北斗“中國芯” Al導航跳動(dòng)中國力量

“蘋(píng)果手機將內置北斗芯片，支持中國北斗導航系統”這樣的話(huà)題在網(wǎng)絡(luò )上不斷被提起。蘋(píng)果新品iPhone 14上市前，“內置北斗芯片”的消息再次刷屏。其實(shí)，北斗才是這一話(huà)題的重點(diǎn)。

這些年來(lái)，市面上的手機大多都在硬件上已經(jīng)開(kāi)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,北斗三號全球衛星導航系統建成開(kāi)通，我國建成的獨立自主、開(kāi)放兼容的衛星導航系統從此走向服務(wù)全球、造福人類(lèi)的新時(shí)代舞臺。

北斗，屬于中國人的驕傲。北斗，跳動(dòng)的一顆“中國芯”。

實(shí)現手機接收北斗信號進(jìn)行導航定位，就要在手機中裝上相應的北斗芯片。事實(shí)上，北斗芯片在性能上與GPS是同一個(gè)量級，不相上下，甚至在某些方面性能更優(yōu)，而幾塊錢(qián)一塊的北斗芯片，成本優(yōu)勢明顯?！吨袊l星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》顯示，截至2021年底，國產(chǎn)北斗兼容型芯片及模塊銷(xiāo)量已超過(guò)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(shí)你早就用上了北斗，只是不知道而已?，F在國內70%以上的智能手機芯片已經(jīng)可以同時(shí)支持GNSS（包括4大全球衛星導航系統）?！睒I(yè)界專(zhuān)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(yǔ)：不管你用不用，我都在那兒。北斗服務(wù)已“飛入尋常百姓家”。隨著(zhù)導航芯片的發(fā)展進(jìn)步，導航定位不再僅僅是查路況、找位置、規劃路徑、普通導航這樣的簡(jiǎn)單應用，而是自動(dòng)駕駛、智慧出行、共享經(jīng)濟等高大上的精準服務(wù)。

不久前，在鄭州召開(kāi)的中國北斗應用大會(huì )暨中國衛星導航與位置服務(wù)第十一屆年會(huì )上，北斗衛星導航系統工程總設計師、中國工程院院士楊長(cháng)風(fēng)表示，北斗進(jìn)入全球服務(wù)新時(shí)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(jìn)網(wǎng)檢測的21款5G基站全部支持北斗，新進(jìn)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(wàn)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(wù)，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，服務(wù)當地經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展，共享北斗建設發(fā)展成果。

衛星導航芯片相當于導航設備的“大腦”，是衛星信號接收終端產(chǎn)品的核心部件。相當于每一臺導航終端想要實(shí)現定位，就要靠這個(gè)“大腦”進(jìn)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(shí)空數據一起嵌入到疫情防控各個(gè)環(huán)節，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(wù)提供的人員行進(jìn)軌跡及時(shí)間數據，實(shí)時(shí)掌握人員流向，切斷病毒傳播，實(shí)現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(shí)現了小區（樓宇）出入通行的無(wú)接觸管理，實(shí)現“千人千策”精細化管理，大大緩解了基層社區人員的壓力。此外，由北斗導航引導的無(wú)人機、無(wú)人車(chē)，實(shí)現了無(wú)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。

數據顯示，具有北斗定位功能的終端產(chǎn)品社會(huì )總保有量已超過(guò)12億臺/套（含智能手機）。2021年國內厘米級應用北斗高精度芯片、模塊和板卡的總出貨量持續增長(cháng)，達到120萬(wàn)片。北斗系統在交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等行業(yè)領(lǐng)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?；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(chǎng)商均安裝了北斗芯片，全面支持北斗系統應用?？梢酝瑫r(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò )制式和頻段的多頻多模終端走向普及。

北斗芯片買(mǎi)不來(lái)討不來(lái)

“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(mǎi)不來(lái)，也討不來(lái)?！敝袊娮涌萍技瘓F有限公司首席科學(xué)家、衛星導航系統與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任蔚保國研究員如是說(shuō)。

中國電子科技集團有限公司首席科學(xué)家、衛星導航系統與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任蔚保國研究員

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

企業(yè)是創(chuàng )新的主體。也是在那個(gè)時(shí)候，包括北斗星通、神州天鴻、遠東華強等中國一批專(zhuān)業(yè)從事北斗應用的公司相繼成立，開(kāi)始了北斗芯片、終端的研發(fā)和生產(chǎn)，并不斷開(kāi)拓中國自主的衛星定位、導航、通信和授時(shí)領(lǐng)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(shí)服務(wù)的同時(shí)，其短報文通信是“獨門(mén)絕技”，至今其他幾大全球衛星導航系統都不具有這個(gè)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星、北斗地面監控中心之間能夠直接通過(guò)衛星信號進(jìn)行雙向的信息傳遞功能。簡(jiǎn)言之，使用其他衛星定位系統的用戶(hù)，只能知道“我在哪”，北斗用戶(hù)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(lái)說(shuō)，比如突發(fā)地震、海上遇險時(shí)，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，它向系統發(fā)一條短信，就可以“坐等”別人前來(lái)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(hù)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（全球衛星導航系統）一樣，是無(wú)源定位系統，用戶(hù)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(wèn)題。

蔚保國研究員介紹說(shuō)，美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯全球衛星導航系統都是單一星座，由運行在2萬(wàn)千米高度的中軌衛星（MEO）構成。北斗衛星的三種軌道包括：中圓地球軌道衛星(MEO)、地球靜止軌道衛星(GEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星。這樣的布局優(yōu)勢在于既能實(shí)現全球覆蓋、全球服務(wù),又可為亞太大部分地區用戶(hù)提供精度更高的服務(wù)。今天看來(lái)，混合星座系統也成為了北斗的一大特色。

有報道說(shuō)，此前北斗芯片的研發(fā)和市場(chǎng)化進(jìn)程一直都存在著(zhù)“看不見(jiàn)”的困難。比如成本環(huán)節上，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(shù)相比，我們在抗多徑、加慣導等方面明顯缺乏大量的實(shí)踐經(jīng)驗以及相關(guān)的測試。

北斗芯片經(jīng)過(guò)多年技術(shù)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(lǐng)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(wàn)晶體管和數公里長(cháng)的導線(xiàn)，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(wú)到有，從有到“精”，一步一步向高精度攀登，彰顯著(zhù)“中國智慧”。

“北斗應用只受人們想象力限制?！边@是北斗人常說(shuō)的一句話(huà)。北斗衛星導航芯片、模塊、天線(xiàn)、板卡等基礎產(chǎn)品是北斗系統應用的基礎。如今，我國實(shí)現了衛星導航基礎產(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(huì )發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展，集智攻關(guān)，已經(jīng)形成了比較完整的北斗導航芯片技術(shù)體系。導航型芯片、高精度芯片、抗干擾型芯片等都有了長(cháng)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(zhù)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(chǎng)來(lái)看，亞太地區已經(jīng)成為GNSS定位芯片最大的消費市場(chǎng)，其次是北美和歐洲市場(chǎng)。高通、博通和聯(lián)發(fā)科三家企業(yè)占據著(zhù)全球50%以上的市場(chǎng)份額。中國市場(chǎng)發(fā)展變化較大，和芯星通、武漢夢(mèng)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(cháng)。

中國北斗衛星導航產(chǎn)業(yè)體系已基本形成，產(chǎn)業(yè)應用初具規模。2021年，我國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達到4690億元，較上一年增長(cháng)16.29%。截至2021年年底，業(yè)內相關(guān)上市公司（含新三板）總數為90家，上市公司涉及衛星導航與位置服務(wù)的相關(guān)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(diǎn)?！蔽当忉屨f(shuō)，“快了不精”，是指實(shí)時(shí)定位精度不高，基本是在米級這個(gè)量級。達到厘米級精度時(shí)，往往不能做到實(shí)時(shí)，只能做到準實(shí)時(shí)，或者叫事后處理?！熬瞬豢臁?，是指在高精度應用場(chǎng)合，要做大量的事后處理或者做增強處理，同樣是非實(shí)時(shí)狀態(tài)，參數解算收斂時(shí)間不能快速形成。

為此，業(yè)界提出了“全球瞬時(shí)高精度”概念。原來(lái)交通部門(mén)用導航型芯片對所有車(chē)輛，包括“兩客一?！避?chē)輛進(jìn)行監控，管理者只需要知道車(chē)輛的大概位置，即“車(chē)在哪”，至于車(chē)輛是在幾米范圍以?xún)葎t不大關(guān)心。在自動(dòng)駕駛時(shí)代，需要構建起全球瞬時(shí)定位與道路導航系統。未來(lái)，無(wú)論在全球任何地方給車(chē)輛定位，都要達到實(shí)時(shí)厘米級精度，這是未來(lái)發(fā)展方向。

圍繞全球瞬時(shí)定位與道路導航系統的構建，目前正在進(jìn)行相應的技術(shù)攻關(guān)和探索。一是正在鋪設基礎設施網(wǎng)絡(luò )，基于PPP+RTK（即：精密單點(diǎn)定位+實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位）技術(shù)。二是國家將要建設一個(gè)全球覆蓋的低軌衛星星座系統，進(jìn)行導航增強，以幫助全球瞬時(shí)高精度服務(wù)能力進(jìn)一步提升。三是還要建設一個(gè)綜合PNT（綜合定位導航授時(shí)體系）網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)成體系的融合與創(chuàng )新，使全球瞬時(shí)高精度服務(wù)能力越來(lái)越強。

其中的融合，包括衛星導航與慣導的融合、衛星導航與各種感知手段的融合、衛星導航與通信的融合等，從而建設一個(gè)以北斗衛星導航系統為基石、為主體的綜合PNT網(wǎng)絡(luò )，加上通導融合、傳感器融合、環(huán)境和地理信息的融合，屆時(shí)，定位導航就會(huì )更加泛在，更加智能。所以，作為北斗整個(gè)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(chǎng)化進(jìn)程都會(huì )很大程度地影響著(zhù)北斗產(chǎn)業(yè)的未來(lái)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(wèn)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(chǎng)，你又怎么可能那么容易地把自己的衛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(zhuān)業(yè)用戶(hù)用，但是產(chǎn)值又不夠大。

李德仁院士風(fēng)趣地說(shuō)，現在倒是有一個(gè)機會(huì )，假如美國高通公司不給中國手機供應芯片的話(huà)，將來(lái)中國的華為給你裝（芯片），那時(shí)裝的可就是北斗芯片了，現在高通裝的是GPS兼容北斗的芯片，將來(lái)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?！弊匀毁Y源部相關(guān)負責人告訴記者，導航芯片主要用在汽車(chē)上，定位芯片應用的地方就比較寬泛了。

從技術(shù)實(shí)現上來(lái)說(shuō)，定位芯片相對簡(jiǎn)單一些，只要接收衛星信號，然后對衛星信號進(jìn)行數據處理，基本就能確定位置。而導航芯片則相對復雜，不僅要加算法，還要調用地圖數據，因為導航離不開(kāi)地圖，離開(kāi)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(chē)領(lǐng)域，經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到他們說(shuō)要彎道超車(chē)，那么車(chē)廠(chǎng)“彎道超車(chē)”應該注重的是什么呢？大多數車(chē)廠(chǎng)關(guān)注點(diǎn)還是在造車(chē)上，就是有形的部分，如車(chē)輪、車(chē)體、電池等，這些我們與歐洲之間已沒(méi)有代差。但真正汽車(chē)的自動(dòng)駕駛芯片領(lǐng)域，核心技術(shù)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(xué)院院士楊元喜在年會(huì )高端論壇上談到，北斗板卡嵌入其他服務(wù)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(lái)越小，功能越來(lái)越強，但是全球市場(chǎng)需要多少芯片廠(chǎng)商呢？這樣的高水平重復建設不可持續，特別是芯片研發(fā)投入很大。他同時(shí)認為，北斗芯片設計實(shí)現自主了，但是芯片制程技術(shù)、流片技術(shù)與工藝仍存在不可控因素，特別是目前全國有1萬(wàn)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(lái)的導航芯片應該是智能化的?！蔽当忉屨f(shuō)，這種智能導航芯片，或者叫AI導航芯片與現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(gè)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(diǎn)，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(lái)AI導航芯片，某種意義上它是代表著(zhù)未來(lái)導航技術(shù)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(chǎng)景：早上，音樂(lè )響起，主人被定時(shí)叫醒，抬手看一下手表上個(gè)人健康狀況數據，再快速瀏覽一下有沒(méi)有重要信息。洗漱時(shí)，主人可以在鏡子前處理個(gè)人信息，此時(shí)機器人已經(jīng)整理好了臥室，并開(kāi)始為主人做早餐，導航也自動(dòng)為主人規劃好了上班的行車(chē)路徑……這些都離不開(kāi)導航和定位，而芯片就是智慧“大腦”。

“未來(lái)AI導航也是在強大的網(wǎng)絡(luò )及后臺能力的支撐下，賦予每個(gè)節點(diǎn)（任何一個(gè)個(gè)體）智能。而導航定位這個(gè)端點(diǎn)，可以是一個(gè)芯片、一個(gè)模組或者是一個(gè)數據處理盒子，其里面的芯片通過(guò)自我感知、自我計算、自我控制，最后給你的智能導航系統賦能。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是讓它最懂你?！蔽当鴷诚胫?zhù)未來(lái)導航和AI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。