摘要：室內(nèi)環(huán)境GPS定位技術(shù)的實(shí)質(zhì)是低信噪比環(huán)境下信號(hào)的處理問(wèn)題,本文對(duì)室內(nèi)環(huán)境下利用GPS定位的關(guān)鍵技術(shù):微弱GPS信號(hào)捕獲、微弱GPS信號(hào)碼跟蹤、室內(nèi)環(huán)境下位置解算以及輔助GPS定位等進(jìn)行了一些介紹,對(duì)一些主要的GPS信號(hào)捕獲算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)提出了改進(jìn)方法,并在最后給出了高靈敏度軟件接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案。
　　關(guān)鍵詞：低信噪比；GPS；室內(nèi)環(huán)境；高靈敏度
　　
　　1．引言
　　室內(nèi)環(huán)境GPS定位與導(dǎo)航技術(shù)的研究實(shí)質(zhì)上是圍繞室內(nèi)環(huán)境下微弱GPS信號(hào)捕獲、跟蹤、處理及其應(yīng)用展開(kāi)的，室內(nèi)環(huán)境GPS應(yīng)用技術(shù)與接收機(jī)的弱信號(hào)捕獲和跟蹤能力、定位速度、定位精度、信號(hào)處理等方面的技術(shù)創(chuàng)新密切相關(guān)。室內(nèi)環(huán)境GPS應(yīng)用技術(shù)的豐富內(nèi)涵與巨大的實(shí)用價(jià)值吸引了許多科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)單位的關(guān)注，室內(nèi)環(huán)境的導(dǎo)航和定位技術(shù)已經(jīng)成為GPS研究界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。因此，開(kāi)展高精度GPS室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的高精度GPS導(dǎo)航定位，擴(kuò)展GPS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。
　　2．微弱GPS信號(hào)捕獲技術(shù)
　　室內(nèi)環(huán)境弱GPS信號(hào)捕獲技術(shù)是指通過(guò)算法來(lái)提高接收機(jī)的處理增益，使其能夠捕獲一般GPS接收機(jī)所不能捕獲的弱GPS信號(hào)，是高靈敏度GPS技術(shù)的核心。有兩個(gè)因素限制積分累積時(shí)間，其一是GPS信號(hào)存在相位反轉(zhuǎn)情況，一般捕獲方法其積分累積時(shí)間不能超過(guò)20ms；其二是本地接收機(jī)時(shí)鐘頻率和收到的GPS信號(hào)頻率不匹配，并且積分時(shí)間的增加將大大增加需要搜索的多普勒頻點(diǎn)數(shù)，這也限制了積分時(shí)間。
　　2.1相關(guān)累積和非相關(guān)累計(jì)
　　GPS信號(hào)的捕獲過(guò)程就是一個(gè)在多普勒頻點(diǎn)和偽碼相位延遲上的二維搜索過(guò)程，當(dāng)累積結(jié)果大于設(shè)定的門(mén)限就表示捕獲成功，反之表明捕獲失敗。常用的改善檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量信噪比的方法有相干積分和非相干積分。由于C/A碼的周期是1ms，把每個(gè)C/A碼周期的處理結(jié)果直接進(jìn)行累加稱為非相關(guān)累計(jì)，通過(guò)這種方法其檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量信噪比可以得到提升。但是，非相關(guān)累計(jì)存在所謂的“平方損失”，使信噪比的改善效果大打折扣。相關(guān)累積的方法是對(duì)輸入的信號(hào)按C/A碼長(zhǎng)度進(jìn)行分段并對(duì)應(yīng)疊加，形成1個(gè)C/A碼周期長(zhǎng)度的疊加信號(hào)，再做相關(guān)卷積。相關(guān)累積能夠顯著提高信噪比，但是，相關(guān)累積時(shí)間不能太長(zhǎng)，原因有二：第一，由于GPS的導(dǎo)航電文每20ms可能發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)，在尚未確定比特起始位置時(shí)，相干累積時(shí)間不能超過(guò)20ms；第二，相關(guān)累積的結(jié)果乘有系數(shù)因子為：sin(π△fT)/(π△fT)，其中△f是接收信號(hào)載波與本地載波的頻率差值。在△f一定的情況下，增大T會(huì)導(dǎo)致函數(shù)值變小，相關(guān)值衰減會(huì)更嚴(yán)重。為了能檢測(cè)到相關(guān)峰，必須將相關(guān)峰的衰減限制在可容忍的范圍內(nèi)，在滿足這個(gè)前提下增大相關(guān)累積時(shí)間T，就意味著要將實(shí)際頻差△f控制在更小的范圍內(nèi)，這樣就必須縮小頻域搜索的步長(zhǎng)，在頻域搜索范圍不變的情況下，就必須增加頻域搜索次數(shù)，最終會(huì)大大延長(zhǎng)搜索時(shí)間。在相關(guān)累積時(shí)間T的選擇上，處理增益的提高與搜索時(shí)間很難兼顧。通常情況下我們可以采用相關(guān)累積結(jié)合非相關(guān)累計(jì)的方法來(lái)對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行捕獲。通過(guò)相關(guān)累積結(jié)合非相關(guān)累計(jì)的方法可以使GPS信號(hào)的信噪比得到一定的改善同時(shí)也可以在一定程度上克服相關(guān)累積和非相關(guān)累計(jì)的缺點(diǎn)。
　　2.2估計(jì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)最佳組合的圓周相關(guān)法
　　圓周相關(guān)算法很適合軟件接收機(jī)，基本過(guò)程為：對(duì)1ms輸入數(shù)據(jù)尋找C/A碼的起始點(diǎn)，采樣頻率為5MHz，輸出信號(hào)的中心頻率為1.25MHz，獲取方法必須保證在10KHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)搜索，以覆蓋多普勒頻率，因此搜索的頻率范圍為1250±10KHz，分辨率是1KHz，產(chǎn)生21個(gè)頻率分量。用Matlab對(duì)圓周相關(guān)算法進(jìn)行仿真，得到GPS信號(hào)捕獲結(jié)果如圖1和圖2所示，從圖1中我們可以判斷出，最大相關(guān)峰值出現(xiàn)在3169點(diǎn)處，該點(diǎn)為C/A碼的起始點(diǎn)。從圖2可以看出，最高的峰值出現(xiàn)在第15個(gè)頻率點(diǎn)上。從仿真圖可以看出，圓周相關(guān)算法能夠很好的完成GPS信號(hào)C/A碼的捕獲工作。但圓周相關(guān)算法對(duì)弱信號(hào)的捕獲效果不是很明顯，通常情況下可以增加數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，在圓周相關(guān)算法基礎(chǔ)上，采用相關(guān)累積和非相關(guān)累積的方法來(lái)提高信噪比。
　　
　　2.3差分相關(guān)捕獲算法
　　相干累加方法的累加時(shí)間選擇問(wèn)題和非相干累加方法的“平方損失”問(wèn)題，導(dǎo)致它們?cè)诘托旁氡葢?yīng)用中存在比較大的局限性。而差分相關(guān)捕獲算法則能較好地解決上述兩個(gè)問(wèn)題，既能明顯改善檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的信噪比，又不會(huì)顯著增長(zhǎng)捕獲時(shí)間。與相干累加相比，差分相關(guān)捕獲算法中“差分”的處理使得算法對(duì)導(dǎo)航電文的比特翻轉(zhuǎn)不敏感，差分后的“累加”使算法對(duì)相干累加時(shí)間長(zhǎng)度的要求降低，從而對(duì)頻差容忍度較高，捕獲時(shí)間不會(huì)顯著增長(zhǎng)。另外，差分相關(guān)捕獲算法中相鄰樣點(diǎn)的噪聲共軛相乘，對(duì)噪聲的放大相對(duì)較小。因此，差分相關(guān)捕獲算法對(duì)GPS弱信號(hào)有較好的捕獲效果。用Matlab對(duì)差分相關(guān)算法的捕獲率進(jìn)行了仿真，在仿真過(guò)程中設(shè)定恒虛警率為10-4。圖3為捕獲率隨載噪比變化曲線，圖4為捕獲率隨累加次數(shù)變化曲線。
　　
　　
　　從圖3中可以看到：隨著載噪比的增高，捕獲率迅速提高，并且差分相關(guān)捕獲設(shè)置門(mén)限方式在低噪比30dBHz就有90%的捕獲率，在32dBHz就有接近1的捕獲率。從圖4可以看到：捕獲率隨累加次數(shù)增加而單調(diào)上升，在累加次數(shù)在28次時(shí)，捕獲率達(dá)到99%以上，此時(shí)性能已經(jīng)比較令人滿意了。
　　3．微弱GPS信號(hào)碼跟蹤技術(shù)
　　GPS信號(hào)經(jīng)過(guò)捕獲以后，就可以獲得GPS信號(hào)粗略的載波多普勒頻移和偽碼時(shí)延這兩個(gè)重要的參數(shù)，信號(hào)跟蹤算法的主要目的就是要把這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行提純，獲得精確的載波頻率和偽碼延遲時(shí)間估計(jì)，并最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)。根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的信號(hào)特性，載波跟蹤可采用載波相位跟蹤環(huán)（PLL）或載波頻率跟蹤（FLL）。FLL的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于PLL，但是在相同信噪比條件下FLL的測(cè)量誤差要大于PLL。在室內(nèi)環(huán)境可以采用具有對(duì)相位反轉(zhuǎn)不敏感的科斯塔斯環(huán)（Costas），提高載波相位跟蹤環(huán)的精度和穩(wěn)定性。
　　4．室內(nèi)環(huán)境下位置解算技術(shù)
　　GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波多普勒頻移和偽碼時(shí)延的捕獲和跟蹤是GPS接收機(jī)的核心和關(guān)鍵，如準(zhǔn)確的捕獲和跟蹤這兩個(gè)參數(shù)，那么就可以精確的解調(diào)出GPS衛(wèi)星信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以獲得衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，利用定位解算數(shù)學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星位置的計(jì)算、偽距估計(jì)、用戶位置計(jì)算等功能。
　　5．輔助GPS定位技術(shù)
　　輔助GPS即Assisted-GPS（AGPS），其利用輔助通道進(jìn)行輔助數(shù)據(jù)的傳輸，主要包括衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星時(shí)鐘修正、其他修正（如電離層參數(shù)修正）、本地時(shí)間估計(jì)、可見(jiàn)衛(wèi)星情況、用戶初始的位置估計(jì)、多普勒頻移以及相應(yīng)的初始碼時(shí)延估計(jì)[5]等信息。其系統(tǒng)基本框圖如圖5所示：
　　
　　整個(gè)輔助系統(tǒng)由AGPS服務(wù)器、業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、基站（BS）等組成。AGPS服務(wù)器連接高性能的GPS接收機(jī)，可以提取高精度的各種GPS衛(wèi)星、軌道、修正參數(shù)，并利用精確的GPS預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)相應(yīng)的參數(shù)，通過(guò)MSC、BS的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊將各種參數(shù)發(fā)射出去。用戶端的GPS接收機(jī)通過(guò)輔助通道，能接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的輔助數(shù)據(jù)，結(jié)合自己接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)，可以縮短捕獲時(shí)間，提高定位精度，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)與室外的無(wú)縫導(dǎo)航。
　　6．高靈敏度軟件接收機(jī)整體設(shè)計(jì)方案
　　在室內(nèi)環(huán)境下，高靈敏度軟件接收機(jī)整體方案如圖6所示。信號(hào)首先經(jīng)過(guò)GPS射頻前端模擬電路，經(jīng)過(guò)RF前端，輸入信號(hào)的幅值被適度放大，頻率轉(zhuǎn)換為期望的輸出頻率；A/D轉(zhuǎn)化器將上述輸出信號(hào)數(shù)字化；通過(guò)USB控制器將數(shù)字化后的信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；接收機(jī)的數(shù)字部分由接收機(jī)的數(shù)字化通道和導(dǎo)航解算模塊組成，分別完成信號(hào)捕獲、跟蹤、星歷提取以及偽距計(jì)算、衛(wèi)星位置計(jì)算、用戶位置計(jì)算等功能。每一顆可視衛(wèi)星都有與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字化接收通道，所有的高靈敏度、高精度GPS算法都是在接收通道內(nèi)完成，包括微弱GPS信號(hào)的捕獲算法、碼邊緣同步算法以及干擾消除算法等，數(shù)字接收通道內(nèi)的信號(hào)處理算法是軟件接收機(jī)的核心。
　　7．總結(jié)
　　在室內(nèi)環(huán)境，一般的GPS接收機(jī)不能捕獲和跟蹤到導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，這大大限制了GPS的應(yīng)用領(lǐng)域。而采用高靈敏度GPS技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的高精度導(dǎo)航和定位。從而可以極大的擴(kuò)展GPS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)論在軍事還是民用方面都具有非常重要的應(yīng)用意義和廣闊的市場(chǎng)前景。總之，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的飛速發(fā)展，GPS室內(nèi)定位技術(shù)必將受到人們的更多關(guān)注。
　　參考文獻(xiàn):
　　[1]劉毓,田世君,席光文等.淺談高靈敏度GPS室內(nèi)定位技術(shù)[J].網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
　　[2]王曉明,殷耀國(guó),楊自明.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)展[J].全球定位系統(tǒng),2006,31(4):39-42.
　　[3]曾慶化,劉建業(yè),彭文明等.我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展分析[J].航天控制,2006,24(4):91-96.