集成度,功耗以及適應性有了進一步的要求,寬帶射頻接收技術可以大幅提高射頻芯片集成度,降低整體接收機的功耗。
但是與之而來的是,芯片也更容易受到幹擾的影響,有了抗幹擾功能,高精度小板卡和模塊才能穩定應用在各種高集成度載體上,好比無人機,無人車和機器人等含有複雜的電磁波環境的載體上。

《時空》:天琴二代在低功耗和抗多路徑方面做了哪些改進呢?
天琴二代加入了很多新的功能,這樣大大的擴展了它的使用面,但是同時我們也需要做更靈活的功耗控制,根據我們用戶功能和應用需求提供合理的功耗。
基帶芯片對寬帶射頻的支持,使整個系統架構得到優化,降低了整體的功耗。另外,抗多路徑一直是合衆思壯芯片或者板卡傳統優勢項,我們有自主知識産權的技術專利,幾代抗多路徑技術在世界範圍內的各種高精度領域應用了十幾年,也有在這個領域頂尖的專家指導我們團隊。
這次,我們重新設計了抗多路徑的相關器,並優化了抗多路徑在複雜場景的牽引,讓高精度更穩定可靠。
我們有相關的新專利在准備,後續配合我們的板卡和固件,我們也會推出白皮書介紹我們天琴二代中的黑科技。

《時空》:天琴二代官方介紹能支持1100個通道,能解釋一下這個指標的意義嗎?
更多的通道表示芯片能支持更多的信號,頻點,和系統跟蹤,更多模式跟蹤,跟蹤更穩定,信號搜索更快。
通道數一直是高精度接收機一個重要指標,特別是在CORS網,大氣電離層監控,形變監測,高可靠性應用,和定位定向等應用。
天琴二代的多通道支持的需求來自于我們産品支撐應用的多樣性,還有剛剛提到的性能的優越性,以及在高精度領域跟國外一流廠家,(NovAtel OEM7 的 555 通道)的競爭。
作爲一家中國的衛星導航公司,做好芯片,用好北鬥,推好應用,一直是合衆思壯的核心理念。

《時空》:最近廉價高精度在國內非常火,很多芯片廠家都宣傳廉價高精度芯片,天琴二代是廉價高精度芯片嗎?
天琴二代是一款給專業領域的高性能高精度芯片。首先,我先解釋一下概念,廉價高精度這個名詞主要是指在大衆消費領域使用高精度,但是這個高精度以及高精度背後的可靠性或者可複現性還是相對模糊,跟具體應用有關,因爲在大衆消費類裏面每個應用的需求客觀的說都是不一樣的。
廉價只是一個大衆消費類應用對芯片價格和量需求跟專業市場差異的縮影。天琴二代是設計給工業和專業應用使用,滿足最高等級高精度應用,配合我們在低功耗的處理,它自然也可以滿足很多或者部分大衆消費類應用,但是我們需要具體案例具體說,不能泛泛而談。
舉個例子,天琴二代是比較適合無人機,機器人,無人車等無人系統應用,這塊也是我們未來市場的一個拓展領域。價格高低完全是跟市場規模決定,跟芯片沒有直接關系。

《時空》:天琴二代是傳統基帶芯片而不是SoC,請問在這方面的考慮是什麽呢?
這還是跟芯片的市場和應用有關系。傳統基帶芯片是指,我們的處理器不在芯片內, SoC 是指處理器在芯片內部。
在很多領域,除了 GNSS 處理以外,還需要其它傳感器和應用的處理,每個領域對處理器的需求是不一樣的。
例如在無人機,無人車等領域,處理器需要強大的處理視頻流的能力,而普通的處理器是無法滿足這一需求。因此天琴二代給了用戶更靈活的選擇。

《時空》:市面有人說天琴二代流片技術相對保守,沒有效仿高通等手機廠家使用14 nm 乃至8 nm工藝,我們的考慮是什麽呢?
這其實是一種誤解,我們本身采用的流片工藝跟國外最好的高精度廠家 NovAtel 和 Trimble相當。
14 nm 乃至 8 nm 工藝主要是爲了小型化,適用于在手機上應用。而工業芯片除了大小以外,還有其他的標准需要統一考慮。
我們是設計芯片,不是制造芯片。能做 14 nm 乃至 8 nm 芯片體現的是芯片流片廠(好比中芯國際和台積電)的能力,而非芯片設計能力。
信號跟蹤捕獲能力,通道設計靈活性和個數才是體現我們設計 GNSS 芯片的能力。如果市場有需要,我們也會推出更好工藝的芯片。