《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GPS偽衛(wèi)星高精度室內(nèi)定位技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
盧偉軍1,，2,，孫希延1,，2,，紀(jì)元法1,，2,，范 灼1,，2,，梁 濤1,，2
1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004；2.廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，廣西 桂林541004
摘要： 為了實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位,，克服GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境定位的局限性，提出了一種基于偽衛(wèi)星的高精度室內(nèi)定位方案,。該方案以FPGA+DSP作為核心處理器,，并集成了高速A/D轉(zhuǎn)換電路以及上下變頻電路。詳細(xì)介紹了偽衛(wèi)星信號(hào)時(shí)鐘同步方法和接收機(jī)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn),。通過對(duì)系統(tǒng)測(cè)試,，結(jié)果表明在室內(nèi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位精度都在3 cm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高精度室內(nèi)定位,，該方案的實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)外無縫定位具有重要的意義,。
中圖分類號(hào)： TN967.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173683
中文引用格式： 盧偉軍，孫希延,，紀(jì)元法,，等. GPS偽衛(wèi)星高精度室內(nèi)定位技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018,，44(3)：36-39.
英文引用格式： Lu Weijun,，Sun Xiyan，Ji Yuanfa,，et al. Research and implementation of high precision indoor positioning technology for GPS pseudo satellite[J]. Application of Electronic Technique,，2018，44(3)：36-39.
Research and implementation of high precision indoor positioning technology for GPS pseudo satellite
Lu Weijun1,，2,，Sun Xiyan1，2,，Ji Yuanfa1,，2，F(xiàn)an Zhuo1,，2,，Liang Tao1,2
1.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology,，Guilin 541004,，China； 2.Guangxi Key Laboratory of Precision Navigation Technology and Application,，Guilin 541004,，China
Abstract： In order to achieve high-precision indoor positioning and overcome the limitations of GPS navigation system indoor or other complex environments, a high-precision indoor positioning scheme based on pseudo satellite is proposed. FPGA+DSP are used as the core processor, and high-speed A/D conversion circuit and up and down converter circuit are integrated. The design and implementation of pseudo satellite signal clock synchronization method and near-far effect elimination are introduced in detail. Through the system test, the results show that the indoor static positioning accuracy and dynamic positioning accuracy are both within 3 cm, and the high-precision indoor positioning is realized. The implementation of this scheme is of great significance for indoor and outdoor seamless positioning.
Key words : high precision indoor positioning；pseudo satellite,；time synchronization,；near-far effect

0 引言

    全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,，GNSS)已在室外廣泛運(yùn)用，但在高樓密集,、室內(nèi)或地下場(chǎng)景等環(huán)境下由于信號(hào)被遮蔽,、衰減嚴(yán)重，接收機(jī)難以同時(shí)接收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位,，限制了其應(yīng)用范圍,。由于人們對(duì)室內(nèi)定位的需求迫切，因此室內(nèi)定位技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展,，目前主流的室內(nèi)定位有Wi-Fi,、藍(lán)牙、傳感器等技術(shù),，但是這些技術(shù)還不能同時(shí)滿足高精度室內(nèi)定位以及室外GNSS系統(tǒng)無縫定位需求,。室內(nèi)偽衛(wèi)星系統(tǒng)是為滿足上述環(huán)境中的定位需求而發(fā)展的室內(nèi)定位技術(shù)之一[1]。偽衛(wèi)星定位技術(shù)在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用具有一定的難度,，但其應(yīng)用前景是非常廣闊的,。因而設(shè)計(jì)一款偽衛(wèi)星作為基站的高精度室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

    本文設(shè)計(jì)的GPS偽衛(wèi)星高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)主要由GPS授時(shí)接收機(jī),、偽衛(wèi)星基帶信號(hào)處理部分,、高速D/A轉(zhuǎn)換、射頻上變頻電路,、發(fā)射天線,、接收天線、射頻下變頻電路,、高速A/D轉(zhuǎn)換和接收機(jī)基帶信號(hào)處理部分等模塊組成,，系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

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    如圖1所示,，GPS授時(shí)接收機(jī)輸出的秒脈沖(PPS)作為發(fā)射機(jī)與真實(shí)GPS信號(hào)同步的基準(zhǔn),，對(duì)本地恒溫晶振馴服，以獲得高穩(wěn)定度和高精度偽衛(wèi)星信號(hào),。偽衛(wèi)星基帶信號(hào)處理部分主要實(shí)現(xiàn)GPS L1頻點(diǎn)偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)生成,。高速D/A轉(zhuǎn)換電路接收FPGA生成的數(shù)字中頻并轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)4路高速D/A轉(zhuǎn)換電路,，每一路D/A對(duì)應(yīng)一顆偽衛(wèi)星中頻信號(hào),。通過上變頻模塊把數(shù)字中頻信號(hào)變頻成GPS L1頻點(diǎn)偽衛(wèi)星射頻信號(hào)。

    射頻下變頻電路把接收到的偽衛(wèi)星信號(hào)下變頻至中頻信號(hào),。高速A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻下變頻電路輸出的模擬中頻量化采樣。接收機(jī)信號(hào)處理部分完成對(duì)信號(hào)的捕獲,、跟蹤以及實(shí)現(xiàn)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)算法和定位解算,。其中DSP實(shí)現(xiàn)通道狀態(tài)檢測(cè),、可見星搜索、信號(hào)跟蹤,、遠(yuǎn)近效應(yīng)算法的判斷策略和定位解算,，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲算法、抗遠(yuǎn)近效應(yīng)算法,。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 上變頻電路設(shè)計(jì)

    上變頻電路主要是實(shí)現(xiàn)基帶模擬中頻信號(hào)變頻至GPS L1頻點(diǎn)的射頻信號(hào),。本文設(shè)計(jì)采用雙路射頻輸出的數(shù)字鎖相頻率合成器SI4133芯片，其中RF1的輸出范圍是900 MHz～1.8 GHz,，RF2的輸出范圍是750 MHz～1.5 GHz,。通過簡(jiǎn)單的編程便可得到所需要的本振信號(hào)，本文設(shè)計(jì)的中頻信號(hào)為20.42 MHz,，本振信號(hào)為1 555 MHz,，通過混頻得到設(shè)計(jì)所需的GPS L1頻點(diǎn)的信號(hào)。圖2是射頻上變頻電路,。

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2.2 射頻下變頻電路設(shè)計(jì)

    射頻前端的性能直接影響接收機(jī)基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)捕獲,、跟蹤的質(zhì)量。本系統(tǒng)選用Maxim Integrated公司的MAX2122作為射頻下變頻芯片,，它是一款包含完整的單片VCO,、I和Q下變頻混頻器和帶寬可調(diào)的低通濾波射頻導(dǎo)航芯片，工作頻率范圍是925 MHz～2 175 MHz,。本文設(shè)計(jì)的射頻下變頻電路將天線接收到的偽衛(wèi)星信號(hào)下變頻至10.42 MHz,。射頻下變頻電路原理圖如圖3所示。

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2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

    模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)對(duì)接收機(jī)抗干擾性能有著重大影響,，本文選用Analog Devices公司的AD9246作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心器件,。AD9246是一款1.8 V單電源供電的14 bit、125 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，內(nèi)置采樣保持放大器與片上基準(zhǔn)電源,。射頻前端輸出的中頻信號(hào)是10.42 MHz，本文A/D采樣頻率設(shè)置為112 MHz,，可以滿足系統(tǒng)性能要求,。圖4是A/D轉(zhuǎn)換電路。

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3 系統(tǒng)關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

    為了讓接收機(jī)獲得更準(zhǔn)確的頻率信號(hào),，發(fā)射機(jī)部分需要對(duì)本地恒溫晶振進(jìn)行馴服,。利用真實(shí)GPS時(shí)間信號(hào)長(zhǎng)穩(wěn)指標(biāo)高的優(yōu)點(diǎn)消除本地恒溫晶振長(zhǎng)期累積誤差，從而獲得高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的頻率信號(hào)[2],。

    本文設(shè)計(jì)馴服時(shí)鐘是利用GPS授時(shí)接收機(jī)輸出的PPS作為標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)對(duì)本地恒溫晶振進(jìn)行馴服,。FPGA程序設(shè)計(jì)中主要是利用時(shí)鐘計(jì)數(shù)法對(duì)本地晶振進(jìn)行頻率調(diào)整，以消除恒溫晶振因老化,、溫漂等帶來的累積誤差,。

    時(shí)鐘計(jì)數(shù)法是FPGA對(duì)時(shí)鐘的計(jì)數(shù),，首先通過對(duì)GPS秒脈沖兩個(gè)相鄰秒沿之間的時(shí)鐘個(gè)數(shù)count1和本地秒脈沖兩個(gè)相鄰秒沿之間的時(shí)鐘個(gè)數(shù)count2進(jìn)行計(jì)數(shù)、對(duì)比,，得到相應(yīng)的時(shí)鐘鐘差值,，假如鐘差大，說明恒溫晶振提供的頻率存在較大誤差,，需要調(diào)整減少誤差,。然后把時(shí)鐘鐘差值轉(zhuǎn)換給SPI總線數(shù)值，通過SPI總線寫入DAC7512,，DAC7512把接收到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓,，實(shí)時(shí)地對(duì)本地晶振頻率進(jìn)行調(diào)整，使count1=count2即完成了馴服的過程,，達(dá)到本地晶振長(zhǎng)期穩(wěn)定的效果,。馴服時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。FPGA先給DAC7512寫一個(gè)固定值,，讓恒溫晶振上電先穩(wěn)定,，在檢測(cè)到GPS秒脈沖輸入時(shí)，延遲一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生本地秒脈沖,。通過對(duì)比兩個(gè)秒脈沖之間的計(jì)數(shù)差值對(duì)晶振頻率進(jìn)行調(diào)整,。GPS秒脈沖與發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的秒脈沖結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

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3.2 接收機(jī)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)程序設(shè)計(jì)

    在室內(nèi),，由于空間狹窄,，偽衛(wèi)星布置的高度相對(duì)比較低，容易發(fā)生遠(yuǎn)近效應(yīng),。在某些位置,，當(dāng)來自不同偽衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度差異大于某個(gè)門限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng),，堵塞接收機(jī)[3],。因此本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)必須具有抗遠(yuǎn)近效應(yīng)功能。本文中抗遠(yuǎn)近效應(yīng)程序設(shè)計(jì)主要是利用互相關(guān)干擾消除算法實(shí)現(xiàn)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)[4],。其中DSP主要是負(fù)責(zé)遠(yuǎn)近效應(yīng)的判斷策略,，同時(shí)完成信號(hào)幅度、強(qiáng)信號(hào)的電文估計(jì)以及重構(gòu)干擾信號(hào),。其處理流程如圖7所示,。

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    DSP每毫秒記錄一次當(dāng)前衛(wèi)星的幅度估計(jì)值，式(1)為幅值估計(jì)公式,。

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式中,，An是信號(hào)幅度估計(jì)值，In和Qn分別是I路和Q路的相干積分結(jié)果,，fs是接收機(jī)的采樣率,，Tcoh為接收機(jī)相干積分時(shí)間,。由于C/A碼的隔離度在理想情況下僅有24 dB[5]，為了留足夠的富余量,，本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)信號(hào)干擾門限值為18 dB。當(dāng)連續(xù)10 ms檢測(cè)到有一個(gè)接收通道的幅度估計(jì)值高于幅度門限值,，或者是強(qiáng)信號(hào)與弱信號(hào)的比值超過干擾門限值,，則判定為發(fā)生了遠(yuǎn)近效應(yīng)，同時(shí)把開啟干擾抵消的控制標(biāo)志傳給FPGA,。在確定發(fā)生遠(yuǎn)近效應(yīng)后,，DSP會(huì)每間隔30 s估計(jì)一次電文，獲得相應(yīng)的電文符號(hào),。DSP在正常跟蹤的情況下,，準(zhǔn)確地獲得強(qiáng)信號(hào)的載波NCO、碼NCO以及估計(jì)的幅度值,、導(dǎo)航電文的符號(hào)等強(qiáng)信號(hào)參數(shù),。選取其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)作為參考信號(hào)，根據(jù)所獲得的信號(hào)參數(shù)對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),。

    FPGA在跟蹤正常狀態(tài)下接收到DSP傳過來的開啟干擾抵消控制信號(hào),，啟動(dòng)干擾抵消算法處理通道，如圖8所示,。

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    FPGA接收到DSP傳過來的重構(gòu)干擾信號(hào)S(t),，首先與本地載波混頻，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)的載波剝離,，然后與碼環(huán)復(fù)制的C/A碼進(jìn)行互相關(guān),，經(jīng)過積分清除后，得到強(qiáng)信號(hào)與弱信號(hào)互相關(guān)結(jié)果IWS(t),、QWS(t),，最后經(jīng)過干擾抵消便可得到弱信號(hào)自相關(guān)值。FPGA各個(gè)模塊功能如下：

    (1)載波NCO模塊,。FPGA采用DDS技術(shù)產(chǎn)生本地?cái)?shù)字載波,，在程序中將事先使用MATLAB產(chǎn)生的正余弦幅度值存到FPGA的ROM核中，通過尋址的方式得到需要的載波頻率信號(hào),。

    (2)C/A碼發(fā)生器,。碼環(huán)復(fù)制的C/A碼同時(shí)分享給弱信號(hào)相干積分通道和強(qiáng)信號(hào)干擾抵消通道。與剝離載波后的強(qiáng)信號(hào)相關(guān),，實(shí)現(xiàn)信號(hào)解擴(kuò),。

    (3)干擾抵消部分。干擾消除的主要功能是分離出弱信號(hào)相關(guān)結(jié)果中強(qiáng)干擾信號(hào)與弱信號(hào)互相關(guān)結(jié)果,，得到弱信號(hào)自相關(guān)值IWW(t),、QWW(t),。其中弱信號(hào)相關(guān)結(jié)果包含弱信號(hào)自相關(guān)結(jié)果和弱信號(hào)與干擾信號(hào)互相關(guān)結(jié)果。

4 測(cè)試結(jié)果

    本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),，發(fā)射機(jī)部分生成了GPS L1頻段的4路偽衛(wèi)星信號(hào),，同時(shí)對(duì)本地恒溫晶振馴服，獲得更準(zhǔn)確的頻率信號(hào),。接收機(jī)部分設(shè)計(jì)了抗遠(yuǎn)近效應(yīng),，使用載波相位進(jìn)行導(dǎo)航定位。在5 m×10 m的室內(nèi)環(huán)境多次測(cè)試,，4顆偽衛(wèi)星布置在4個(gè)角落,，利用所設(shè)計(jì)的接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位。靜態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖9所示,，定位誤差在3 cm以內(nèi),。二維動(dòng)態(tài)L形軌跡緩慢運(yùn)動(dòng)定位結(jié)果如圖10所示，動(dòng)態(tài)定位誤差在3 cm以內(nèi),。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位結(jié)果說明本文設(shè)計(jì)的偽衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠正常工作,。

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5 結(jié)論

    為了滿足高精度室內(nèi)定位需求，本文設(shè)計(jì)了一款GPS偽衛(wèi)星室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng),，發(fā)射機(jī)以FPGA+DSP為核心處理器,，解決了本地恒溫晶振長(zhǎng)期的累積誤差問題，使其具有長(zhǎng)期穩(wěn)定度,，接收機(jī)具有抗遠(yuǎn)近效應(yīng)能力,。對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明,，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位精度都達(dá)到厘米級(jí),。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于室內(nèi)定位、地下停車場(chǎng)定位,，還可以用于地基增強(qiáng)系統(tǒng),。

參考文獻(xiàn)

[1] 生麗.基于GPS的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2012.

[2] 陸加海,，張同雙,，陶小紅，等.基于TDC的GPS馴服恒溫晶振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),，2011,，51(12)：113-116.

[3] Wang Huihui，Zhai Chuanrun,，Zhan Xingqun,，et al.Outdoor navigation system using integrated GPS and pseudolite signals：theoretical analysis and simulation[C].2008 IEEE International Conference on Information and Automation，2008：1127-1131.

[4] 宋新剛，雷珺琳,，路衛(wèi)軍.一種C/A碼互相關(guān)干擾消除算法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,，2011，21(1)：1-4.

[5] 汪婕,，廉保旺,，張志鵬.基于干擾抵消的GPS偽衛(wèi)星抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方法研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008,，27(3)：43-45.



作者信息:

盧偉軍1,，2，孫希延1,，2，紀(jì)元法1,，2,，范  灼1，2,，梁  濤1,，2

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004,；2.廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，廣西 桂林541004）

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