研究背景

面向未来社会对精准定位的需求，如自动驾驶、送货无人机、物联网等，小型化低功耗的消费级GNSS芯片具有突出优势，如对GNSS模块和天线的重量及功耗有严格限制的旋翼飞行器、基于智能手机多传感器的行人融合定位等。近些年来，人们对于利用低成本消费级GNSS芯片实现更高精度的定位开展了大量研究，主要有两大方向：一是分析利用低成本芯片的载波相位观测，二是分析利用GNSS多频观测。将低成本芯片的载波相位和多频等优势利用起来，可以大大改善目前纯依赖伪距的定位性能。

低成本多频接收机在2017年之后不断涌现，比如ZED F9P是u-blox的第一款双频产品，而博通的BCM47755是第一款支持GPS双频L1和L5的手机型低成本芯片。目前最先进的智能手机大多已经集成了支持GNSS多频信号的芯片，部分高端机型甚至能支持BDS和Galileo三频及以上，例如华为Mate 40和小米11等。相比于单频观测，多频观测在消除电离层误差和估计载波相位的整周模糊度等方面具有显著优势。

手机型双频芯片的面世和新安卓版本中对禁用间歇跟踪模式的支持为学者深入探索基于手机低成本方案（包括天线、射频前端、晶振和芯片等）实现利用载波或多频观测的高精度定位带来了可能性。但目前的研究更多局限在多频观测的单独应用上，如分析GPS L5信号在抗多径和噪声性能上具有优势，因此采用L5实现单点定位等，对多频观测的联合利用则十分有限。另外，手机GNSS相比于专业级GNSS在原始观测上存在巨大误差，甚至很多误差来源尚未明确，且有关最新支持的北斗三号多频观测的公开信息也极少。因此本文首先调研梳理了消费级芯片对多频信号的支持情况，然后选择其中最为全面支持多频和北斗三号的华为Mate40为实验手机，介绍了其多频信号的优点及具体到北斗三号多频信号在电离层估计和模糊度求解上的应用原理，最后实验给出了原始数据预处理方法，并论证了低成本芯片利用多频观测可以在电离层和模糊度估计方面取得显著改进。

实验设置和多频数据预处理

本文选用华为Mate 40作为测试手机，其GNSS集成于华为自研的海思短距通信芯片Hi1105中，天线为手机自带的PIFA天线。测试环境为开阔天空，静态数据记录，用的采集APP为GnssLogger V3.0.0.1,该软件支持芯片原始输出记录，因此可以用来分析北斗三号的信号。另外同时用华测B5测绘级接收机进行静态采集以获取真值。

通过实际测试，我们发现B2b信号的观测量非常少，因此难以分析。另外B1C和B2a信号可以获得载波相位、多普勒和载噪比观测量，然后由于无法获得安卓API中提供的ReceivedSvTimeNanos，因此无法计算它们的伪距。只有B1I具有完整的观测量，即伪距、载波相位、多普勒和载噪比。但这些原始观测仍然存在很多问题，因此本文提出如图所示的北斗三频原始观测量预处理方法。

根据安卓官网介绍，利用积分多普勒ADR和伪距率来计算载波相位和多普勒，其中存在一个比例因子k。该比例因子可以通过长时间观测B1I信号并求取平均获得，在实验中发现k在较长时间内基本为一常数，且适用于B1C和B2a观测。

多频载波相位和B1I伪距观测校正

在经过比例因子补偿后的多频载波相位观测中，仍然存在周跳，如下图a所示，本文采用多普勒观测来修复ADR中的周跳。原始的多普勒观测噪声大，但不存在周跳，而ADR的噪声小，但存在周跳，经修复后的ADR则兼具噪声小和无周跳的优点，如下图b所示。

另外，我们得到基于B1I单频观测的模糊度估计，理论上该结果应该为一常数，但是实际结果却如下图a所示，该结果展示了一个时变偏差叠加了锯齿状噪声。该未知偏差的成因不明，但通过观察多颗卫星，如下图b展示了C35和C38皆存在该偏差，因此文中通过多个卫星观测将该未知偏差消除。

北斗三频的模糊度和电离层估计结果

因为缺少最佳的伪距观测B2a，因此这里实施三频模糊度估计时用B1I伪距替换了B2a伪距，因此估计的误差会偏大。图a展示了利用单频和三频进行B1I整周模糊度估计的对比图，其结果对应表中的前两行。因为低成本芯片的载波相位存在间歇跟踪，所以相位观测在经过之前的各种修复之后仍然存在误差，因此直接利用这种尚存误差的载波观测进行模糊度估计称之为未校正的方法。未校正单频模糊度估计误差为277周，且单频估计的成功率仅有0.84%，说明其结果十分不稳定，而三频估计提高了成功率（27.6%）并降低了估计误差（240），但是效果依旧很差。随后我们通过后处理校正载波观测，并再进行校正后的单频和三频模糊度估计，结果如表中的后两行，可见此时两种方法的估计误差大幅降低，分别为17和20，而且三频估计的误差还稍大，但从成功率来看，三频的成功率已经提高到93.8%，而单频的成功率仅有3.11%，因此总的来看，校正三频具有最优结果。图b展示了三频电离层估计误差，电离层延迟真值由B5测绘接收机后处理获得，三频电离层估计采用了之前估计了整周模糊度的载波相位观测，估计误差的均值为-2.97米，标准差为0.01米。

总结

本研究系统调研了目前低成本消费级GNSS接收机对于多频信号的支持和应用情况，针对当前高端智能手机中新增的北斗三号新信号进行了预处理和分析，并利用当前可以获得的所有信息开展了基于北斗B1I、B1C和B2a三频观测的电离层和模糊度估计实验。本文的主要贡献在于：1）针对当前手机低成本GNSS方案中北斗三频观测存在的诸如载波相位周跳、伪距未知偏差等问题，提出了相应的精细化修复和校正方法；2）论证了通过应用低成本芯片的多频特性，将有助于改善电离层和模糊度估计效果，最终推动低成本高精度定位的发展。