1. 從“能用”到“好用”北斗芯片換代的深層邏輯最近業(yè)內(nèi)都在討論一個消息新一代北斗衛(wèi)星已經(jīng)全面換上了新一代的國產(chǎn)芯片。這個消息聽起來可能有點技術(shù)化但它的影響其實離我們每個人的生活都很近。簡單來說這就像是給天上的“導(dǎo)航燈塔”做了一次核心的“心臟移植”手術(shù)把衛(wèi)星的“大腦”和“神經(jīng)系統(tǒng)”全部升級了。對于像我這樣長期關(guān)注衛(wèi)星導(dǎo)航和芯片領(lǐng)域的人來說這絕對是一個標(biāo)志性的事件它遠(yuǎn)不止是“國產(chǎn)化”那么簡單背后是一整套從系統(tǒng)設(shè)計、芯片架構(gòu)到應(yīng)用生態(tài)的深刻變革。很多人可能覺得衛(wèi)星在天上飛只要信號能發(fā)下來手機(jī)能定位就行換不換芯片有什么關(guān)系這個想法其實忽略了一個核心問題精度、可靠性和服務(wù)能力的躍升最終都依賴于底層硬件的性能上限。老一代的芯片可能在設(shè)計之初就是為了滿足“從無到有”的基本定位需求解決了“有無”問題。但隨著自動駕駛、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、無人機(jī)物流、物聯(lián)網(wǎng)這些高精度、高可靠、高并發(fā)的應(yīng)用場景爆發(fā)對導(dǎo)航衛(wèi)星本身的能力提出了前所未有的要求。比如要實現(xiàn)車道級的導(dǎo)航衛(wèi)星的測距信號必須極其穩(wěn)定和精準(zhǔn)要服務(wù)海量的物聯(lián)網(wǎng)終端衛(wèi)星的信號處理和播發(fā)能力必須足夠強(qiáng)大。這些都卡在了芯片這顆“心臟”上。所以這次全面換裝其根本驅(qū)動力是應(yīng)用需求在倒逼技術(shù)升級。它不是為了換而換而是北斗系統(tǒng)從提供基礎(chǔ)定位服務(wù)邁向提供高精度、高可靠、高安全的時空信息服務(wù)這一新階段所必須跨越的技術(shù)門檻。這次升級直接決定了未來五年甚至十年北斗能在哪些新興領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色。接下來我就結(jié)合自己的觀察和理解拆解一下這次芯片換代背后的技術(shù)細(xì)節(jié)、面臨的挑戰(zhàn)以及它將帶來的實際改變。2. 新一代芯片的技術(shù)突圍不僅僅是“國產(chǎn)”標(biāo)簽提到“國產(chǎn)芯片”外界往往首先想到的是“自主可控”和“解決卡脖子”這當(dāng)然是重中之重尤其是在太空這種極端且無法現(xiàn)場維修的環(huán)境下供應(yīng)鏈的安全就是系統(tǒng)生命線。但這次北斗換芯技術(shù)層面的進(jìn)步更值得深挖。它不是在原有設(shè)計上做簡單的工藝縮微或仿制而是一次從架構(gòu)到性能的全面革新。2.1 算力與處理能力的跨越衛(wèi)星在軌運行要處理的任務(wù)非常復(fù)雜。它要實時進(jìn)行軌道計算和姿態(tài)控制確保自己“站得穩(wěn)、跑得準(zhǔn)”要處理來自地面控制中心的注入指令要生成和調(diào)制需要向地面發(fā)送的導(dǎo)航信號還要進(jìn)行星間鏈路通信與其他衛(wèi)星“對話”以構(gòu)成一個自主運行的網(wǎng)絡(luò)。所有這些任務(wù)都對芯片的實時處理能力和算力提出了極高要求。新一代國產(chǎn)芯片首先在處理器核心上必然采用了更先進(jìn)的架構(gòu)。我推測其很可能集成了多個高性能計算核心與專用協(xié)處理器如DSP數(shù)字信號處理器、FPGA現(xiàn)場可編程門陣列模塊。導(dǎo)航信號的生成與調(diào)制特別是新一代北斗特有的B1C、B2a等先進(jìn)信號調(diào)制方式復(fù)雜如BOC調(diào)制及其衍生方式需要強(qiáng)大的實時數(shù)字信號處理能力。專用DSP或FPGA模塊的加入可以將這些固定算法硬件化在降低主CPU負(fù)載的同時大幅提升信號生成的精度和效率。這就像是給衛(wèi)星裝上了一塊專業(yè)的“聲卡”讓它播發(fā)出的導(dǎo)航“聲音”更純凈、更穩(wěn)定。2.2 “抗輻照”與可靠性的極致設(shè)計太空環(huán)境對芯片來說是嚴(yán)酷的考驗充滿了高能粒子輻射單粒子效應(yīng)和宇宙射線。這些輻射可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部的晶體管狀態(tài)翻轉(zhuǎn)軟錯誤甚至造成永久性損傷硬錯誤。因此航天芯片的核心技術(shù)壁壘之一就是抗輻照Rad-Hard設(shè)計。新一代芯片在抗輻照方面肯定采用了更深層次的設(shè)計。這不僅僅是選用特殊的半導(dǎo)體工藝如SOI絕緣體上硅更包括在電路設(shè)計層面采用三模冗余TMR、糾錯編碼ECC存儲器等設(shè)計。例如關(guān)鍵的邏輯單元和存儲器可能會同時部署三套通過投票機(jī)制決定輸出即使一套被輻射打翻系統(tǒng)也能依靠另外兩套做出正確判斷繼續(xù)工作。這種設(shè)計會顯著增加芯片的晶體管數(shù)量和設(shè)計復(fù)雜度但對在軌長達(dá)10-15年的衛(wèi)星來說這是確保“永不停機(jī)”的生命線。這次換裝意味著國產(chǎn)芯片在這些最核心的可靠性設(shè)計上已經(jīng)達(dá)到了實用化、批量化的高水平。2.3 集成度與功耗的平衡藝術(shù)早期的衛(wèi)星電子系統(tǒng)可能由多塊分立的板卡和芯片通過背板連接實現(xiàn)功能體積大、重量重、連接點多可靠性風(fēng)險也相對較高。新一代芯片的一個發(fā)展趨勢是高集成度SoC - System on Chip。我們可以合理推斷新一代北斗衛(wèi)星芯片正在將導(dǎo)航信號生成器、星載計算機(jī)、通信控制器等多個關(guān)鍵單元集成到單顆或少數(shù)幾顆核心芯片中。這種集成帶來了多重好處一是極大減少了衛(wèi)星內(nèi)部的空間占用和連線讓衛(wèi)星平臺設(shè)計更緊湊可以搭載更多其他有效載荷比如搜救載荷、星基增強(qiáng)載荷二是降低了系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的延遲和功耗提升了整體效率三是減少了接插件和焊點從系統(tǒng)層面進(jìn)一步提高了可靠性。當(dāng)然高集成度也帶來了設(shè)計難度的飆升和散熱挑戰(zhàn)這需要芯片在架構(gòu)設(shè)計和封裝工藝上取得突破在提升算力的同時將功耗控制在衛(wèi)星太陽能電池板可支撐的范圍內(nèi)。3. 芯片升級如何重塑地面體驗從信號到服務(wù)衛(wèi)星芯片的升級對于地面用戶來說感知最直接的途徑就是導(dǎo)航信號質(zhì)量的提升。這并非玄學(xué)而是有實實在在的技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)。3.1 信號質(zhì)量與測距精度的躍升芯片性能直接決定了導(dǎo)航信號生成的相位噪聲水平和信號純度。相位噪聲可以理解為信號“抖不抖”。如果芯片內(nèi)部的時鐘電路和信號生成電路不夠穩(wěn)定產(chǎn)生的導(dǎo)航載波就會存在微小的、隨機(jī)的相位抖動。這種抖動傳到地面會被接收機(jī)誤認(rèn)為是衛(wèi)星與用戶之間的距離發(fā)生了微小變化從而引入測距誤差。新一代高性能芯片能夠提供更穩(wěn)定、更純凈的本地時鐘源和更精確的數(shù)字信號合成從而輸出相位噪聲極低的導(dǎo)航信號。這意味著地面接收機(jī)接收到的信號“更干凈”測量出的衛(wèi)星距離偽距數(shù)據(jù)更“穩(wěn)”。這是所有高精度應(yīng)用的基礎(chǔ)。結(jié)合北斗三號本身擁有的全球星座和星間鏈路能力衛(wèi)星自身定軌精度提高加上下行信號質(zhì)量提升最終傳遞到用戶端就是定位精度的實質(zhì)性改善。特別是對于精密單點定位PPP等無需地面差分基站的技術(shù)高質(zhì)量的信號源至關(guān)重要。3.2 服務(wù)可靠性與完好性的增強(qiáng)除了精度可靠性Availability和完好性Integrity對很多生命安全類應(yīng)用如民航導(dǎo)航來說甚至更重要。可靠性指服務(wù)不間斷的概率完好性指系統(tǒng)及時告知用戶定位結(jié)果不可用的能力。新一代芯片更強(qiáng)的在軌處理能力使得衛(wèi)星可以運行更復(fù)雜的星上自主健康監(jiān)測與故障診斷算法。衛(wèi)星可以實時分析自身信號的質(zhì)量、功率、頻譜特征一旦發(fā)現(xiàn)異常可以更快地向地面運控系統(tǒng)報告甚至通過星間鏈路通知其他衛(wèi)星和用戶。這縮短了故障發(fā)現(xiàn)和告警的延遲提升了系統(tǒng)的完好性水平。同時多核、高可靠的芯片設(shè)計使得衛(wèi)星具備更強(qiáng)的容錯和重構(gòu)能力。即使某個處理單元出現(xiàn)軟錯誤系統(tǒng)可以快速切換到備份單元或者通過軟件重新加載任務(wù)避免整個服務(wù)中斷。這種“打不死”的特性極大地增強(qiáng)了星座整體服務(wù)的魯棒性確保在復(fù)雜空間環(huán)境下導(dǎo)航信號服務(wù)能夠持續(xù)穩(wěn)定。3.3 賦能新信號與新服務(wù)北斗三號系統(tǒng)相比于北斗二號增加了B1C、B2a等與GPS L1C、L5等信號兼容互操作的新民用信號。這些新信號采用了更先進(jìn)的調(diào)制方式和電文結(jié)構(gòu)旨在提供更好的抗干擾性、更高的精度和更豐富的服務(wù)內(nèi)容如星基增強(qiáng)、全球短報文。這些新信號的生成與播發(fā)對星載芯片的數(shù)字處理能力提出了更高要求。可以說沒有新一代高性能芯片的支撐這些設(shè)計先進(jìn)的新信號就無法以最佳性能狀態(tài)提供給用戶。芯片升級是釋放北斗三號系統(tǒng)全部設(shè)計潛力的關(guān)鍵一步。例如更強(qiáng)大的處理能力可以支持更復(fù)雜的加密與認(rèn)證算法為特定用戶提供更高安全等級的授權(quán)服務(wù)這在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域意義重大。4. 從芯片到生態(tài)國產(chǎn)化鏈條的閉環(huán)與挑戰(zhàn)北斗衛(wèi)星全面換裝國產(chǎn)芯片其意義遠(yuǎn)超單顆衛(wèi)星或單型芯片的成功。它標(biāo)志著從衛(wèi)星設(shè)計、芯片研制、生產(chǎn)制造到在軌應(yīng)用整個鏈條實現(xiàn)了高水平的自主閉環(huán)。4.1 設(shè)計-制造-應(yīng)用協(xié)同優(yōu)化過去衛(wèi)星總體單位提出需求可能需要去尋找國外符合條件的宇航級芯片或者基于商業(yè)級芯片進(jìn)行加固設(shè)計流程長、約束多。現(xiàn)在芯片研制單位如國內(nèi)專業(yè)的航天微電子研究所可以與衛(wèi)星總體單位從項目初期就深度協(xié)同。衛(wèi)星系統(tǒng)工程師可以直接將未來任務(wù)對算力、接口、可靠性、功耗的具體指標(biāo)要求傳遞給芯片設(shè)計團(tuán)隊。這種早期協(xié)同帶來的好處是巨大的。芯片可以針對北斗導(dǎo)航任務(wù)進(jìn)行定制化優(yōu)化比如集成特定功能的硬件加速器、預(yù)留未來軟件升級的接口帶寬、優(yōu)化星間鏈路通信協(xié)議的處理效率等。這避免了使用通用芯片帶來的資源浪費或性能瓶頸實現(xiàn)了“量體裁衣”。同時芯片的制造、封裝、測試環(huán)節(jié)也可以在國內(nèi)建立起的宇航級生產(chǎn)線中完成質(zhì)量和進(jìn)度完全自主可控。4.2 降本增效與迭代加速航天級器件向來以高昂成本著稱。實現(xiàn)國產(chǎn)化批量生產(chǎn)后雖然前期研發(fā)投入巨大但長期看規(guī)模化效應(yīng)將顯著降低單顆芯片乃至整顆衛(wèi)星的成本。這為北斗系統(tǒng)后續(xù)的補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射、技術(shù)驗證星發(fā)射乃至下一代系統(tǒng)預(yù)研都提供了更充裕的預(yù)算空間和更靈活的技術(shù)選擇。更重要的是迭代速度得以加快。當(dāng)整個產(chǎn)業(yè)鏈自主可控后從發(fā)現(xiàn)問題到改進(jìn)設(shè)計、流片驗證、上車星測試的周期可以大幅縮短。我們可以更快地根據(jù)在軌運行數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化芯片設(shè)計將改進(jìn)版本應(yīng)用于后續(xù)批次的衛(wèi)星。這種快速迭代的能力是現(xiàn)代航天競爭中的核心優(yōu)勢之一。4.3 面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)當(dāng)然成就之下挑戰(zhàn)依然存在且需要持續(xù)投入。首先是長期在軌驗證。任何芯片在地面經(jīng)過再嚴(yán)格的測試也無法完全模擬長達(dá)十多年的復(fù)雜空間環(huán)境。新一代芯片的可靠性、抗輻照能力的終極考場就是太空本身。需要通過對早期換裝衛(wèi)星的長期遙測數(shù)據(jù)監(jiān)測來積累寶貴的數(shù)據(jù)驗證設(shè)計并為下一代芯片的改進(jìn)提供依據(jù)。其次是生態(tài)工具的完善。先進(jìn)的芯片需要配套的軟件開發(fā)環(huán)境編譯器、調(diào)試器、仿真測試平臺和標(biāo)準(zhǔn)軟件庫。如何讓衛(wèi)星應(yīng)用軟件工程師能高效、便捷地在新芯片平臺上進(jìn)行開發(fā)發(fā)揮其最大性能是另一個需要構(gòu)建的“軟實力”。這涉及到與國內(nèi)基礎(chǔ)軟件企業(yè)的協(xié)同。最后是面向未來的技術(shù)儲備。當(dāng)前芯片性能可能滿足了未來5-10年的需求但技術(shù)發(fā)展日新月異。人工智能在軌處理、量子導(dǎo)航技術(shù)融合、通導(dǎo)遙一體化等新趨勢對未來星載計算平臺提出了近乎無限的需求。芯片研發(fā)需要保持前瞻性探索新架構(gòu)如存算一體、類腦計算在航天領(lǐng)域的應(yīng)用可能性。5. 對下游產(chǎn)業(yè)的漣漪效應(yīng)接收機(jī)與高精度應(yīng)用衛(wèi)星芯片的升級其效應(yīng)會像漣漪一樣擴(kuò)散到整個產(chǎn)業(yè)鏈的下游最直接的就是北斗導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)業(yè)。5.1 接收機(jī)芯片與算法的跟進(jìn)地面接收機(jī)為了充分利用天上衛(wèi)星發(fā)出的高質(zhì)量信號其核心芯片射頻前端、基帶處理芯片和信號處理算法也需要同步優(yōu)化甚至革新。新一代衛(wèi)星信號相位噪聲更低、更穩(wěn)定這意味著接收機(jī)在進(jìn)行載波相位跟蹤時可以設(shè)置更窄的環(huán)路帶寬從而進(jìn)一步抑制噪聲提升載波相位測量精度——這是實現(xiàn)厘米級乃至毫米級高精度定位的關(guān)鍵。接收機(jī)芯片廠商需要研究新信號的特征優(yōu)化其捕獲、跟蹤算法以匹配衛(wèi)星端的信號改進(jìn)。同時衛(wèi)星自主健康管理和完好性信息的增強(qiáng)也促使接收機(jī)需要增加相應(yīng)的信息解碼和處理模塊為用戶提供更可靠的質(zhì)量告警。這為國內(nèi)優(yōu)秀的導(dǎo)航接收機(jī)芯片設(shè)計公司如北斗星通、華大北斗等提供了技術(shù)升級和產(chǎn)品迭代的新動力。5.2 高精度應(yīng)用場景的深化與拓展芯片升級帶來的系統(tǒng)性能整體提升最終將灌溉到各個高精度應(yīng)用場景。在智能駕駛領(lǐng)域更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)與車載IMU慣性測量單元、高精度地圖融合后能提供更連續(xù)、更可靠的車道級定位。在衛(wèi)星信號被短暫遮擋如隧道、城市峽谷時高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)也有助于提升慣性導(dǎo)航的推算精度和信號重捕獲速度。在無人機(jī)物流與巡檢中精準(zhǔn)的定位是無人機(jī)自主飛行、精準(zhǔn)投送和航線復(fù)現(xiàn)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)級精度的提升意味著無人機(jī)可以在更復(fù)雜的空域安全、高效地作業(yè)降低對地面基站的依賴。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面自動駕駛拖拉機(jī)、變量施肥播種機(jī)依賴高精度定位。系統(tǒng)可靠性的增強(qiáng)減少了因定位信號異常導(dǎo)致的作業(yè)中斷提升了農(nóng)業(yè)自動化的效率和穩(wěn)定性。在物聯(lián)網(wǎng)IoT領(lǐng)域北斗的全球短報文服務(wù)與定位功能結(jié)合為遠(yuǎn)海、深山、荒漠等無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的設(shè)備提供了核心的通信與位置感知能力。衛(wèi)星端處理能力的增強(qiáng)可以支持更高效的協(xié)議和更大的用戶容量推動“空天地海”一體化物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。5.3 催生新業(yè)態(tài)與新模式當(dāng)時空信息的獲取成本更低、精度更高、可靠性更強(qiáng)時會催生出現(xiàn)階段我們可能還無法完全想象的新業(yè)態(tài)。比如與數(shù)字孿生結(jié)合對城市基礎(chǔ)設(shè)施、大型工程進(jìn)行毫米級形變監(jiān)測從“定期檢測”變?yōu)椤皩崟r感知”與人工智能結(jié)合實現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像的實時在軌處理和目標(biāo)識別將“原始數(shù)據(jù)下傳”變?yōu)椤靶畔a(chǎn)品下傳”極大減輕地面數(shù)據(jù)中心的壓力。這次北斗衛(wèi)星的芯片換裝不僅僅是單一部件的技術(shù)進(jìn)步。它是一個強(qiáng)烈的信號表明中國北斗系統(tǒng)正在從“建設(shè)好用”的階段堅定地邁向“應(yīng)用好用”和“引領(lǐng)創(chuàng)新”的新階段。它夯實的是整個國家時空信息服務(wù)的底座而這個底座越牢固、越先進(jìn)上面所能承載的創(chuàng)新應(yīng)用生態(tài)就會越繁榮。對于我們從業(yè)者而言這意味著更多的技術(shù)挑戰(zhàn)也意味著更廣闊的市場機(jī)遇。接下來要做的就是吃透這些來自天上的“新信號”在地面創(chuàng)造出真正改變行業(yè)、服務(wù)社會的價值。