低成本GNSS接收機(jī)芯片載波相位測量技術(shù)

何曉峰，吳美平

（國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長沙410073）

0 引言

當(dāng)1994年美國全球定位系統(tǒng)GPS開始運(yùn)行時，已有智者預(yù)言 “衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用將超乎人們的想象”。隨著微電子技術(shù)特別是芯片技術(shù)的蓬勃發(fā)展，2003年開始GPS接收機(jī)芯片迎來產(chǎn)業(yè)興起的黃金期，推動了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)更為廣泛地應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、穿戴設(shè)備等消費(fèi)級領(lǐng)域。國外設(shè)計生產(chǎn)GNSS芯片的廠家發(fā)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(shù)接收機(jī)芯片主要考慮成本問題，功能上能夠?qū)崿F(xiàn)偽距定位，有些能夠支持偽距差分等功能。常規(guī)具備載波相位測量功能的接收機(jī)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(jī)芯片，具備載波相位測量功能，可以用于RTK實(shí)現(xiàn)精密相對定位和定姿；但是成本高于一般接收機(jī)芯片，為百元級，體積也較大，難以應(yīng)用于手機(jī)等終端。國產(chǎn)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(chuàng)通公司2015年設(shè)計生產(chǎn)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(chǎn)了GM4622接收機(jī)芯片。

手機(jī)和平板如果需要使用PPP和RTK功能，其接收機(jī)芯片必須能夠測量載波相位信息，而目前僅極少數(shù)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(wěn)定測量載波相位信息。2017年7月，有學(xué)者已開始嘗試針對Google Nexus 9平板電腦的接收機(jī)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(yīng)用RTK、PPP等高精度定位。

本文作者所在團(tuán)隊(duì)自從2016年開始針對ST公司的STA8090系列接收機(jī)芯片開展載波相位測量技術(shù)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(jī)進(jìn)行對比；將改進(jìn)的STA8090接收機(jī)構(gòu)建雙天線定姿系統(tǒng)，靜態(tài)測試評估了定向精度。本文研究結(jié)果表明，基于現(xiàn)有GNSS接收機(jī)芯片的改進(jìn)，可以將消費(fèi)級接收機(jī)芯片用于具備載波相位測量功能的測繪型接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)低成本的RTK和定姿定向。

1 GNSS接收機(jī)基本原理

典型的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)主要由天線、射頻前端模塊、接收通道和接收機(jī)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(zhǔn)振蕩器、下變頻器、A/D轉(zhuǎn)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(guān)器、數(shù)控晶振（NCO）等；接收機(jī)處理器主要進(jìn)行信號跟蹤環(huán)路、解調(diào)和導(dǎo)航解算處理。傳統(tǒng)硬件接收機(jī)的射頻前端模塊由射頻電路與相關(guān)元器件組成，接收通道利用專用集成電路（ASIC）來實(shí)現(xiàn)，接收機(jī)處理器一般是一個微處理器。該微處理器不僅完成諸如環(huán)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(jī)通道的信號與處理功能有關(guān)系的決策功能。GNSS接收機(jī)基本原理如圖1所示。

中頻數(shù)字信號經(jīng)捕獲處理后被傳遞給跟蹤環(huán)路。為了能持續(xù)地解算出導(dǎo)航信息，接收機(jī)根據(jù)捕獲過程中得到的Doppler頻率和偽隨機(jī)碼碼相位的粗略估計，對衛(wèi)星和接收機(jī)相對運(yùn)動造成的信號Doppler頻率和碼相位的變化進(jìn)行精確的跟蹤，實(shí)現(xiàn)在接收機(jī)本地產(chǎn)生的載波和偽隨機(jī)碼與衛(wèi)星傳送的碼字同步。信號跟蹤環(huán)路包括跟蹤碼相位的碼延遲鎖定環(huán)（Delay Locked Loop，DLL）和跟蹤載波頻率變化的相位鎖定環(huán)（Phase Locked Loop，PLL），跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)前大多數(shù)接收機(jī)芯片為了實(shí)現(xiàn)低成本，采用便宜的晶振，只閉合碼跟蹤環(huán)而難以閉合載波環(huán)，因此難以提供載波相位信息。而更換性能更為優(yōu)良的溫補(bǔ)晶振及優(yōu)化對應(yīng)的軟件算法后，可閉合載波環(huán)，能夠輸出載波相位信息。

2 接收機(jī)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(yàn)證ST公司的STA8090接收機(jī)芯片載波相位的性能，設(shè)置了3種測試方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)，采集了偽距、載波相位信息，并轉(zhuǎn)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(jī)，采集了偽距、載波相位信息，并轉(zhuǎn)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(jī)，采集了偽距、載波相位信息，并轉(zhuǎn)化為RINEX格式。

2.1 高精度天線＋2套ST接收機(jī)

測試方法示意圖如圖3所示。

兩接收機(jī)是零基線測試，載波相位雙差值（對衛(wèi)星、接收機(jī)作差）主要包含整周模糊度及接收機(jī)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?zhèn)?。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(zhì)，即誠信與信義所煥發(fā)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(nèi)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(jī)的鐘差漂移導(dǎo)致雙差載波相位值不斷漂移，統(tǒng)計結(jié)果約為4×10－4cy?cle/s ～8×10－4cycle/s（cycle： 周， 為載波頻率對應(yīng)的波長，本文對應(yīng)L1頻點(diǎn)，1cycle約為0.19m）。

載波相位三差值（對衛(wèi)星、接收機(jī)、時間作差）主要包含接收機(jī)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(jī)

測試方法示意圖如圖6所示。

兩接收機(jī)是零基線測試，載波相位雙差值（對衛(wèi)星、接收機(jī)作差）主要包含整周模糊度及接收機(jī)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(dá)到3×104cycle量級。

2）由圖7（b）可知，接收機(jī)的鐘差漂移導(dǎo)致雙差載波相位值不斷漂移，統(tǒng)計結(jié)果為4.7×

載波相位三差值（對衛(wèi)星、接收機(jī)、時間作差）主要包含接收機(jī)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(jī)

測試方法示意圖如圖9所示。

兩接收機(jī)是零基線測試，載波相位雙差值（對衛(wèi)星、接收機(jī)作差）主要包含整周模糊度及接收機(jī)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(jī)的鐘差漂移，導(dǎo)致雙差載波相位值不斷漂移，統(tǒng)計結(jié)果約為0.001cycle/s ～0.004cycle/s。

載波相位三差值（對衛(wèi)星、接收機(jī)、時間作差）主要包含接收機(jī)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(jié)果可知，ST接收機(jī)模塊由于晶振誤差較大，相對于測繪型接收機(jī)而言，載波相位三差測量值隨時間漂移稍大，數(shù)值為0.02cycle/s（測繪型接收機(jī)為 0.005cycle/s）。

3 短基線雙天線定位定向測試

3.1 靜態(tài)相對定位測試

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

統(tǒng)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(jī)芯片，集成了短基線雙天線定向原理樣機(jī)，如圖13所示。

在樓頂開闊環(huán)境，開展靜態(tài)定向?qū)嶒?yàn)，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(tǒng)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(tǒng)計得到航向角的均方差為0.097°。

4 結(jié)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(jī)相比噪聲高了約4倍。將改進(jìn)的STA8090接收機(jī)構(gòu)建雙天線定姿系統(tǒng)，開展靜態(tài)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(yōu)于0.1°。本文研究結(jié)果表明，基于現(xiàn)有GNSS接收機(jī)芯片，通過技術(shù)改良可以將消費(fèi)級接收機(jī)芯片用于具備載波相位測量功能的測繪型接收機(jī)，從而可實(shí)現(xiàn)低成本的RTK和定姿定向。結(jié)合微慣性測量單元，可實(shí)現(xiàn)低成本、高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)及定姿定向系統(tǒng)。