《電子技術(shù)應用》
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核心IP的技術(shù)進(jìn)步加速衛星導航芯片融合創(chuàng )新

2022-10-20
來(lái)源:FPGA之家
關(guān)鍵詞: 衛星導航 北斗衛星 芯片

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  衛星導航系統利用衛星信號向用戶(hù)提供高精度,高效、安全可靠的定位、導航和授時(shí)服務(wù),具有統一、精確、易用、廣泛的獨特優(yōu)勢。幾十年來(lái),隨著(zhù)空間技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)以及大規模集成技術(shù)的快速發(fā)展,衛星導航系統的發(fā)展已經(jīng)到達了一個(gè)新的高度。作為信息化社會(huì )基礎的時(shí)間空間基準服務(wù),衛星導航系統已深度融入到社會(huì )的各行各業(yè)中。在社會(huì )經(jīng)濟運行中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色,產(chǎn)生了十分可觀(guān)的經(jīng)濟效益。

  衛星導航系統由三部分組成:空間星座、地面控制和用戶(hù)終端。

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  ·空間星座即衛星持續發(fā)射載有導航電文的無(wú)線(xiàn)電波,之后由接收機完成信息接收工作。衛星即混合導航星座,包含靜止軌道衛星、地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星。

  ·地面控制包含若干地面站和相關(guān)運行管理設施,其主要功能是追蹤衛星的運轉,同時(shí)實(shí)現對衛星導航系統的控制,地面控制的主要功能是實(shí)現對系統狀態(tài)的監視,同時(shí)開(kāi)展相關(guān)調度工作。

  ·用戶(hù)終端包含基礎產(chǎn)品、應用系統和終端設備等內容。其中,基礎產(chǎn)品包含可以兼容其他系統的芯片等。用戶(hù)終端的主要功能是以迫蹤坐標、運行速度等方式實(shí)現對導航衛星的迫蹤和管理。

  我國具有自主知識產(chǎn)權的GNSS系統-北斗系統,在功能融合、特色服務(wù)方面,進(jìn)行了一系列開(kāi)創(chuàng )性探索,拓寬了衛星導航領(lǐng)域道路。2000年,北斗一號建成,采用雙星有源無(wú)線(xiàn)電測定業(yè)務(wù)(Radio-Determination Satellite Service,RDSS)體制,創(chuàng )新性地實(shí)現定位服務(wù)和通信系統融合,其最大特點(diǎn)在于實(shí)現定位授時(shí)服務(wù)的同時(shí),兼具位置報告及短報文通信,投資少、效果明顯。北斗二號、北斗三號先后繼承了這一體制和特色服務(wù),并不斷升級,大幅提高系統容量、降低用戶(hù)功耗、提升用戶(hù)體驗。2020年,北斗三號衛星導航系統全面完成組網(wǎng)建設部署并正式開(kāi)通全球服務(wù),在導航與通信融合方面進(jìn)一步拓展與升級,并依托星間鏈路組成的空間網(wǎng)絡(luò )發(fā)展多種特色功能。

  我國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規模

  近年來(lái),北斗衛星導航能力高度聚合,服務(wù)能力逐步升級,北斗衛星導航系統的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用在交通運輸、農林漁業(yè)、水文監測、氣象測報、通信系統、電力調度、救災減災、公共安全、互聯(lián)網(wǎng)位置服務(wù)等領(lǐng)域,產(chǎn)生了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益?!笆奈濉睍r(shí)期,將圍繞我國經(jīng)濟轉型和社會(huì )發(fā)展重大需求,以推動(dòng)北斗規模應用市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化、國際化為目標。提高北斗產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈現代化水平,優(yōu)化完善產(chǎn)業(yè)生態(tài),推動(dòng)北斗應用深度融入國民經(jīng)濟發(fā)展全局。

  國家發(fā)改委4月7日對外公布,經(jīng)過(guò)27年的建設,目前,中國北斗衛星導航產(chǎn)業(yè)體系已基本形成。根據中國衛星導航定位協(xié)會(huì )發(fā)布的《2022中國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》顯示,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4690億元人民幣,較2020年增長(cháng)16.29%。

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  2006年~2021年我國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò ))

  其中,包括與衛星導航技術(shù)研發(fā)和應用直接相關(guān)的芯片、器件、算法、軟件、導航數據、終端設備、基礎設施等在內的產(chǎn)業(yè)核心產(chǎn)值同比增長(cháng)約12.28%,達到1454億元人民幣,在總體產(chǎn)值中占比為31%,增速高于去年。由衛星導航應用和服務(wù)所衍生帶動(dòng)形成的關(guān)聯(lián)產(chǎn)值同比增長(cháng)約18.20%,達到3236億元人民幣,在總體產(chǎn)值中占比達到69%。

  我國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)正全面邁向綜合時(shí)空體系建設的新階段。在產(chǎn)品制造方面,國產(chǎn)北斗芯片、模塊等關(guān)鍵技術(shù)取得突破,支持北斗三號新信號的SoC芯片,在物聯(lián)網(wǎng)和消費電子領(lǐng)域得到了廣泛應用;支持雙頻雙模的北斗導航定位芯片完成了各項關(guān)鍵性能的驗證,已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段,性能再上新臺階。受市場(chǎng)前景吸引,國內北斗衛星導航芯片企業(yè)產(chǎn)能不斷釋放。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,具有北斗定位功能的終端產(chǎn)品社會(huì )總保有量超過(guò)10億臺/套。

  由于北斗衛星導航芯片下游應用領(lǐng)域不斷拓展,通信、測繪、交通運輸和公共安全等代表性領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢良好,終端產(chǎn)品的重量、體積等性能要求提升,對上游器件的設計和制造提出更高的要求,促使著(zhù)朝更?。w積、功耗、成本)、更快(多系統、多頻點(diǎn))、更準(組合導航)的方向發(fā)展。

  合適的工藝、IP可高效提升GNSS芯片的性?xún)r(jià)比

  GNSS最核心元器件是芯片,包含射頻芯片、基帶芯片及微處理器的芯片組。相關(guān)設備通過(guò)芯片,可接受由衛星發(fā)射的信號,從而完成定位導航的功能,芯片和算法決定了導航產(chǎn)品的定位精度等技術(shù)性能指標。

  射頻芯片就是通過(guò)固定頻率(即頻點(diǎn))接收或發(fā)射信號,目前有單頻點(diǎn)、雙頻點(diǎn)、多頻點(diǎn)以及多系統多頻點(diǎn)等多種類(lèi)型,是芯片中成本最大的部分。

  基帶芯片是用來(lái)合成即將發(fā)射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進(jìn)行解碼。

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  圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )

  ——工藝

  隨著(zhù)芯片小型化、低功耗、低成本、射頻基帶一體化等技術(shù)的發(fā)展,導航芯片組的主流設計工藝已從傳統的 GaAs、BiCMOS 工藝技術(shù)轉向CMOS技術(shù)。CMOS 工藝具有成本低廉、易于與基帶集成的優(yōu)點(diǎn)。芯片制造工藝優(yōu)良與否,決定了芯片體積和功耗的大小。芯片體積越小,意味著(zhù)集成電路越精細,功耗也越低,當工藝越小,芯片的生產(chǎn)難度也會(huì )成倍增長(cháng),晶圓(wafer)的價(jià)格也更高。

  芯片類(lèi)型不同,工藝優(yōu)勢影響也是不同。目前市場(chǎng)上最新的芯片工藝已經(jīng)下探到7nm和5nm,采用這些工藝都是為了復雜的芯片設計,涉及很大的計算量。雖然導航芯片也在性能、功耗上不斷優(yōu)化,但導航芯片這類(lèi)市場(chǎng)單價(jià)相對較低的芯片則無(wú)需使用高成本的最新工藝。從芯片類(lèi)型與工藝及成本的匹配考慮,22nm COMS工藝或許是目前更為合適的選擇,該工藝可高效提升芯片的性?xún)r(jià)比。

  ——IP

  日趨旺盛的市場(chǎng)需求,以及衛星導航IP核與移動(dòng)通信等領(lǐng)域的廣泛集成,為IC企業(yè)帶來(lái)了更多的挑戰,同時(shí)迎來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機遇。為了搶占市場(chǎng),企業(yè)必須按時(shí)交付市場(chǎng)需求,縮小設計能力與設計生產(chǎn)力之間的差距,技術(shù)團隊需要以更快的速度進(jìn)行創(chuàng )新迭代。

  集成電路產(chǎn)業(yè)的最上游是設計IP,IP本身的產(chǎn)值雖然不是最高,但是其具有極大的附加值和特有的產(chǎn)業(yè)生態(tài)支柱作用。屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),對技術(shù)研發(fā)實(shí)力要求極高,具有技術(shù)門(mén)檻高、產(chǎn)品附加值高、細分門(mén)類(lèi)眾多等特點(diǎn)。一款成熟的IP可以幫助降低芯片的開(kāi)發(fā)難度、縮短芯片的開(kāi)發(fā)周期并提升芯片的產(chǎn)品性能。IP設計及其復用已成為IC設計不可或缺的關(guān)鍵支撐。它決定著(zhù)最終芯片產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比(面積、功耗、功能...)、市場(chǎng)競爭力、以及其系統創(chuàng )新能力等。根據 WSTS 的數據,設計 IP 銷(xiāo)售額在 2021 年達到 54.5億美元,在 2020 年 16% 之后同比增長(cháng) 19.4%,這與 2021 年半導體增長(cháng) 26.2% 同步。預測到 2026 年,整個(gè)IP市場(chǎng)將增長(cháng)到為 110億美元,未來(lái)的復合年增長(cháng)率(2021 年至 2026 年)也將高達 15%。

  高線(xiàn)性、低功耗、多模兼容、完全自主知識產(chǎn)權

  隨著(zhù)北斗衛星導航行業(yè)的發(fā)展,北斗衛星導航芯片需求量有望保持快速增長(cháng)趨勢。國內本土衛星導航芯片企業(yè)也將把握市場(chǎng)機遇,在政策扶持下,研發(fā)多模多頻、多技術(shù)體制、小型化、高集成的高性能北斗衛星導航芯片,并積極擴充產(chǎn)能,加速對進(jìn)口芯片的替代。

  旋極星源作為中國全球定位系統應用協(xié)會(huì )常務(wù)理事單位、四川省北斗產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事單位,自創(chuàng )建以來(lái),始終把創(chuàng )新作為推動(dòng)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展為核心動(dòng)力。一直秉承著(zhù)以市場(chǎng)需求為導向,不斷的加大產(chǎn)品研發(fā)投入,提高核心技術(shù)水平,研發(fā)符合市場(chǎng)需求和發(fā)展趨勢的新技術(shù)、新產(chǎn)品。

  縱深發(fā)展衛星導航領(lǐng)域多年,旋極星源推出了一系列基于RDSS和GNSS兩大技術(shù)的RF IP產(chǎn)品以及IC產(chǎn)品,工藝節點(diǎn)涵蓋了從180nm到22nm COMS,支持全球四大導航體系,提供高精度、多模多頻段、多通道的射頻收發(fā)芯片設計。公司的產(chǎn)品在低功耗物聯(lián)網(wǎng)、智能家居家電、衛星導航定位、測量測繪等方面得到了廣泛的應用。

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  ——RDSS

  衛星無(wú)線(xiàn)電測定業(yè)務(wù)是指用戶(hù)至衛星的距離測量和位置計算無(wú)法由用戶(hù)自身獨立完成,必須由外部系統通過(guò)用戶(hù)的應答來(lái)完成。其特點(diǎn)是通過(guò)用戶(hù)應答,在完成定位的同時(shí),完成了向外部系統的用戶(hù)位置報告,還可實(shí)現定位與通信的集成,實(shí)現在同一系統中的NAVCOMM集成。

  短報文功能是北斗衛星導航系統所具備的獨特優(yōu)勢,可以實(shí)現雙向報文通信,具有更高的傳輸效率。在用戶(hù)授權并完成配置工作之后可以開(kāi)展終端和指揮機之間的信息傳輸,實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的精準通信,打破了時(shí)間和距離對通信的限制。北斗短報文通信服務(wù),在交通運輸、農林漁業(yè)、氣象預報、水文監測、測繪地理信息、減災救災等各領(lǐng)域均發(fā)揮了巨大作用。

  旋極星源推出的北斗RDSS射頻收發(fā)芯片,內部完整集成了接收、發(fā)射通道和頻率綜合器等模塊,僅需極少的片外元件即可完成北斗信號的收發(fā)工作,是目前行業(yè)內面積最小、功耗最低、產(chǎn)品性能最優(yōu)。

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  ——GNSS

  GNSS技術(shù)是指通過(guò)觀(guān)測GNSS衛星獲得坐標系內絕對定位坐標的測量技術(shù)。GNSS對于技術(shù)和應用多元化的快速發(fā)展起了很大作用,這反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生了大量的應用實(shí)例。由于性能不斷提高,用戶(hù)意識及其潛能不斷增長(cháng),GNSS 已成為當代重大跨領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的基本要素。GNSS接收機從傳統的單一頻率單一模式向多通道多模兼容、聯(lián)合定位、低功耗、高線(xiàn)性度方向發(fā)展,以滿(mǎn)足室內、林蔭小道、惡劣天氣等復雜自然環(huán)境下更穩定、更可靠、更安全的高精度定位和實(shí)時(shí)導航定位的要求。

  針對GNSS接收機的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化,旋極星源基于業(yè)界成熟工藝制程,不斷進(jìn)行產(chǎn)品升級以及技術(shù)突破:

  -成功研發(fā)的國內首款高精度導航的GNSS三通道寬帶射頻芯片,已廣泛應用于精細農業(yè)、駕照考試、位移監控等。

  -推出了采用130nm COMS工藝的高集成度、多模多頻段、單通道、三通道寬帶GNSS射頻接收機。

  -自主研發(fā)了國內唯一的高集成度、多模多頻段五通道、22nm工藝節點(diǎn)的 GNSS Receiver RF IP產(chǎn)品。GNSS接收機可配置為高線(xiàn)性模式和低功耗模式,以滿(mǎn)足多種應用需求。

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  多元化已成為發(fā)展趨勢

  全球四大導航系統(GPS、格洛納斯、北斗系統、伽利略系統)和兩大區域系統(QZSS、NAVIC),以及若干星基增強系統(SBAS),已形成多星座、多頻率共存共榮的局面。通過(guò)時(shí)空基準、信號體制的創(chuàng )新設計,實(shí)現了不同系統的兼容互操作和融合處理,共同為人類(lèi)提供更加優(yōu)質(zhì)的PNT服務(wù)。

  當前我國衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)正以技術(shù)體系創(chuàng )新和應用模式創(chuàng )新為主線(xiàn),積極推動(dòng)“北斗+”融合創(chuàng )新和“+北斗”時(shí)空應用發(fā)展。在推進(jìn)傳統基礎設施和新型基礎設施建設,打造系統完備、高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系,打造智能交通、智慧能源、智慧農業(yè)及水利、智能制造、智慧教育等數字化應用場(chǎng)景等方面,衛星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)已發(fā)揮出重要的時(shí)空賦能作用,加快推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)數字化,為我國數字經(jīng)濟的發(fā)展賦予強大的生命力。

  同時(shí),國家綜合定位導航授時(shí)(PNT)體系建設工作正在推動(dòng)實(shí)施。按計劃,我國將于2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時(shí)體系,構建覆蓋天地海、基準統一、高精度、高安全、高智能、高彈性、高效益的時(shí)空信息服務(wù)基礎設施。

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