北斗“中國芯” Al導航跳動中國力量

“蘋果手機將內(nèi)置北斗芯片，支持中國北斗導航系統(tǒng)”這樣的話題在網(wǎng)絡上不斷被提起。蘋果新品iPhone 14上市前，“內(nèi)置北斗芯片”的消息再次刷屏。其實，北斗才是這一話題的重點。

這些年來，市面上的手機大多都在硬件上已經(jīng)開始支持北斗導航，手機芯片對北斗的支持大概最早可以追溯到10年前，一家國外企業(yè)的驍龍芯片。

2020年7月31日,北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成開通，我國建成的獨立自主、開放兼容的衛(wèi)星導航系統(tǒng)從此走向服務全球、造福人類的新時代舞臺。

北斗，屬于中國人的驕傲。北斗，跳動的一顆“中國芯”。

實現(xiàn)手機接收北斗信號進行導航定位，就要在手機中裝上相應的北斗芯片。事實上，北斗芯片在性能上與GPS是同一個量級，不相上下，甚至在某些方面性能更優(yōu)，而幾塊錢一塊的北斗芯片，成本優(yōu)勢明顯。《中國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，截至2021年底，國產(chǎn)北斗兼容型芯片及模塊銷量已超過2億片。

那么，“芯芯”向榮的北斗芯片要如何發(fā)展，導航芯片將何去何從。

多模多頻走向普及

“我手機上顯示了30顆衛(wèi)星，最多的還是我們中國的北斗，足足有16顆！”肖楠興奮地舉起手機向同伴炫耀。

“其實你早就用上了北斗，只是不知道而已。現(xiàn)在國內(nèi)70%以上的智能手機芯片已經(jīng)可以同時支持GNSS（包括4大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）?！睒I(yè)界專家表示。

北斗應用已經(jīng)嵌入人們的生產(chǎn)生活中。借用一句流行語：不管你用不用，我都在那兒。北斗服務已“飛入尋常百姓家”。隨著導航芯片的發(fā)展進步，導航定位不再僅僅是查路況、找位置、規(guī)劃路徑、普通導航這樣的簡單應用，而是自動駕駛、智慧出行、共享經(jīng)濟等高大上的精準服務。

不久前，在鄭州召開的中國北斗應用大會暨中國衛(wèi)星導航與位置服務第十一屆年會上，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程總設計師、中國工程院院士楊長風表示，北斗進入全球服務新時代，正在成為智能手機、可穿載設備等大眾消費產(chǎn)品定位功能的標準配置。

2022年第一季度，新進網(wǎng)檢測的21款5G基站全部支持北斗，新進網(wǎng)手機中有63款支持北斗。支持北斗的手機出貨量6709.4萬部，占比98.5%。部分智能手機依托北斗芯片首次推出“高精度定位”服務，提供亞米級定位精度。如今，北斗產(chǎn)品已出口120余國家和地區(qū)，服務當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展，共享北斗建設發(fā)展成果。

衛(wèi)星導航芯片相當于導航設備的“大腦”，是衛(wèi)星信號接收終端產(chǎn)品的核心部件。相當于每一臺導航終端想要實現(xiàn)定位，就要靠這個“大腦”進行計算和處理。

在新冠肺炎疫情防控中，北斗芯片的高精度定位能力發(fā)揮了重要作用。將帶有芯片模組的終端與時空數(shù)據(jù)一起嵌入到疫情防控各個環(huán)節(jié)，比如百姓熟知的健康碼、行程碼、檢測碼等小程序，就是基于高精度北斗芯片的導航服務提供的人員行進軌跡及時間數(shù)據(jù)，實時掌握人員流向，切斷病毒傳播，實現(xiàn)疫情防控的精準施策。

基于高精度北斗芯片的北斗定位，還實現(xiàn)了小區(qū)（樓宇）出入通行的無接觸管理，實現(xiàn)“千人千策”精細化管理，大大緩解了基層社區(qū)人員的壓力。此外，由北斗導航引導的無人機、無人車，實現(xiàn)了無人員交叉條件下的防疫消殺和物資投放，減少了因人員聚集和接觸傳播病毒的可能。

數(shù)據(jù)顯示，具有北斗定位功能的終端產(chǎn)品社會總保有量已超過12億臺/套（含智能手機）。2021年國內(nèi)厘米級應用北斗高精度芯片、模塊和板卡的總出貨量持續(xù)增長，達到120萬片。北斗系統(tǒng)在交通運輸、公共安全、救災減災、農(nóng)林牧漁、城市治理等行業(yè)領域，以及電力、水利、通信基礎設施建設等方面，已逐步形成深度應用、規(guī)?；l(fā)展的良好局面。國產(chǎn)華為、OPPO、VIVO、小米、努比亞、酷派等智能手機廠商均安裝了北斗芯片，全面支持北斗系統(tǒng)應用?？梢酝瑫r支持多種網(wǎng)絡制式和頻段的多頻多模終端走向普及。

北斗芯片買不來討不來

“從北斗建設的那天起，中國科研機構和北斗企業(yè)一直致力于研發(fā)芯片，自主設計制造。因為它買不來，也討不來?！敝袊娮涌萍技瘓F有限公司首席科學家、衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室主任蔚保國研究員如是說。

中國電子科技集團有限公司首席科學家、衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室主任蔚保國研究員

“說起北斗芯片成長故事，就要從北斗一號系統(tǒng)建設說起?！蔽当貞浾f，1994年2月，《關于印發(fā)<雙星導航定位系統(tǒng)工程立項報告>的通知》文件印發(fā)后，就進入了北斗建設前期準備階段。1996年北斗一號系統(tǒng)建設正式啟動，中國人由此踏上了北斗系統(tǒng)自主研發(fā)之路。2003年12月15日，“北斗一號”正式開通運行，中國成為繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之后，第三個擁有自主知識產(chǎn)權的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)國家。

企業(yè)是創(chuàng)新的主體。也是在那個時候，包括北斗星通、神州天鴻、遠東華強等中國一批專業(yè)從事北斗應用的公司相繼成立，開始了北斗芯片、終端的研發(fā)和生產(chǎn)，并不斷開拓中國自主的衛(wèi)星定位、導航、通信和授時領域產(chǎn)業(yè)化應用。一切都是從0到1的探索和突破。

北斗一號采用雙星定位RDSS信號體制，這是一種高效率的通導融合體制，在提供定位授時服務的同時，其短報文通信是“獨門絕技”，至今其他幾大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)都不具有這個能力，它是北斗的一大特色。

短報文通信是指北斗地面終端與北斗衛(wèi)星、北斗地面監(jiān)控中心之間能夠直接通過衛(wèi)星信號進行雙向的信息傳遞功能。簡言之，使用其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)的用戶，只能知道“我在哪”，北斗用戶不但自己知道“我在哪”，還能告訴別人“我在哪”，以及“在干什么”。

舉例來說，比如突發(fā)地震、海上遇險時，在其他通信手段都失效的情況下，北斗短報文通信能力就凸顯了，它向系統(tǒng)發(fā)一條短信，就可以“坐等”別人前來救援。如2008年汶川大地震發(fā)生后，其他通訊方式紛紛失效，只有北斗用戶終端能夠以短報文（短信）形式與指揮中心保持可靠通信聯(lián)系。

北斗二號的信號體制（RNSS）與目前應用廣泛的GNSS（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）一樣，是無源定位系統(tǒng)，用戶只需接收北斗信號就可定位。北斗三號信號體制包括RNSS體制和RDSS體制。所以北斗三號的導航芯片設計要考慮多模兼容問題。

蔚保國研究員介紹說，美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)都是單一星座，由運行在2萬千米高度的中軌衛(wèi)星（MEO）構成。北斗衛(wèi)星的三種軌道包括：中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)、地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星。這樣的布局優(yōu)勢在于既能實現(xiàn)全球覆蓋、全球服務,又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供精度更高的服務。今天看來，混合星座系統(tǒng)也成為了北斗的一大特色。

有報道說，此前北斗芯片的研發(fā)和市場化進程一直都存在著“看不見”的困難。比如成本環(huán)節(jié)上，在芯片的研發(fā)、流片以及測試的前期，企業(yè)需要投入巨大的成本，而且還不一定能成功，或者拿到想要的結果。另外，在北斗芯片發(fā)展的前中期，與國外的GPS基帶芯片技術相比，我們在抗多徑、加慣導等方面明顯缺乏大量的實踐經(jīng)驗以及相關的測試。

北斗芯片經(jīng)過多年技術積累，芯片研發(fā)取得了明顯的成就。支持北斗三號的28納米工藝射頻基帶一體化SoC芯片在物聯(lián)網(wǎng)和消費電子領域得到了廣泛應用；支持雙頻雙模的22納米北斗導航定位芯片已經(jīng)量產(chǎn)應用；同樣，14納米北斗芯片也有了一定的應用。

Al芯片 僅局限于你的想象

一顆小小的芯片，上面布局了幾百萬晶體管和數(shù)公里長的導線，其工藝難度可想而知。90納米、55納米，到40納米、28納米、22納米、14納米……這顆北斗芯片，從無到有，從有到“精”，一步一步向高精度攀登，彰顯著“中國智慧”。

“北斗應用只受人們想象力限制?！边@是北斗人常說的一句話。北斗衛(wèi)星導航芯片、模塊、天線、板卡等基礎產(chǎn)品是北斗系統(tǒng)應用的基礎。如今，我國實現(xiàn)了衛(wèi)星導航基礎產(chǎn)品的自主可控，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，逐步應用到了國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的各個領域。

同時，經(jīng)過多年創(chuàng)新驅動發(fā)展，集智攻關，已經(jīng)形成了比較完整的北斗導航芯片技術體系。導航型芯片、高精度芯片、抗干擾型芯片等都有了長足的發(fā)展。其中，導航型芯片精度為5米左右，高精度芯片達到亞米級、厘米級。目前導航芯片的發(fā)展正在朝著多模多頻融合的方向發(fā)展。

研究機構分析認為，從全球市場來看，亞太地區(qū)已經(jīng)成為GNSS定位芯片最大的消費市場，其次是北美和歐洲市場。高通、博通和聯(lián)發(fā)科三家企業(yè)占據(jù)著全球50%以上的市場份額。中國市場發(fā)展變化較大，和芯星通、武漢夢芯、華大北斗、中科微、泰斗微電子等一批中國企業(yè)在迅速成長。

中國北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)體系已基本形成，產(chǎn)業(yè)應用初具規(guī)模。2021年，我國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達到4690億元，較上一年增長16.29%。截至2021年年底，業(yè)內(nèi)相關上市公司（含新三板）總數(shù)為90家，上市公司涉及衛(wèi)星導航與位置服務的相關產(chǎn)值約占全國總體產(chǎn)值的8.7%左右。

“‘快了不精，精了不快’是業(yè)界面臨的一大痛點?！蔽当忉屨f，“快了不精”，是指實時定位精度不高，基本是在米級這個量級。達到厘米級精度時，往往不能做到實時，只能做到準實時，或者叫事后處理。“精了不快”，是指在高精度應用場合，要做大量的事后處理或者做增強處理，同樣是非實時狀態(tài)，參數(shù)解算收斂時間不能快速形成。

為此，業(yè)界提出了“全球瞬時高精度”概念。原來交通部門用導航型芯片對所有車輛，包括“兩客一?！避囕v進行監(jiān)控，管理者只需要知道車輛的大概位置，即“車在哪”，至于車輛是在幾米范圍以內(nèi)則不大關心。在自動駕駛時代，需要構建起全球瞬時定位與道路導航系統(tǒng)。未來，無論在全球任何地方給車輛定位，都要達到實時厘米級精度，這是未來發(fā)展方向。

圍繞全球瞬時定位與道路導航系統(tǒng)的構建，目前正在進行相應的技術攻關和探索。一是正在鋪設基礎設施網(wǎng)絡，基于PPP+RTK（即：精密單點定位+實時動態(tài)定位）技術。二是國家將要建設一個全球覆蓋的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)，進行導航增強，以幫助全球瞬時高精度服務能力進一步提升。三是還要建設一個綜合PNT（綜合定位導航授時體系）網(wǎng)絡，通過成體系的融合與創(chuàng)新，使全球瞬時高精度服務能力越來越強。

其中的融合，包括衛(wèi)星導航與慣導的融合、衛(wèi)星導航與各種感知手段的融合、衛(wèi)星導航與通信的融合等，從而建設一個以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為基石、為主體的綜合PNT網(wǎng)絡，加上通導融合、傳感器融合、環(huán)境和地理信息的融合，屆時，定位導航就會更加泛在，更加智能。所以，作為北斗整個產(chǎn)業(yè)鏈條中最為重要的基礎部件，北斗芯片的研發(fā)以及市場化進程都會很大程度地影響著北斗產(chǎn)業(yè)的未來走向。

突破創(chuàng)新 目前還在路上

兩院院士李德仁告訴記者，我國很多芯片企業(yè)都在做導航芯片，性能也不差。問題是導航芯片裝不到人家的設備里去，通信大公司早已搶占了這塊市場，你又怎么可能那么容易地把自己的衛(wèi)星導航芯片植入到人家手機芯片里去呢。此外，高精度芯片可以給專業(yè)用戶用，但是產(chǎn)值又不夠大。

李德仁院士風趣地說，現(xiàn)在倒是有一個機會，假如美國高通公司不給中國手機供應芯片的話，將來中國的華為給你裝（芯片），那時裝的可就是北斗芯片了，現(xiàn)在高通裝的是GPS兼容北斗的芯片，將來我們要裝的就是北斗兼容GPS的芯片了。

“我今年到展館里看，做芯片的公司有那么幾家，但是這些公司大部分都是做定位芯片的，做導航芯片的比較少，尤其是做智能駕駛芯片的就更少。”自然資源部相關負責人告訴記者，導航芯片主要用在汽車上，定位芯片應用的地方就比較寬泛了。

從技術實現(xiàn)上來說，定位芯片相對簡單一些，只要接收衛(wèi)星信號，然后對衛(wèi)星信號進行數(shù)據(jù)處理，基本就能確定位置。而導航芯片則相對復雜，不僅要加算法，還要調用地圖數(shù)據(jù)，因為導航離不開地圖，離開地圖就不是導航。

“目前，在智能駕駛芯片的研發(fā)上，我們與歐美相比還是比較弱的?！边@位負責人表示，智能駕駛行業(yè)，特別是在新能源汽車領域，經(jīng)常會聽到他們說要彎道超車，那么車廠“彎道超車”應該注重的是什么呢？大多數(shù)車廠關注點還是在造車上，就是有形的部分，如車輪、車體、電池等，這些我們與歐洲之間已沒有代差。但真正汽車的自動駕駛芯片領域，核心技術還掌握在歐美手中。所以，這一塊還需要加強突破創(chuàng)新。

中國科學院院士楊元喜在年會高端論壇上談到，北斗板卡嵌入其他服務平臺的模式很難形成獨立產(chǎn)業(yè)。當下，芯片設計、芯片產(chǎn)品層出不窮，每年都有新產(chǎn)品發(fā)布，芯片尺寸做得越來越小，功能越來越強，但是全球市場需要多少芯片廠商呢？這樣的高水平重復建設不可持續(xù)，特別是芯片研發(fā)投入很大。他同時認為，北斗芯片設計實現(xiàn)自主了，但是芯片制程技術、流片技術與工藝仍存在不可控因素，特別是目前全國有1萬多家導航企業(yè)，產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力還相對較弱。

“未來的導航芯片應該是智能化的。”蔚保國解釋說，這種智能導航芯片，或者叫AI導航芯片與現(xiàn)在的導航芯片不同之處在于，首先它不是純北斗導航芯片，而是一個多元融合的導航芯片；其次要有通導（通信和導航）融合的特點，包括要具備本體智能、群體智能、后臺賦能的特性。所以，還要有強大的計算能力、信息交換能力?！拔艺J為，未來AI導航芯片，某種意義上它是代表著未來導航技術向智能導航發(fā)展的方向?！?/span>

科幻片里經(jīng)常有這樣的智能生活場景：早上，音樂響起，主人被定時叫醒，抬手看一下手表上個人健康狀況數(shù)據(jù)，再快速瀏覽一下有沒有重要信息。洗漱時，主人可以在鏡子前處理個人信息，此時機器人已經(jīng)整理好了臥室，并開始為主人做早餐，導航也自動為主人規(guī)劃好了上班的行車路徑……這些都離不開導航和定位，而芯片就是智慧“大腦”。

“未來AI導航也是在強大的網(wǎng)絡及后臺能力的支撐下，賦予每個節(jié)點（任何一個個體）智能。而導航定位這個端點，可以是一個芯片、一個模組或者是一個數(shù)據(jù)處理盒子，其里面的芯片通過自我感知、自我計算、自我控制，最后給你的智能導航系統(tǒng)賦能。簡單說，就是讓它最懂你?！蔽当鴷诚胫磥韺Ш胶虯I芯片的發(fā)展愿景。

AI導航芯片前景很美好，十年磨一劍的北斗“中國芯”也令人期待。