时空信息传输的守护者——国产高精度GNSS接收机的逆袭
  • 来源:中国科普网
  • 作者:吴桐
  • 2021-01-05 10:48

2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。北斗卫星导航系统将中国人千百年来“寻路靠北斗七星”的经验变成现实,也彻底改变了中国人的生活方式。

在北斗的指引下逆袭

北斗卫星导航系统总设计师孙家栋曾说:“北斗的应用只受想象力的限制。” 从衣、食、住、行到水、电、气、热,从农林渔业到救灾减灾……北斗卫星导航系统已与社会生活深度融入,渗透到经济社会发展的方方面面。

北斗的神通广大源于它的高精度:北斗三号全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒,而这一切与高精度GNSS(Global Navigation Satellite System 全球卫星导航系统)接收机是密不可分的。

北京市计量检测科学研究院电磁信息与卫星导航研究所电子信息室主任许原介绍,全球卫星导航系统由空间段(卫星)、地面段(监测站)和用户段(终端)三部分组成,高精度GNSS接收机属于用户段,通过对卫星信号的跟踪、处理和量测可以实现导航定位、地质测量、时间同步等功能。

曾几何时,国内的高精度GNSS接收机研究还不够成熟,高性能的GNSS接收机基本上都被国外的进口产品垄断。15年来,随着北斗卫星导航系统的发展,我国国产高精度GNSS接收机经历了OEM板、天线、芯片“从无到有、从有到优”的发展历程。时至今日,国产产品的市场占有率已具有绝对优势。射频芯片、基带芯片、天线等基础类产品已经完全国产化。经过多年积累,国产GNSS接收机以及核心元器件的性能和质量也不逊于进口产品。

“今年珠峰测量登山队就是携带国产的上海华测GNSS接收机成功登顶完成任务的,其测量精度可达2.5毫米,并经受住了珠峰低温低压低氧极限环境的考验,说明国产装备已经达到世界级先进水平,只能依赖进口装备测量珠峰高程的历史一去不复返。” 许原说。

验评项目保驾护航

国产高精度GNSS接收机的逆袭离不开研发过程中严谨苛刻的测试和验评,而这正是许原所在的北京市计量检测科学研究院负责的任务。研究院自2015年成立国家卫星导航定位与授时产业计量测试中心以来,就致力于研究卫星应用产业全生命周期计量测试解决方案,为GNSS应用产业关键零部件、应用模块、接收机整机以及专用测试设备业提供计量检测服务。

2018年,许原作为负责人承担了国产质监领域计量科学仪器验证评价与推广课题中的高精度GNSS接收机验评项目,项目组结合多年来对该类产品的评价和委托检测的工作经验,通过对大量测试结果的统计,找出了试验中比较突出和常见的问题,并分析和梳理故障原因,从而显著提升产品质量。 

许原介绍,项目选择了三台国产和一台进口高精度 GNSS 接收机进行测试。结果表明,四台仪器的时间、定位精度均满足技术规范要求,性能指标基本相当,但国产品牌具有更优的性价比。许原认为,随着北斗卫星导航系统的不断完善,国产高精度GNSS 接收机也在不断改善提升,无论是硬件功能、性能还是控制软件的可靠性、稳定性以及外形接口设计都越来越好。

在这四台仪器的验评过程中,令许原印象最为深刻的是来自北京合众思壮科技股份有限公司的G10A型高精度接收机。

G10A型高精度接收机安装了由合众思壮自主研发的数传电台模块。数传电台是卫星导航产品时空信息传输最可靠的通道,如何保障这条通道的稳定可靠也是高精度GNSS接收机研发的重点难点。进口数传电台由于成本高、供货周期长的原因不能满足国内导航产品市场需求,因此合众思壮公司于2016年就开始组织团队自主创新和技术攻关,并于2017年成功研发出发射效率达到39.5%的拥有100%自主知识产权的数传电台,而国内同类产品的平均水平在36%,国际上也只能做到38%。因此该产品耗电和发热更少,可靠性更高。

随着各项指标逐渐达到理想标准,G10A型高精度接收机正式启用自研数传电台,一批安装新款自研数传电台模块的高精度GNSS接收机流入市场。但意想不到的是,在正式投产不久,新产品就频繁出现故障,让合众思壮不得不狠心将其召回,这也成为公司发展史上罕见的一次产品事故,使公司同时面临业务和财务等多方面压力。

随后企业研发部门和验评项目组合作,开始对产品进行全方位的检查分析,最终发现导致产品出现故障的原因就是数传电台,而数传电台损坏的根源是静电。由于研发实验室是在南方,空气湿润,以至于研发团队忽略了非常重要的静电因素,电台整体的静电抗扰度试验等级并不严格。而当北方的客户在比较干燥的环境下使用这些产品时,就极易出现静电击穿电台中元器件导致故障的问题。

研发团队立马改进数传电台防静电设计,并将防静电标准从原来的行业平均指标——空气放电2000伏10次提高到了接触放电8000伏200次不损坏的高标准。随后验评课题组的实验室也对产品进行了多次不同严酷等级的静电放电试验,确保产品能够适应最严苛的使用场景。

经过此次验评,搭载改进型数传电台的高精度GNSS接收机整体质量水平再上一个新台阶。由于采用了新的技术方案和工艺过程控制,该自研数传电台模块制造成本仅为国外同类产品的十分之一,国内产品的二分之一,且平均故障率降低到了1%,位居行业领先水平。目前搭载这一数传模块的国产高精度GNSS接收机销售量已超过10万台。

本次高精度GNSS接收机验评项目的实施不仅提高了国产卫星导航定位仪器设备的整体质量水平,同时也对北斗在重点行业的应用推广发挥了积极的宣传和引导作用,为北斗向大众化、高精度、国际化发展奠定了坚实基础。

未来并非一路坦途

现如今,国产高精度GNSS接收机已经全面应用在了交通、通信、电力、养老、消防、计量等行业。“十年前,国产接收机的市场占有率只有10%,五年前,在使用环境不太严苛的情况下,国产接收机的使用率可以超过一半,而现在这个比例已经基本反转过来了,这与北斗的发展是息息相关的。”许原说。

不过,现在就宣布国产高精度GNSS接收机大功告成还为时尚早。许原坦言,国产接收机虽然在核心性能上已经与进口产品不相上下,但在软件的稳定性和可靠性上还有一定差距,这一点还需要时间来通过产品迭代弥补。未来,复杂环境下数据信号的完整性、可靠性、连续性以及无人机、智能汽车等前沿科技产品动态测量的准确性都是需要克服的挑战。此外,国产接收机目前面临着比较严重的同质化竞争,这对产业发展也是不利的。但相信未来在北斗的“指引”下,加上验评项目的保驾护航,国产高精度GNSS接收机的质量、技术和知名度都会再更上一层楼。

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