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.
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)