和芯星通：北斗高精度芯片賦能智能車載應(yīng)用

2021第五屆ADAS與自動(dòng)駕駛論壇上，和芯星通高精度產(chǎn)品經(jīng)理刀禮洋先生做了題為《北斗高精度芯片賦能智能車載應(yīng)用》的演講，本次演講主要通過三個(gè)方面來介紹和芯星通最新產(chǎn)品技術(shù)與應(yīng)用。

（一）產(chǎn)品研發(fā)歷程與市場(chǎng)地位

和芯星通成立于2009年，是北斗星通旗下專業(yè)從事GNSS衛(wèi)星定位導(dǎo)航芯片設(shè)計(jì)、研發(fā)與高精度定位算法、多源融合核心算法，以及GNSS數(shù)據(jù)服務(wù)提供的科技企業(yè)。成立12年以來，先后發(fā)布了十多款衛(wèi)星定位導(dǎo)航芯片。

2010年發(fā)布了國(guó)內(nèi)首款兼容北斗的多系統(tǒng)多頻高性能SoC芯片和芯星云Nebulas。2013年發(fā)布了國(guó)內(nèi)首顆55納米北斗芯片和芯蜂鳥Humbird，面向車載導(dǎo)航、T-Box車輛應(yīng)用的GNSS芯片。2017年發(fā)布了首款28nm支持北斗全球信號(hào)的最小芯片和芯火鳥Ufirebird；同年北斗星通收購(gòu)了加拿大RX Networks，構(gòu)建云+IC業(yè)務(wù)板塊。2020年發(fā)布了22nm的射頻基帶及高精度算法一體化GNSS SoC芯片NebulasIV，面向未來智能駕駛、無人機(jī)、機(jī)器人等市場(chǎng)方向。

和芯星通研制的GNSS衛(wèi)星定位導(dǎo)航芯片首個(gè)通過AEC-Q100車規(guī)認(rèn)證，并率先在車載前裝實(shí)現(xiàn)商用，國(guó)產(chǎn)芯片前裝出貨No.1。北斗高精度厘米級(jí)產(chǎn)品率先在無人機(jī)、機(jī)器人、及機(jī)車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用，無人機(jī)市場(chǎng)出貨量 No.1。

2015年，和芯星通設(shè)計(jì)的北斗衛(wèi)星定位芯片技術(shù)唯一獨(dú)立獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；2018年，和芯星通研制的北斗衛(wèi)星定位芯片應(yīng)用成果獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

（二）智能車載應(yīng)用與北斗定位產(chǎn)品

近年來，車載導(dǎo)航應(yīng)用對(duì)北斗衛(wèi)星定位的精度、可靠性，以及駕駛舒適度要求日益提高，使得北斗衛(wèi)星定位產(chǎn)品的定位精度、質(zhì)量、工藝有了明顯提升。車載導(dǎo)航應(yīng)用模組從開始的支持單GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，到如今的支持多系統(tǒng)聯(lián)合定位解算，并且支持多系統(tǒng)多頻信號(hào)；定位精度從初始的3米-5米精度的單點(diǎn)定位精度，上升到了厘米級(jí)的RTK定位精度，滿足智能駕駛、自動(dòng)駕駛應(yīng)用要求。和芯星通北斗衛(wèi)星定位模組在車載應(yīng)用市場(chǎng)方面，有應(yīng)用于V2X、T-Box、導(dǎo)航儀、監(jiān)控等領(lǐng)域，其次在L3、L4的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景上也有相應(yīng)產(chǎn)品。

下圖是和芯星通的標(biāo)準(zhǔn)精度定位模組產(chǎn)品應(yīng)用模式，主要在乘用車前裝的T-Box和IVI中規(guī)模應(yīng)用。

隨著車載衛(wèi)星定位體驗(yàn)要求不斷提高，為了滿足在隧道、高架橋梁等場(chǎng)景時(shí)無衛(wèi)星信號(hào)也能實(shí)現(xiàn)連續(xù)定位的需求，UM220-INS集成了MEMS器件，具備GNSS+INS組合導(dǎo)航功能，使得車輛進(jìn)入諸如隧道、橋梁，甚至城市峽谷等遮擋嚴(yán)重的場(chǎng)景時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)車輛連續(xù)、準(zhǔn)確的定位。

另一方面，在面向精度需求較高的場(chǎng)景，比如農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛、乘用車、擺渡車自動(dòng)駕駛、高精度地圖采集的應(yīng)用場(chǎng)景，要求北斗衛(wèi)星定位模組能到厘米級(jí)的定位精度。在上述應(yīng)用場(chǎng)景，和芯星通都有成熟的產(chǎn)品。

根據(jù)車載應(yīng)用模式不同，和芯星通定義了以下2款產(chǎn)品：

第一款 UM4B0

以前衛(wèi)星定位厘米級(jí)精度的產(chǎn)品還只存在于測(cè)量測(cè)繪上，現(xiàn)在厘米級(jí)定位精度的北斗衛(wèi)星定位模組UM4B0，可在高精度車載上使用。UM4B0 是基于 NebulasII 高性能高精度芯片開發(fā)的全系統(tǒng)全頻 RTK 定位模塊，支持 BDS B1I/B2I/B3I/B1C/B2a、GPS L1/L2/L5、 GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5a/E5b、QZSS L1/L2/L5 等衛(wèi)星信號(hào)，支持窄帶抗干擾，主要面向高精度地圖采集、智能駕駛和無人機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。

第二款 UM482

對(duì)于在車載高精度應(yīng)用，有些模式不僅需要厘米級(jí)的位置信息，還要求實(shí)時(shí)精確確定車輛的航向，甚至即使在停車狀態(tài)下也有精準(zhǔn)的航向值。和芯星通針對(duì)此類需求開發(fā)了全系統(tǒng)多頻高精度定位定向模塊——UM482。該產(chǎn)品支持兩個(gè)天線信號(hào)輸入，同時(shí)輸出RTK定位和Heading航向信息。

UM482 是基于 NebulasII 高性能高精度芯片開發(fā)的全系統(tǒng)多頻高精度定位定向模塊，支持 BDS B1I/B2I、GPS L1/L2、 GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5b、QZSS L1/L2 等衛(wèi)星信號(hào)，面向農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛、智能駕駛等應(yīng)用領(lǐng)域。

但是對(duì)于量產(chǎn)車載應(yīng)用而言，30×40mm的模組尺寸依舊較大。因此，和芯星通去年發(fā)布了22納米射頻基帶及高精度算法一體化的GNSS SoC芯片——NebulasIV。NebulasIV芯片秉承了All in one的設(shè)計(jì)理念，把所有射頻部分的信息處理、基帶信號(hào)捕獲跟蹤、高精度厘米級(jí)算法、抗干擾算法等都集成到該芯片上，真正實(shí)現(xiàn)片上高精度厘米級(jí)北斗衛(wèi)星定位功能。

NebulasIV 兼?zhèn)涓呒啥?，高可靠性，RTK fix準(zhǔn)確率＞99.9%；高質(zhì)量滿足車規(guī)級(jí)AEC-Q104，滿足車載前裝、無人機(jī)、農(nóng)機(jī)應(yīng)用要求；具備獨(dú)一無二設(shè)備ID及RSA數(shù)字簽名，具備低功耗、小尺寸等特點(diǎn)，適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能駕駛及電信授時(shí)等多個(gè)高精度應(yīng)用領(lǐng)域。

而在車載應(yīng)用上，除了芯片之外，不同車廠的解決方案、應(yīng)用模式不同，對(duì)于GNSS衛(wèi)星定位產(chǎn)品的形態(tài)要求有些差異。例如一些車廠使用17×22的表貼模塊，而一些車廠使用的設(shè)備上直接集成GNSS芯片，和芯星通基于NebulasIV芯片開發(fā)了一系列不同產(chǎn)品形態(tài)的高精度厘米級(jí)RTK定位模組。

上圖是以17×22mm和12×16mm尺寸為主的定位模組。為高精度車載應(yīng)用提供不同的產(chǎn)品形態(tài)。其中以UM960為例，尺寸是12×16mm，尺寸兼容車載市場(chǎng)主流 GNSS 模組產(chǎn)品，具備片上RTK定位解算功能，可達(dá)厘米級(jí)定位精度。UM960模組可做到高精度小尺寸主要源自于22納米射頻基帶及高精度算法一體化的GNSS SoC芯片中將射頻部分的信息處理、基帶信號(hào)捕獲跟蹤、高精度厘米級(jí)算法、抗干擾算法等有效融合到一顆芯片上的功效。

（三）“云”服務(wù)解決方案賦能智能車載應(yīng)用

為了更好地在終端展現(xiàn)極致的定位精度，北斗星通旗下真點(diǎn)科技將自有參考站數(shù)據(jù)與全國(guó)范圍內(nèi)合作伙伴數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，接入真點(diǎn)云端數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，為全國(guó)用戶提供7*24h的厘米級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)。

車輛只需通過車載終端連接到云服務(wù)平臺(tái)獲取服務(wù)數(shù)據(jù)并傳送給終端內(nèi)置GNSS芯片或模組即可在終端側(cè)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位。

下圖即為云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)圖，基準(zhǔn)站采集數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)返回平臺(tái)，在平臺(tái)側(cè)對(duì)定位誤差參數(shù)進(jìn)行分析和解算并完成服務(wù)數(shù)據(jù)播發(fā)，自動(dòng)駕駛車輛接收到服務(wù)數(shù)據(jù)后完成高精度定位解算，從而提升定位精度。

針對(duì)“云”+“端”一體化解決方案，真點(diǎn)科技提供的數(shù)據(jù)服務(wù)主要有以下幾種：

其一，是A-GNSS輔助定位數(shù)據(jù)服務(wù)。包含實(shí)時(shí)星歷服務(wù)和預(yù)測(cè)星歷兩類服務(wù)，主要用于車輛等載體的快速定位，改善用戶體驗(yàn)。其中，實(shí)時(shí)星歷服務(wù)可以將定位時(shí)間從十幾秒甚至幾十秒縮短至3秒以內(nèi)，預(yù)測(cè)星歷服務(wù)可以提供最長(zhǎng)14天星歷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，用于在弱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的快速定位。

其二，是GNSS增強(qiáng)定位數(shù)據(jù)服務(wù)，主要包含D-GNSS、RTK數(shù)據(jù)服務(wù)、PPP及PPP-RTK數(shù)據(jù)服務(wù)等，其中最主要的是RTK數(shù)據(jù)服務(wù)。受益于大規(guī)模部署的參考站網(wǎng)絡(luò)和RTK算法的性能優(yōu)勢(shì)，RTK數(shù)據(jù)服務(wù)已經(jīng)在智慧農(nóng)業(yè)、無人機(jī)、智能駕駛等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。其他類型服務(wù)也逐漸開始在不同行業(yè)、不同場(chǎng)景下應(yīng)用。

以外，真點(diǎn)可以提供高精度RTK算法服務(wù)，支持在云端部署和端側(cè)集成兩種模式。面向共享單車等監(jiān)控行業(yè)和智能駕駛行業(yè)，提供一體化高精度定位解決方案。

上圖是2019年基于UM220-INS產(chǎn)品在鳥巢隧道和中關(guān)村做的測(cè)試數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品主要面向V2X或者車載導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景，最新測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該產(chǎn)品定位有效率達(dá)到100%。

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)駕駛，國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)的耕、種、管、收四個(gè)環(huán)節(jié)基本上具備了農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛。在智慧農(nóng)業(yè)的耕、種、管、收各個(gè)環(huán)節(jié)中，北斗高精度衛(wèi)星定位產(chǎn)品均發(fā)揮著重要的作用。從2019年至2020年農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛的安裝數(shù)量看，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)駕駛的需求增長(zhǎng)45%以上。因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域?qū)Ρ倍沸l(wèi)星定位的需求也有較大的應(yīng)用需求。

上圖是農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛耕種場(chǎng)景。農(nóng)機(jī)在多機(jī)協(xié)同作業(yè)以及不同的作業(yè)模式上，也依賴精準(zhǔn)定位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。市場(chǎng)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)協(xié)同作業(yè)，這要求車和車之間的位置和距離要精準(zhǔn)把控，并且前行速度也需精準(zhǔn)匹配，這樣才能實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)。

上圖是產(chǎn)品在封閉園區(qū)自動(dòng)駕駛車輛上的應(yīng)用實(shí)拍圖。對(duì)于低速無人自動(dòng)駕駛車輛而言，基本都在一個(gè)封閉園區(qū)里作業(yè)，但是場(chǎng)景較為復(fù)雜，如高樓、樹蔭遮擋等對(duì)衛(wèi)星信號(hào)影響比較大。因此在此類車輛上不僅有衛(wèi)星定位，還有雷達(dá)、攝像頭等一系列傳感器進(jìn)行輔助。

傳感器依賴GNSS衛(wèi)星定位結(jié)果的校準(zhǔn)能夠?qū)囕v進(jìn)行精準(zhǔn)起始位置定位，因此GNSS定位的有效率以及準(zhǔn)確度和精度對(duì)車輛而言就至關(guān)重要。上圖體現(xiàn)產(chǎn)品在封閉園區(qū)行駛路徑狀況，右側(cè)兩圖中上面體現(xiàn)自有產(chǎn)品，下面是國(guó)際知名產(chǎn)品的軌跡情況，進(jìn)行對(duì)比和標(biāo)注的地方就是軌跡缺失情況。

眾所周知，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛離不開高精度地圖。而高精度地圖的采集，需要北斗高精度衛(wèi)星定位作為基站。同時(shí)結(jié)合其他傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)路標(biāo)，道路、場(chǎng)景的感知形成精準(zhǔn)高精度地圖。

上圖是面向L3及L3以上自動(dòng)駕駛車輛的應(yīng)用場(chǎng)景和展示。我們?cè)诟呔菺NSS定位里面集成了較高性能的慣導(dǎo)器件。滿足車載在L3+級(jí)別的應(yīng)用需求，實(shí)際測(cè)試車輛行駛經(jīng)過了一條2.8公里的隧道之后，依舊保持在車道上。上圖是重慶的測(cè)試圖，車輛經(jīng)過了2.8公里的隧道其顯示線路仍是非常連貫的。

在未來，和芯星通會(huì)繼續(xù)專注于打造自動(dòng)駕駛的核心傳感器——衛(wèi)星定位芯片，為自動(dòng)駕駛提供精準(zhǔn)的時(shí)間、空間信息。

問答環(huán)節(jié)

Q1、衛(wèi)星定位在自動(dòng)駕駛的應(yīng)用除了遮擋的影響之外，是否面臨其它挑戰(zhàn)？

刀禮洋：除了遮擋、隧道對(duì)衛(wèi)星定位的影響比較大以外，還會(huì)受到電視臺(tái)、高功率電臺(tái)等發(fā)生信號(hào)的干擾，這些干擾信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致GNSS定位模組不能正常定位。這個(gè)主要由于衛(wèi)星信號(hào)是從兩萬(wàn)多公里的外太空發(fā)送到地面上，經(jīng)過電離層、對(duì)流層延遲，衛(wèi)星信號(hào)達(dá)到地球表面已經(jīng)非常微弱，且衛(wèi)星信號(hào)淹沒在嘈雜無線電信號(hào)中，所以衛(wèi)星信號(hào)也容易受到周圍電磁波的影響。但是衛(wèi)星信號(hào)之所以能被識(shí)別出來，是因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)是基于偽隨機(jī)碼（PRN碼）編碼方式，有其特殊性。另外，電子欺騙信號(hào)也會(huì)影響GNSS衛(wèi)星定位模組在車輛上的使用。