GPS信号转发器技术的发展和应用①

曹洪振,任 超

(桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004)

0 引 言

GPS系统已经在各个领域广为应用,在传统GPS定位过程中,一般条件下接收机需有较为开阔的视野,至少能同时观测到4颗卫星[1]。但在不良GPS信号区域:如城市核心区、房屋内部和地下停车场等,由于GPS信号受到阻隔、强度减弱和多路径效应的影响,造成接收机无法锁定信号或定位,结果存在较大偏差,难以满足定位要求。GPS信号转发器技术[2]利用现有GPS信号来提高定位能力,另外有些技术如(NOVARIANT)公司研究的地基卫星系统(Terralite XPS System)[4]除了使用GPS信号本身外,也使用了地面伪卫星的辅助信号。这些新技术的使用,使接收机在不良GPS信号区域工作时,依旧可以提供可靠的定位结果。

1 不良信号区域内的定位

1.1 GPS信号转发器技术

当在GPS信号不良区域内定位时,由于无法观测到足够数量的卫星,或者由于此时的卫星信号大部分都是穿越房屋和受到多路径效应影响,定位操作无法进行。这时信号穿越房屋本身就会造成信号衰减,当信号向房屋内传播一米,其信号衰减就可能达到1 dBW.

为了解决这些问题,人们研究了GPS信号转发器技术,其示意图如图1所示。该技术的流程是,将在建筑物屋顶接收到的GPS信号增强后,通过信号调制,并通过转发器在工业、科技、医学(ISM)波段上向建筑物内部播发。接收机一般使用PDA、手机或标准的GPS接收机作为载体。接收机的前端先将ISM波段的信号还原到L1频率,再由标准GPS接收机芯片对信号处理。房屋顶部中央安装GPS信号接收天线,通过电缆将信号传输到安置于房屋四角的信号转发器,四个转发器对信号做一定处理后继续向房屋内发送,而接收机利用已知天线位置和信号从四个转发器到接收机的时间差等观测量完成对自身位置的计算。

图1 GPS转发器布局图[2]

1.2 信号处理

1.2.1 多普勒测量

对于标准GPS接收机而言,该测量主要用来确定用户的运动速度,实际上使用频偏计算公式为

式中:Di为多普勒频移;vi为卫星速度;vu为接收机速度;ri-ru为接收机到卫星的向量;fu为接收机钟差;fi卫星钟差。

在GPS转发器系统中,多普勒测量则分成了两个部分:信号从卫星到屋顶天线时的频偏和用户接收机相对于转发器运动时产生的频偏。同时应注意到信号从原L波段调制到ISM波段后,又将复原回L波段这个过程不是完全同步的。前面提到了各转发器和接收器的振荡器频率不是绝对精确的,这也为多普勒测量增加了难度。这些改变也同样将影响到跟踪环路和卡尔曼滤波器的设计。公式(1)修改为

式中:ri-rr为屋顶天线到卫星的向量;rj-ru为移动用户到转发器发射天线的向量;fI为转发器发射频率;ΔfM混频器频率偏差,其余与(1)式相同。

1.2.2 混频器频率偏差估计

通过对GPS卫星信号的多普勒测量,可以大致确定信号频率偏移的总量,但它和钟差的关系将不再确定。由于混频器的频偏将对频偏总量产生一定影响,所以应对得到的频率偏移量先进行修正。由于导航解算可以得到频率偏移和钟差,则混频器频偏Δ fM可以通过式(3)得到,而式(2)可进一步修改为式(4)。混频器对于信号从L波段调制到ISM波段又在复原到L波段这个过程中出现的小量频差是无法做出反应的,信号会出现轻微失真。这个问题也会影响到多普勒测量的精确性,造成速度测量的失真。实验研究[2]表明:混频器频偏超过几百赫兹,伪距跟踪环路测量误差将超出控制。但跟踪环路技术会有效减少这方面的影响。

1.2.3 TDOA的测量

在室内使用GPS转发器来定位,伪距的测量是相对于每个转发器分开进行,最后的定位输出结果是屋顶天线的坐标和总的钟差btot.总的钟差中包含了接收机钟差bu和信号从屋顶天线经过转发器到接收机的传输延迟dj.当屋顶天线到各个转发器的延迟都一样时,可以利用2个dj得到到达时间差(TDOA),进而计算出接收机相对于转发器的位置。当需要平面定位时,根据双曲线的定义,仅需要将两转发器j、k所在位置当作焦点,根据TDOA量做出双曲线,再将转发器j、l所在位置当作焦点作出双曲线,求算交点即可,此时至少需要三个转发器;而当求解三维位置时,由于需要确定垂直分量,则至少需要4个转发器。同时为了接收机计算的需要,屋顶天线和转发器发射天线的坐标位置可以利用无线局域网络实时传输给接收机。在该系统中,用户接收机并非同时接收多个转发器的信号,而是以一定的时间间隔按预设的顺序分别接收转发器的信号,由于时间间隔取得较小,近似认为相临的两个接收j,k,它们的信号是被同时处理的,则TDOAjk可以近似计算出来,j,k两个转发器的信号到接收机的时间差djk为

1.2.4 多路径效应

GPS信号的多路径效应在室内定位中是一个有限量。在通视条件下,驻波的产生也可使信号产生衰减。每个转发器都在传输GPS信号。每个转发器使用的是预先设定的频率(在ISM波段内),多个频率产生了多个驻波模式,接收器将通过对C/A码的解读选择具有较低延迟的信号进行处理,最大限度的降低多路径效应对定位结果的影响。

测量中需要注意的问题是转发器之间的时间同步问题。由于GPS信号经过转发器的增强和调制,虽然接收机处理的是GPS信号,但与普通的GPS测量存在一定的不同,在模型建立等方面存在一定差异。

2 实例分析

转发器的布局方式可以是多变的;如图2、3所示,此处采用的方法是三个转发器转发同一颗卫星信号,而用户则对四个信号进行处理。此时的差分方式与GPS导航较为相似,类似于星间单差,如式(6)所示。当转发器的实际应用过程中由于转发器安放于地面在实际过程中可能出现卫星、伪卫星和接收机在一条直线上(2种情况),在如山顶、塔台等地时,当接收机位于直线末端时由于2种信号将走过相同路径,此时(lj-li)变为0;而当接收机在卫星与转发器之间时,(lj-li)将等于2,这也表明此时的观测灵敏度将是前面的2倍。

式中:lj为从伪卫星到用户的单位向量;li为从卫星到用户的单位向量;ru为接收机的位置向量;rj为转发器的位置向量;tj为转发器信号延迟;dε为与该差分相关误差。

为了更好体现转发器对提升定位精度的影响,实验中选取历元2010年12月22日13:29,实验点为:N110°18′38.280″、E25°17′9.950″。此时高度角在30°以上的凌空卫星(PRN 2、4、5、10、12、17)有6颗,选取大致均匀分布的四颗卫星,其相关位置信息如表1所示:

表1 该历元GPS卫星

表2和表3首先列出了该历元的实测精度因子(DOP)值,然后分别计算了在增设方位角为100°、245°和335°的转发器后,DOP值随转发器高度角从30°到0°变化的情况(GDOP-几何精度因子;PDOP-定位精度因子;HDOP-水平精度因子;VDOP-垂直精度因素;E-高度角):

表2 安装一个转发器(100°)后DOP随其高度角的变化

表3 安装三个转发器后DOP随其高度角的变化

从上述各表中的结果可以看出,在增设转发器后可以改善几何观测结构,减小DOP值。同时随着转发器数量的增加和高度角的减小DOP值将减小,测量精度得到显著提高。

3 结 论

转发器技术的有利方面包括:

1)它使用了ISM波段传输信号,解决了信号互相干扰的问题。

2)可以使接收器根据自己的需要,选择某个转发器的信号进行处理,提高了可操控性能。它的局限性有:

1)目前实验数据表明,接收机的最佳定位位置还是在相临转发器连线的闭合环内,该系统的有效使用范围还有待进一步的提高。

2)在处理转发器和接收机振荡器的频偏问题上,精度仍有待提高。但对GPS定位系统在城市中可用性的提高有很大帮助。

[1] 周忠谟,易杰军,周 琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,2004.

[2] Heinz M,Daniel M,Thomas K,et al.Indoor positioning using frequency translators[C]//ION GNSS 2005,Long Beach,CA,2005:2789-2799.

[3] Cobb H S.GPS pseudolites:Theory,design,and applications[D].Stanford:Stanford University,1997.

[4] Kurt R,Zimmerman H,Stewart C,et al.A new GPS augmentation solution:terralite＇XPS system for mining applications and initial experience[C]//ION GNSS 2005,Long Beach,CA.:2005:2775-2786.

[5] Kaplan E D.Understanding GPS:principles and applications[M].Boston:Artech House Publishers,1996.

[6] Gyu-In J,Jin-Hyun L,Sung-hyuck I.Positioning using time synchronized switching GPS repeater[C]//ION GNSS 2005,Long Beach,CA.,2005:2769-2774.

[7] Tao H,Gerard L,Richard K.Indoor GPS signal replication using a hardware simulator[C]//ION GNSS 2005,Long Beach,CA.,2005:2728-2742.