低成本GNSS接收机芯片载波相位测量技术

何晓峰，吴美平

（国防科技大学智能科学学院，长沙410073）

0 引言

当1994年美国全球定位系统GPS开始运行时，已有智者预言 “卫星导航的应用将超乎人们的想象”。随着微电子技术特别是芯片技术的蓬勃发展，2003年开始GPS接收机芯片迎来产业兴起的黄金期，推动了卫星导航技术更为广泛地应用于智能手机、平板电脑、穿戴设备等消费级领域。国外设计生产GNSS芯片的厂家发展迅速，主要有SiRF、Garmin、摩托罗拉、SONY、富士通、飞利浦、Nemerix、UBLOX等。绝大多数接收机芯片主要考虑成本问题，功能上能够实现伪距定位，有些能够支持伪距差分等功能。常规具备载波相位测量功能的接收机一般都是板卡大小级别，成本为千元级。UBLOX公司推出了M8T等系列接收机芯片，具备载波相位测量功能，可以用于RTK实现精密相对定位和定姿；但是成本高于一般接收机芯片，为百元级，体积也较大，难以应用于手机等终端。国产方面，北斗星通/和芯星通公司Nebulas II UC4C0、Ufirebird UC6226芯片，具备RTK功能，但是功耗体积较大；北京华力创通公司2015年设计生产了HwaNavChip⁃1芯片，支持RTK和北斗军码，大小为20mm×20mm；成都振芯科技公司生产了GM4622接收机芯片。

手机和平板如果需要使用PPP和RTK功能，其接收机芯片必须能够测量载波相位信息，而目前仅极少数芯片具备该功能。即使有芯片具备载波相位测量功能，一般也不会对用户开放，而且由于芯片硬件等原因，难以稳定测量载波相位信息。2017年7月，有学者已开始尝试针对Google Nexus 9平板电脑的接收机芯片开展载波相位信息测量研究，但是由于时钟误差等问题，仍难以应用RTK、PPP等高精度定位。

本文作者所在团队自从2016年开始针对ST公司的STA8090系列接收机芯片开展载波相位测量技术研究，基于Teseo III GNSS评估板采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度，并与测绘型接收机进行对比；将改进的STA8090接收机构建双天线定姿系统，静态测试评估了定向精度。本文研究结果表明，基于现有GNSS接收机芯片的改进，可以将消费级接收机芯片用于具备载波相位测量功能的测绘型接收机，可实现低成本的RTK和定姿定向。

1 GNSS接收机基本原理

典型的导航卫星接收机主要由天线、射频前端模块、接收通道和接收机处理器组成。射频前端模块主要由低噪声放大器、频率合成器、基准振荡器、下变频器、A/D转换和自动增益控制（AGC）等组成；接收通道包括信号的捕获、相关器、数控晶振（NCO）等；接收机处理器主要进行信号跟踪环路、解调和导航解算处理。传统硬件接收机的射频前端模块由射频电路与相关元器件组成，接收通道利用专用集成电路（ASIC）来实现，接收机处理器一般是一个微处理器。该微处理器不仅完成诸如环路鉴相器、滤波器、锁相指示器等基带功能，而且也完成与控制每个接收机通道的信号与处理功能有关系的决策功能。GNSS接收机基本原理如图1所示。

中频数字信号经捕获处理后被传递给跟踪环路。为了能持续地解算出导航信息，接收机根据捕获过程中得到的Doppler频率和伪随机码码相位的粗略估计，对卫星和接收机相对运动造成的信号Doppler频率和码相位的变化进行精确的跟踪，实现在接收机本地产生的载波和伪随机码与卫星传送的码字同步。信号跟踪环路包括跟踪码相位的码延迟锁定环（Delay Locked Loop，DLL）和跟踪载波频率变化的相位锁定环（Phase Locked Loop，PLL），跟踪环结构如图2所示。

当前大多数接收机芯片为了实现低成本，采用便宜的晶振，只闭合码跟踪环而难以闭合载波环，因此难以提供载波相位信息。而更换性能更为优良的温补晶振及优化对应的软件算法后，可闭合载波环，能够输出载波相位信息。

2 接收机芯片载波相位测量精度评估

本文针对Teseo III GNSS评估板采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度，为测试验证ST公司的STA8090接收机芯片载波相位的性能，设置了3种测试方式进行数据采集，分析了载波相位性能。

1）由一个高精度天线接分频器连接至两套ST接收机，采集了伪距、载波相位信息，并转化为RINEX格式。

2）由一个ST自带3.3V供电的有源天线接分频器连接至2套ST接收机，采集了伪距、载波相位信息，并转化为RINEX格式。

3）由一个高精度天线接分频器连接至两套和芯星通UB240接收机，采集了伪距、载波相位信息，并转化为RINEX格式。

2.1 高精度天线＋2套ST接收机

测试方法示意图如图3所示。

两接收机是零基线测试，载波相位双差值（对卫星、接收机作差）主要包含整周模糊度及接收机间钟差，如图4所示。

分析如下：

以上三士，均是太子丹的座上客，智勇兼备。但在田光和荆轲身上，我们确乎看到了另一种更为可贵的精神品质，即诚信与信义所焕发出来的力量。田光因“耻以丈夫而不见信”而自杀；荆轲秉持“士信于知己”的原则，追求“心向意，投身不顾”的人生境界，怀抱“将海内报仇”的天下公义，行刺秦王，奏起历史绝响。

1）由于双差载波相位包含了整周模糊度，所以观测值不同。

2）由图4（b）可知，接收机的钟差漂移导致双差载波相位值不断漂移，统计结果约为4×10－4cy⁃cle/s ～8×10－4cycle/s（cycle： 周， 为载波频率对应的波长，本文对应L1频点，1cycle约为0.19m）。

载波相位三差值（对卫星、接收机、时间作差）主要包含接收机间钟差漂移的残差，如图5所示，三差载波相位值噪声为0.021cycle～0.028cycle。

2.2 ST天线＋2套ST接收机

测试方法示意图如图6所示。

两接收机是零基线测试，载波相位双差值（对卫星、接收机作差）主要包含整周模糊度及接收机间钟差，如图7所示。

分析如下：

1）由于双差载波相位包含了整周模糊度，所以观测值不同，而且值很大，达到3×104cycle量级。

2）由图7（b）可知，接收机的钟差漂移导致双差载波相位值不断漂移，统计结果为4.7×

载波相位三差值（对卫星、接收机、时间作差）主要包含接收机间钟差漂移的残差，如图8所示，三差载波相位值噪声为0.0197cycle～0.023cycle。

2.3 高精度天线＋2套测绘接收机

测试方法示意图如图9所示。

两接收机是零基线测试，载波相位双差值（对卫星、接收机作差）主要包含整周模糊度及接收机间钟差，如图10所示。

分析如下：

1）由于双差载波相位包含了整周模糊度，所以观测值不同。

2）由图10（b）可知，由于接收机的钟差漂移，导致双差载波相位值不断漂移，统计结果约为0.001cycle/s ～0.004cycle/s。

载波相位三差值（对卫星、接收机、时间作差）主要包含接收机间钟差漂移的残差，如图11所示，三差载波相位值噪声约为0.005cycle。

2.4 对比分析

对比以上测试结果可知，ST接收机模块由于晶振误差较大，相对于测绘型接收机而言，载波相位三差测量值随时间漂移稍大，数值为0.02cycle/s（测绘型接收机为 0.005cycle/s）。

3 短基线双天线定位定向测试

3.1 静态相对定位测试

采用两个ST接收机芯片进行千米级静态RTK测试，得到的基线长度曲线如图12所示。

统计得到基线长度的均方差为0.008m，东北天向的均方差依次为：0.0057m、0.0083m、0.0163m。

3.2 短基线定向测试

基于ST接收机芯片，集成了短基线双天线定向原理样机，如图13所示。

在楼顶开阔环境，开展静态定向实验，如图14所示，基线长度为1.23m。

得到的基线长度和基线矢量如图15所示。

统计得到基线长度的均方差为0.002m，东北天向的均方差依次为：0.0015m、0.0023m、0.005m。

得到的航向角曲线如图16所示。

统计得到航向角的均方差为0.097°。

4 结论

本文基于Teseo III GNSS评估板采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度，与测绘型接收机相比噪声高了约4倍。将改进的STA8090接收机构建双天线定姿系统，开展静态测试评估了相对定位和定向精度，在1.23m基线条件下定向精度优于0.1°。本文研究结果表明，基于现有GNSS接收机芯片，通过技术改良可以将消费级接收机芯片用于具备载波相位测量功能的测绘型接收机，从而可实现低成本的RTK和定姿定向。结合微惯性测量单元，可实现低成本、高精度组合导航系统及定姿定向系统。