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北斗高精度芯片级方案在智能驾驶当中的应用

来源:深圳华大北斗科技有限公司   发布时间: 2020-06-29 13:56:59

GNSS 定位技术发展趋势

第一部分介绍一下GNSS的现状与发展趋势,还有多模组SOC芯片设计的思路。

现在全球的系统有北斗、GPS、伽利略等等,在区域的服务系统里面也有比较多,频点也越来越多,天上应用的资源也越来越多了,在这样的情况下,是不是我们做的芯片板卡要把所有的频点都支持呢?如果说都支持的话,实际上对这个板子,或者作为一个芯片小型化和低成本,是有比较大的考验的。基于这个思考,我们是不是需要一些突破,做一些更小型化,针对一些行业应用的芯片出来呢?


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目前在高精度定位技术的现状,我们可以看到,从这个图上,华大主要还是要集中在精度在1米以内,我们涵盖了亚米级、厘米级,精度小于一厘米的主要是用作静态测量的,我们目前设计的芯片和模组也不适用于这样的应用。


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这个图是目前四大系统里面所支持的频点,这些频点大家已经比较了解了,至于L1的高频点的波段,目前包括手机,在一些导航型的市场已经应用得比较完善了。目前天空又多了L5频带,L2之前也有,包括L6的频带,这三种频带是各有特点的,在设计芯片和模组的考量下,是怎样做取舍的?L5的频点是属于抗多路径效应是比较好的,在城市峡谷做定位,提高但点定位的精度,我们更好的选择就应该是L1+L5的频点组合。L2是做精密的相对定位,L2频带在厘米级定位中起到关键的作用,包括做全国的CORS站、CORS网,它也起到了比较大的作用,如果我们做这个应用,L2和L1的组合会比较有优势。L6是近年新增的频带,这个频点将来主要还是应用到星基增强服务上,在通讯不畅或者说是通讯搭建有困难的情况下,通过星基可以很容易达到高精度的定位,这种情况下L6频带是比较有优势的。

基于以上的特点,我们应该设计一个什么样的芯片呢?众所周知在早期OEM板卡的尺寸都是比较大的,大概需要60到80厘米级的板卡,它的功耗也非常大,这种板卡用在手持和将来的智能穿戴方面是不现实的。随着应用和硬件的发展,现在的市场应用已经从OEM板卡向模组,包括到芯片级别的应用来走。从应用来说,大众的应用会更倾向于往小型化和低功耗方向走。我们在高精度专业的行业应用,要做到的就是在模组级别实现小型化和低功耗。


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大家可以看到最右侧是华大北斗设计的小芯片,在下面会讲到这个芯片的一些具体的特点。

这款芯片是我们在今年开北斗会的时候正式发布的一款芯片,这款芯片有几个特点:

·全球首个支持北斗三代信号体制的SOC芯片。目前要求支持北斗的都要支持北斗三代信号,我们是首个支持的,再就是SOC芯片,大家可能对卫星定位芯片不是特别清楚,我们现在定位芯片可以分几类,一类是一颗芯片包含了射频和基带,另外一类就是射频是单独的一个芯片,基带是一个芯片,这样加起来可能整个体积、功耗和成本都会更高。

·支持GNSS多系统多频点,现在四大系统的几个频点都支持。

·射频基带一体化,而且通过使用不同频点的组合,会让整个芯片的功耗达到当前行业最低的水平。功耗最低在芯片和模组级别来说是非常重要的一个指标,尤其是在高精度的手持应用和智能穿戴上面,功耗要求非常敏感。

·为了支持交通类的车辆的使用,同时支持CAN通信。

·输出GNSS全民用频点高精度原始观测量,你可以拿观测量做你的RTK应用,也可以做其它的应用。


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我们的HD9310芯片,目前是全球最小尺寸的,它是3毫米×3毫米的,芯片里面就包含了射频和基带所有的功能,通过这个芯片我们可以封装成7毫米×7毫米的模组,或者10毫米×10毫米的模组。但是因为它的芯片设计是和频点相关的,我们达到这个小的芯片体积,必然是要做取舍,在左侧低频点的波段上,我们有A、B、C三种选择,不同的选择会应用在不同的部件、应用在不同的行业。A+L1波段主要是用在车载上。

目前双频RTK和单频RTK的使用非常普遍,在单频和双频方面有什么主要的特点?我们这个产品也测了一下,在空旷环境和有树遮挡的环境下的情况,主要是测了固定率和RTK的初始化时间。从这个比较来看,若是用单频做RTK,首先它是在RTK的初始化时间上会相较于双频或者多频要长。第二个是它在树下抗干扰会差一些,在进入Fix的固定率比双频更低。基于这一点,我们的9310芯片是双频的芯片,在复杂应用环境下,包括城市峡谷、有树遮挡的情况下是有一定优势的。

另外介绍一下我们这个芯片的低功耗性能。功耗是困扰板卡的一个重要的问题,大家如果用过高精度的RTK可能知道,现在一块常用的板卡的功耗大概是在2到4W的级别,芯片是在几十毫安的级别,一块3000多安的电池,在手持来用,完全可以满足一天的外业作业,包括你的屏幕点亮,这对手持类的设备是一个非常大的帮助。

我们的9310根据不同的芯片封装,我们会封装成3×3毫米和5×5毫米两个尺寸。

芯片的开发和应用,这个门槛是比较高的,我们为了更好地和终端应用和行业应用对接起来,我们会设计成高精度的模组来对外应用,我们基本上会设计成中间这种12×16毫米的模组来应用。对于车载应用,它一般情况下应用在城市道路,或者是有遮挡的情况下,这种情况下数据的连贯性是非常重要的,我们可以看到在这个蓝色框里面,我们设计了一个放MEMS的空间,会放一个6轴的MEMS,它是为了保证数据的连贯性,它是一个低阶的MEMS。以MEMS加上芯片,整个封装之后的尺寸是12×16毫米。

以上是我们的产品设计思路。

北斗高精度定位在自动驾驶中的应用探讨

接下来我跟大家探讨一下传统测量测绘如何向车载方向过渡,包括我们的模组和芯片是如何考虑在车载应用上规模化。

传统测绘应用走向车载应用

这个应用大家都比较熟悉,传统的农业和无人机市场,现在应用也非常成熟。首先想实现RTK的定位,一定是要有基站,然后通过中间的传输介质,通过5G或者是4G(目前以4G为主),在农业上目前应用两个成熟的方案,第一是农用自动驾驶,在黑龙江、新疆,目前都已经实现了播种和施肥、扣地膜的无人驾驶,在农忙期间,之前在传统的播种方式下,晚上是没法干活的,因为车辆开不直,通过自动驾驶的方案,它会根据你规划的路线自动去走,实际上在田间地头,这种自动驾驶掉头也都实现了。第二个应用就是农业植保,无人机高精度应用方面,农业植保是一个非常明确的应用,农业部也规定了在无人机植保上面要用差分技术,目前主流的都是以RTK的技术来用。

我们现在正在跟上汽一起做一个方案,我们最早是在车上实现米级定位,大家觉得米级定位是不够的,后来又提出了车道级定位,它是在亚米级到厘米级的一个大的概念,在这种情况下,我们选择的是厘米级来定位。技术方面也是通过模组+IMU+通讯的方式来实现的。

从量产化,规模化应用角度思考设计方案

大家可能知道,现在我们无论是做自动驾驶还是做厘米级的车道级定位,之前的方案大家可能比较清楚,用一个高精度的板卡,加上IMU,再加上差分基站,或者是信息增强,这种方案下来,光是一个高精度的板卡就要几千块钱,这种想大规模的应用,对于车厂来说还是难度比较大的,如何降低成本,使车厂达到规模化的生产,我们现在正在考虑这个问题。

在这一块,大家看到传统的已经在用的,包括在测、在研究的、相关的组合导航的产品也有在用,这种产品一个需要几十万,能实现很好的车道级定位,但是这种产品产业化和规模化压力是很大的,包括中间段的Xsens或者是牛顿的产品,也需要几万块钱,这在车载上产业化是不现实的。我们现在将高精度定位+贯导系统,现在的设计是在1000元以内的产品成本。

现在我们已经在做到第三个阶段了,这个方案是我们跟上汽一起在做的,第一阶段初试验证已经通过了,第二阶段已经在上汽的汽车园里面跑了几个月了,精度各方面都是没有问题的,今年5月份已经开始做一些认证和供应商的认证。成本也能够控制在100元人民币以内,除了上汽之外,包括北汽也在跟我们一起研究这个方案。


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这是在上汽的产业园里面,我们用了开发的产品,实现了道路厘米级的定位?这里能看到更近的一个视图。整个方案的应用已经满足了车道级的应用,包括很好地实现厘米级的应用。

另外想实现厘米级的应用,有几类配套的产品是必不可缺的。第一个是地基增强的CORS系统,现在大家比较熟悉CORS系统,比如千寻有一个全国的CORS网,华大也有一些产品能自己快速的建起CORS,有太阳能一体化的基站,通过4G、5G传输到终端,终端会有天线或者接收机。CORS是车载高精度包括车道级定位需要的一类应用。同时大家知道还有一类叫星基增强,目前有几大系统在用,它目前有一个最大的问题,就是进入RTK的处置时间过长,这会导致车辆在再次进入固定点的情况下,时间长,车辆会出现较大的偏差,在星基增强目前还不适用于在车辆的车道级定位上的应用。


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另外就是车载的天线。我们说芯片是车载定位的非常核心的定位,同时你要有匹配的天线,不同的天线搭载起来之后,会有不同的应用效果,比如说上图的第四个,这种天线主要用在建CORS站方面。前面这两个产品是单频和双频的,它主要是车载天线。现在我们会提供一些模组,现在一些车厂就把天线做成车顶的鲨鱼鳍一体化的天线,是前装的。这种天线是后装的,吸在车顶进行测量。这种天线是在实现车道级定位里面必不可少的配件。


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另外再简单说一下我们之前做过的一个应用。因为现在出了新的政策和标准,之前我们根据国家的调研,出了一个方案,就是北斗自由流收费的解决方案,这也是通过不停车、通过高精度的北斗定位加上MAMS、加上通讯来实现快速的结账,  通过高速路口的,当然政策现在是用ETC,可能以后会再探讨通过北斗方式,可能是在下一代的事情。

本报告来源于第十四届中国卫星导航与位置服务运营商大会,未经本人确认。


 

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