GPS偽衛(wèi)星高精度室內(nèi)定位技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

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(wú)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。

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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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。

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。

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。

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(lái)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(guò)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(shuō)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(guò)SPI總線寫(xiě)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(guò)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(xiě)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(guò)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。

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(lái)自不同偽衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度差異大于某個(gè)門(mén)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。

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。

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(mén)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(mén)限值，或者是強(qiáng)信號(hào)與弱信號(hào)的比值超過(guò)干擾門(mén)限值，則判定為發(fā)生了遠(yuǎn)近效應(yīng)，同時(shí)把開(kāi)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(guò)來(lái)的開(kāi)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。

FPGA接收到DSP傳過(guò)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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。

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(wèn)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(chē)場(chǎng)定位，還可以用于地基增強(qiáng)系統(tǒng)。