低成本GNSS接收機芯片載波相位測量技術

何曉峰，吳美平

（國防科技大學智能科學學院，長沙410073）

0 引言

當1994年美國全球定位系統GPS開始運行時，已有智者預言 “衛星導航的應用將超乎人們的想象”。隨著微電子技術特別是芯片技術的蓬勃發展，2003年開始GPS接收機芯片迎來產業興起的黃金期，推動了衛星導航技術更為廣泛地應用于智能手機、平板電腦、穿戴設備等消費級領域。國外設計生產GNSS芯片的廠家發展迅速，主要有SiRF、Garmin、摩托羅拉、SONY、富士通、飛利浦、Nemerix、UBLOX等。絕大多數接收機芯片主要考慮成本問題，功能上能夠實現偽距定位，有些能夠支持偽距差分等功能。常規具備載波相位測量功能的接收機一般都是板卡大小級別，成本為千元級。UBLOX公司推出了M8T等系列接收機芯片，具備載波相位測量功能，可以用于RTK實現精密相對定位和定姿；但是成本高于一般接收機芯片，為百元級，體積也較大，難以應用于手機等終端。國產方面，北斗星通/和芯星通公司Nebulas II UC4C0、Ufirebird UC6226芯片，具備RTK功能，但是功耗體積較大；北京華力創通公司2015年設計生產了HwaNavChip?1芯片，支持RTK和北斗軍碼，大小為20mm×20mm；成都振芯科技公司生產了GM4622接收機芯片。

手機和平板如果需要使用PPP和RTK功能，其接收機芯片必須能夠測量載波相位信息，而目前僅極少數芯片具備該功能。即使有芯片具備載波相位測量功能，一般也不會對用戶開放，而且由于芯片硬件等原因，難以穩定測量載波相位信息。2017年7月，有學者已開始嘗試針對Google Nexus 9平板電腦的接收機芯片開展載波相位信息測量研究，但是由于時鐘誤差等問題，仍難以應用RTK、PPP等高精度定位。

本文作者所在團隊自從2016年開始針對ST公司的STA8090系列接收機芯片開展載波相位測量技術研究，基于Teseo III GNSS評估板采用雙差和三差方程測試評估載波相位測量的精度，并與測繪型接收機進行對比；將改進的STA8090接收機構建雙天線定姿系統，靜態測試評估了定向精度。本文研究結果表明，基于現有GNSS接收機芯片的改進，可以將消費級接收機芯片用于具備載波相位測量功能的測繪型接收機，可實現低成本的RTK和定姿定向。

1 GNSS接收機基本原理

典型的導航衛星接收機主要由天線、射頻前端模塊、接收通道和接收機處理器組成。射頻前端模塊主要由低噪聲放大器、頻率合成器、基準振蕩器、下變頻器、A/D轉換和自動增益控制（AGC）等組成；接收通道包括信號的捕獲、相關器、數控晶振（NCO）等；接收機處理器主要進行信號跟蹤環路、解調和導航解算處理。傳統硬件接收機的射頻前端模塊由射頻電路與相關元器件組成，接收通道利用專用集成電路（ASIC）來實現，接收機處理器一般是一個微處理器。該微處理器不僅完成諸如環路鑒相器、濾波器、鎖相指示器等基帶功能，而且也完成與控制每個接收機通道的信號與處理功能有關系的決策功能。GNSS接收機基本原理如圖1所示。

中頻數字信號經捕獲處理后被傳遞給跟蹤環路。為了能持續地解算出導航信息，接收機根據捕獲過程中得到的Doppler頻率和偽隨機碼碼相位的粗略估計，對衛星和接收機相對運動造成的信號Doppler頻率和碼相位的變化進行精確的跟蹤，實現在接收機本地產生的載波和偽隨機碼與衛星傳送的碼字同步。信號跟蹤環路包括跟蹤碼相位的碼延遲鎖定環（Delay Locked Loop，DLL）和跟蹤載波頻率變化的相位鎖定環（Phase Locked Loop，PLL），跟蹤環結構如圖2所示。

當前大多數接收機芯片為了實現低成本，采用便宜的晶振，只閉合碼跟蹤環而難以閉合載波環，因此難以提供載波相位信息。而更換性能更為優良的溫補晶振及優化對應的軟件算法后，可閉合載波環，能夠輸出載波相位信息。

2 接收機芯片載波相位測量精度評估

本文針對Teseo III GNSS評估板采用雙差和三差方程測試評估載波相位測量的精度，為測試驗證ST公司的STA8090接收機芯片載波相位的性能，設置了3種測試方式進行數據采集，分析了載波相位性能。

1）由一個高精度天線接分頻器連接至兩套ST接收機，采集了偽距、載波相位信息，并轉化為RINEX格式。

2）由一個ST自帶3.3V供電的有源天線接分頻器連接至2套ST接收機，采集了偽距、載波相位信息，并轉化為RINEX格式。

3）由一個高精度天線接分頻器連接至兩套和芯星通UB240接收機，采集了偽距、載波相位信息，并轉化為RINEX格式。

2.1 高精度天線＋2套ST接收機

測試方法示意圖如圖3所示。

兩接收機是零基線測試，載波相位雙差值（對衛星、接收機作差）主要包含整周模糊度及接收機間鐘差，如圖4所示。

分析如下：

以上三士，均是太子丹的座上客，智勇兼備。但在田光和荊軻身上，我們確乎看到了另一種更為可貴的精神品質，即誠信與信義所煥發出來的力量。田光因“恥以丈夫而不見信”而自殺；荊軻秉持“士信于知己”的原則，追求“心向意，投身不顧”的人生境界，懷抱“將海內報仇”的天下公義，行刺秦王，奏起歷史絕響。

1）由于雙差載波相位包含了整周模糊度，所以觀測值不同。

2）由圖4（b）可知，接收機的鐘差漂移導致雙差載波相位值不斷漂移，統計結果約為4×10－4cy?cle/s ～8×10－4cycle/s（cycle： 周， 為載波頻率對應的波長，本文對應L1頻點，1cycle約為0.19m）。

載波相位三差值（對衛星、接收機、時間作差）主要包含接收機間鐘差漂移的殘差，如圖5所示，三差載波相位值噪聲為0.021cycle～0.028cycle。

2.2 ST天線＋2套ST接收機

測試方法示意圖如圖6所示。

兩接收機是零基線測試，載波相位雙差值（對衛星、接收機作差）主要包含整周模糊度及接收機間鐘差，如圖7所示。

分析如下：

1）由于雙差載波相位包含了整周模糊度，所以觀測值不同，而且值很大，達到3×104cycle量級。

2）由圖7（b）可知，接收機的鐘差漂移導致雙差載波相位值不斷漂移，統計結果為4.7×

載波相位三差值（對衛星、接收機、時間作差）主要包含接收機間鐘差漂移的殘差，如圖8所示，三差載波相位值噪聲為0.0197cycle～0.023cycle。

2.3 高精度天線＋2套測繪接收機

測試方法示意圖如圖9所示。

兩接收機是零基線測試，載波相位雙差值（對衛星、接收機作差）主要包含整周模糊度及接收機間鐘差，如圖10所示。

分析如下：

1）由于雙差載波相位包含了整周模糊度，所以觀測值不同。

2）由圖10（b）可知，由于接收機的鐘差漂移，導致雙差載波相位值不斷漂移，統計結果約為0.001cycle/s ～0.004cycle/s。

載波相位三差值（對衛星、接收機、時間作差）主要包含接收機間鐘差漂移的殘差，如圖11所示，三差載波相位值噪聲約為0.005cycle。

2.4 對比分析

對比以上測試結果可知，ST接收機模塊由于晶振誤差較大，相對于測繪型接收機而言，載波相位三差測量值隨時間漂移稍大，數值為0.02cycle/s（測繪型接收機為 0.005cycle/s）。

3 短基線雙天線定位定向測試

3.1 靜態相對定位測試

采用兩個ST接收機芯片進行千米級靜態RTK測試，得到的基線長度曲線如圖12所示。

統計得到基線長度的均方差為0.008m，東北天向的均方差依次為：0.0057m、0.0083m、0.0163m。

3.2 短基線定向測試

基于ST接收機芯片，集成了短基線雙天線定向原理樣機，如圖13所示。

在樓頂開闊環境，開展靜態定向實驗，如圖14所示，基線長度為1.23m。

得到的基線長度和基線矢量如圖15所示。

統計得到基線長度的均方差為0.002m，東北天向的均方差依次為：0.0015m、0.0023m、0.005m。

得到的航向角曲線如圖16所示。

統計得到航向角的均方差為0.097°。

4 結論

本文基于Teseo III GNSS評估板采用雙差和三差方程測試評估載波相位測量的精度，與測繪型接收機相比噪聲高了約4倍。將改進的STA8090接收機構建雙天線定姿系統，開展靜態測試評估了相對定位和定向精度，在1.23m基線條件下定向精度優于0.1°。本文研究結果表明，基于現有GNSS接收機芯片，通過技術改良可以將消費級接收機芯片用于具備載波相位測量功能的測繪型接收機，從而可實現低成本的RTK和定姿定向。結合微慣性測量單元，可實現低成本、高精度組合導航系統及定姿定向系統。