時(shí)空信息傳輸?shù)氖刈o(hù)者
——國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)的逆襲

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，我國成為世界上第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將中國人千百年來“尋路靠北斗七星”的經(jīng)驗(yàn)變成現(xiàn)實(shí)，也徹底改變了中國人的生活方式。

在北斗的指引下逆襲

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫家棟曾說：“北斗的應(yīng)用只受想象力的限制?！睆囊?、食、住、行到水、電、氣、熱，從農(nóng)林漁業(yè)到救災(zāi)減災(zāi)……北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已與社會(huì)生活深度融入，滲透到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方方面面。

北斗的神通廣大源于它的高精度：北斗三號全球范圍定位精度優(yōu)于10米、測速精度優(yōu)于0.2米/秒、授時(shí)精度優(yōu)于20納秒，而這一切與高精度GNSS（Global Navigation Satellite System全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）接收機(jī)是密不可分的。

北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院電磁信息與衛(wèi)星導(dǎo)航研究所電子信息室主任許原介紹，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段（衛(wèi)星）、地面段（監(jiān)測站）和用戶段（終端）三部分組成，高精度GNSS接收機(jī)屬于用戶段，通過對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位、地質(zhì)測量、時(shí)間同步等功能。

曾幾何時(shí)，國內(nèi)的高精度GNSS接收機(jī)研究還不夠成熟，高性能的GNSS接收機(jī)基本上都被國外的進(jìn)口產(chǎn)品壟斷。15年來，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，我國國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)經(jīng)歷了OEM板、天線、芯片“從無到有、從有到優(yōu)”的發(fā)展歷程。時(shí)至今日，國產(chǎn)產(chǎn)品的市場占有率已具有絕對優(yōu)勢。射頻芯片、基帶芯片、天線等基礎(chǔ)類產(chǎn)品已經(jīng)完全國產(chǎn)化。經(jīng)過多年積累，國產(chǎn)GNSS接收機(jī)以及核心元器件的性能和質(zhì)量也不遜于進(jìn)口產(chǎn)品。

“今年珠峰測量登山隊(duì)就是攜帶國產(chǎn)的上海華測GNSS接收機(jī)成功登頂完成任務(wù)的，其測量精度可達(dá)2.5毫米，并經(jīng)受住了珠峰低溫低壓低氧極限環(huán)境的考驗(yàn)，說明國產(chǎn)裝備已經(jīng)達(dá)到世界級先進(jìn)水平，只能依賴進(jìn)口裝備測量珠峰高程的歷史一去不復(fù)返。”許原說。

驗(yàn)評項(xiàng)目保駕護(hù)航

國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)的逆襲離不開研發(fā)過程中嚴(yán)謹(jǐn)苛刻的測試和驗(yàn)評，而這正是許原所在的北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院負(fù)責(zé)的任務(wù)。研究院自2015年成立國家衛(wèi)星導(dǎo)航定位與授時(shí)產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心以來，就致力于研究衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)全生命周期計(jì)量測試解決方案，為GNSS應(yīng)用產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵零部件、應(yīng)用模塊、接收機(jī)整機(jī)以及專用測試設(shè)備業(yè)提供計(jì)量檢測服務(wù)。

2018年，許原作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國產(chǎn)質(zhì)監(jiān)領(lǐng)域計(jì)量科學(xué)儀器驗(yàn)證評價(jià)與推廣課題中的高精度GNSS接收機(jī)驗(yàn)評項(xiàng)目，項(xiàng)目組結(jié)合多年來對該類產(chǎn)品的評價(jià)和委托檢測的工作經(jīng)驗(yàn)，通過對大量測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，找出了試驗(yàn)中比較突出和常見的問題，并分析和梳理故障原因，從而顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量。

許原介紹，項(xiàng)目選擇了三臺(tái)國產(chǎn)和一臺(tái)進(jìn)口高精度GNSS接收機(jī)進(jìn)行測試。結(jié)果表明，四臺(tái)儀器的時(shí)間、定位精度均滿足技術(shù)規(guī)范要求，性能指標(biāo)基本相當(dāng)，但國產(chǎn)品牌具有更優(yōu)的性價(jià)比。許原認(rèn)為，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)也在不斷改善提升，無論是硬件功能、性能還是控制軟件的可靠性、穩(wěn)定性以及外形接口設(shè)計(jì)都越來越好。

在這四臺(tái)儀器的驗(yàn)評過程中，令許原印象最為深刻的是來自北京合眾思壯科技股份有限公司的G10A型高精度接收機(jī)。

G10A型高精度接收機(jī)安裝了由合眾思壯自主研發(fā)的數(shù)傳電臺(tái)模塊。數(shù)傳電臺(tái)是衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品時(shí)空信息傳輸最可靠的通道，如何保障這條通道的穩(wěn)定可靠也是高精度GNSS接收機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)難點(diǎn)。進(jìn)口數(shù)傳電臺(tái)由于成本高、供貨周期長的原因不能滿足國內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)品市場需求，因此合眾思壯公司于2016年就開始組織團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，并于2017年成功研發(fā)出發(fā)射效率達(dá)到39.5%的擁有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)傳電臺(tái)，而國內(nèi)同類產(chǎn)品的平均水平在36%，國際上也只能做到38%。因此該產(chǎn)品耗電和發(fā)熱更少，可靠性更高。

隨著各項(xiàng)指標(biāo)逐漸達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)，G10A型高精度接收機(jī)正式啟用自研數(shù)傳電臺(tái)，一批安裝新款自研數(shù)傳電臺(tái)模塊的高精度GNSS接收機(jī)流入市場。但意想不到的是，在正式投產(chǎn)不久，新產(chǎn)品就頻繁出現(xiàn)故障，讓合眾思壯不得不狠心將其召回，這也成為公司發(fā)展史上罕見的一次產(chǎn)品事故，使公司同時(shí)面臨業(yè)務(wù)和財(cái)務(wù)等多方面壓力。

隨后企業(yè)研發(fā)部門和驗(yàn)評項(xiàng)目組合作，開始對產(chǎn)品進(jìn)行全方位的檢查分析，最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)故障的原因就是數(shù)傳電臺(tái)，而數(shù)傳電臺(tái)損壞的根源是靜電。由于研發(fā)實(shí)驗(yàn)室是在南方，空氣濕潤，以至于研發(fā)團(tuán)隊(duì)忽略了非常重要的靜電因素，電臺(tái)整體的靜電抗擾度試驗(yàn)等級并不嚴(yán)格。而當(dāng)北方的客戶在比較干燥的環(huán)境下使用這些產(chǎn)品時(shí)，就極易出現(xiàn)靜電擊穿電臺(tái)中元器件導(dǎo)致故障的問題。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)立馬改進(jìn)數(shù)傳電臺(tái)防靜電設(shè)計(jì)，并將防靜電標(biāo)準(zhǔn)從原來的行業(yè)平均指標(biāo)——空氣放電2000伏10次提高到了接觸放電8000伏200次不損壞的高標(biāo)準(zhǔn)。隨后驗(yàn)評課題組的實(shí)驗(yàn)室也對產(chǎn)品進(jìn)行了多次不同嚴(yán)酷等級的靜電放電試驗(yàn)，確保產(chǎn)品能夠適應(yīng)最嚴(yán)苛的使用場景。

經(jīng)過此次驗(yàn)評，搭載改進(jìn)型數(shù)傳電臺(tái)的高精度GNSS接收機(jī)整體質(zhì)量水平再上一個(gè)新臺(tái)階。由于采用了新的技術(shù)方案和工藝過程控制，該自研數(shù)傳電臺(tái)模塊制造成本僅為國外同類產(chǎn)品的十分之一，國內(nèi)產(chǎn)品的二分之一，且平均故障率降低到了1%，位居行業(yè)領(lǐng)先水平。目前搭載這一數(shù)傳模塊的國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)銷售量已超過10萬臺(tái)。

本次高精度GNSS接收機(jī)驗(yàn)評項(xiàng)目的實(shí)施不僅提高了國產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀器設(shè)備的整體質(zhì)量水平，同時(shí)也對北斗在重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用推廣發(fā)揮了積極的宣傳和引導(dǎo)作用，為北斗向大眾化、高精度、國際化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來并非一路坦途

現(xiàn)如今，國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)已經(jīng)全面應(yīng)用在了交通、通信、電力、養(yǎng)老、消防、計(jì)量等行業(yè)?！笆昵?，國產(chǎn)接收機(jī)的市場占有率只有10%，五年前，在使用環(huán)境不太嚴(yán)苛的情況下，國產(chǎn)接收機(jī)的使用率可以超過一半，而現(xiàn)在這個(gè)比例已經(jīng)基本反轉(zhuǎn)過來了，這與北斗的發(fā)展是息息相關(guān)的?！痹S原說。

不過，現(xiàn)在就宣布國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)大功告成還為時(shí)尚早。許原坦言，國產(chǎn)接收機(jī)雖然在核心性能上已經(jīng)與進(jìn)口產(chǎn)品不相上下，但在軟件的穩(wěn)定性和可靠性上還有一定差距，這一點(diǎn)還需要時(shí)間來通過產(chǎn)品迭代彌補(bǔ)。未來，復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)信號的完整性、可靠性、連續(xù)性以及無人機(jī)、智能汽車等前沿科技產(chǎn)品動(dòng)態(tài)測量的準(zhǔn)確性都是需要克服的挑戰(zhàn)。此外，國產(chǎn)接收機(jī)目前面臨著比較嚴(yán)重的同質(zhì)化競爭，這對產(chǎn)業(yè)發(fā)展也是不利的。但相信未來在北斗的“指引”下，加上驗(yàn)評項(xiàng)目的保駕護(hù)航，國產(chǎn)高精度GNSS接收機(jī)的質(zhì)量、技術(shù)和知名度都會(huì)再更上一層樓。