摘要：室內環境GPS定位技術的實質是低信噪比環境下信號的處理問題,本文對室內環境下利用GPS定位的關鍵技術:微弱GPS信號捕獲、微弱GPS信號碼跟蹤、室內環境下位置解算以及輔助GPS定位等進行了一些介紹,對一些主要的GPS信號捕獲算法進行了計算機仿真,對部分關鍵技術提出了改進方法,并在最后給出了高靈敏度軟件接收機的設計方案。
　　關鍵詞：低信噪比；GPS；室內環境；高靈敏度
　　
　　1．引言
　　室內環境GPS定位與導航技術的研究實質上是圍繞室內環境下微弱GPS信號捕獲、跟蹤、處理及其應用展開的，室內環境GPS應用技術與接收機的弱信號捕獲和跟蹤能力、定位速度、定位精度、信號處理等方面的技術創新密切相關。室內環境GPS應用技術的豐富內涵與巨大的實用價值吸引了許多科研機構及相關單位的關注，室內環境的導航和定位技術已經成為GPS研究界的一個研究熱點。因此，開展高精度GPS室內定位技術對于實現室內環境下的高精度GPS導航定位，擴展GPS技術的應用領域具有重要意義。
　　2．微弱GPS信號捕獲技術
　　室內環境弱GPS信號捕獲技術是指通過算法來提高接收機的處理增益，使其能夠捕獲一般GPS接收機所不能捕獲的弱GPS信號，是高靈敏度GPS技術的核心。有兩個因素限制積分累積時間，其一是GPS信號存在相位反轉情況，一般捕獲方法其積分累積時間不能超過20ms；其二是本地接收機時鐘頻率和收到的GPS信號頻率不匹配，并且積分時間的增加將大大增加需要搜索的多普勒頻點數，這也限制了積分時間。
　　2.1相關累積和非相關累計
　　GPS信號的捕獲過程就是一個在多普勒頻點和偽碼相位延遲上的二維搜索過程，當累積結果大于設定的門限就表示捕獲成功，反之表明捕獲失敗。常用的改善檢測統計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C/A碼周期的處理結果直接進行累加稱為非相關累計，通過這種方法其檢測統計量信噪比可以得到提升。但是，非相關累計存在所謂的“平方損失”，使信噪比的改善效果大打折扣。相關累積的方法是對輸入的信號按C/A碼長度進行分段并對應疊加，形成1個C/A碼周期長度的疊加信號，再做相關卷積。相關累積能夠顯著提高信噪比，但是，相關累積時間不能太長，原因有二：第一，由于GPS的導航電文每20ms可能發生比特翻轉，在尚未確定比特起始位置時，相干累積時間不能超過20ms；第二，相關累積的結果乘有系數因子為：sin(π△fT)/(π△fT)，其中△f是接收信號載波與本地載波的頻率差值。在△f一定的情況下，增大T會導致函數值變小，相關值衰減會更嚴重。為了能檢測到相關峰，必須將相關峰的衰減限制在可容忍的范圍內，在滿足這個前提下增大相關累積時間T，就意味著要將實際頻差△f控制在更小的范圍內，這樣就必須縮小頻域搜索的步長，在頻域搜索范圍不變的情況下，就必須增加頻域搜索次數，最終會大大延長搜索時間。在相關累積時間T的選擇上，處理增益的提高與搜索時間很難兼顧。通常情況下我們可以采用相關累積結合非相關累計的方法來對GPS信號進行捕獲。通過相關累積結合非相關累計的方法可以使GPS信號的信噪比得到一定的改善同時也可以在一定程度上克服相關累積和非相關累計的缺點。
　　2.2估計導航數據最佳組合的圓周相關法
　　圓周相關算法很適合軟件接收機，基本過程為：對1ms輸入數據尋找C/A碼的起始點，采樣頻率為5MHz，輸出信號的中心頻率為1.25MHz，獲取方法必須保證在10KHz頻率范圍內實現信號搜索，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，產生21個頻率分量。用Matlab對圓周相關算法進行仿真，得到GPS信號捕獲結果如圖1和圖2所示，從圖1中我們可以判斷出，最大相關峰值出現在3169點處，該點為C/A碼的起始點。從圖2可以看出，最高的峰值出現在第15個頻率點上。從仿真圖可以看出，圓周相關算法能夠很好的完成GPS信號C/A碼的捕獲工作。但圓周相關算法對弱信號的捕獲效果不是很明顯，通常情況下可以增加數據長度，在圓周相關算法基礎上，采用相關累積和非相關累積的方法來提高信噪比。
　　
　　2.3差分相關捕獲算法
　　相干累加方法的累加時間選擇問題和非相干累加方法的“平方損失”問題，導致它們在低信噪比應用中存在比較大的局限性。而差分相關捕獲算法則能較好地解決上述兩個問題，既能明顯改善檢測統計量的信噪比，又不會顯著增長捕獲時間。與相干累加相比，差分相關捕獲算法中“差分”的處理使得算法對導航電文的比特翻轉不敏感，差分后的“累加”使算法對相干累加時間長度的要求降低，從而對頻差容忍度較高，捕獲時間不會顯著增長。另外，差分相關捕獲算法中相鄰樣點的噪聲共軛相乘，對噪聲的放大相對較小。因此，差分相關捕獲算法對GPS弱信號有較好的捕獲效果。用Matlab對差分相關算法的捕獲率進行了仿真，在仿真過程中設定恒虛警率為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，并且差分相關捕獲設置門限方式在低噪比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：捕獲率隨累加次數增加而單調上升，在累加次數在28次時，捕獲率達到99%以上，此時性能已經比較令人滿意了。
　　3．微弱GPS信號碼跟蹤技術
　　GPS信號經過捕獲以后，就可以獲得GPS信號粗略的載波多普勒頻移和偽碼時延這兩個重要的參數，信號跟蹤算法的主要目的就是要把這兩個參數進行提純，獲得精確的載波頻率和偽碼延遲時間估計，并最終實現導航數據的解調。根據室內環境的信號特性，載波跟蹤可采用載波相位跟蹤環（PLL）或載波頻率跟蹤（FLL）。FLL的動態性能優于PLL，但是在相同信噪比條件下FLL的測量誤差要大于PLL。在室內環境可以采用具有對相位反轉不敏感的科斯塔斯環（Costas），提高載波相位跟蹤環的精度和穩定性。
　　4．室內環境下位置解算技術
　　GPS衛星信號的載波多普勒頻移和偽碼時延的捕獲和跟蹤是GPS接收機的核心和關鍵，如準確的捕獲和跟蹤這兩個參數，那么就可以精確的解調出GPS衛星信號的導航數據，進而可以獲得衛星星歷數據，利用定位解算數學模型可以實現衛星位置的計算、偽距估計、用戶位置計算等功能。
　　5．輔助GPS定位技術
　　輔助GPS即Assisted-GPS（AGPS），其利用輔助通道進行輔助數據的傳輸，主要包括衛星軌道參數、衛星時鐘修正、其他修正（如電離層參數修正）、本地時間估計、可見衛星情況、用戶初始的位置估計、多普勒頻移以及相應的初始碼時延估計[5]等信息。其系統基本框圖如圖5所示：
　　
　　整個輔助系統由AGPS服務器、業務交換中心（MSC）、基站（BS）等組成。AGPS服務器連接高性能的GPS接收機，可以提取高精度的各種GPS衛星、軌道、修正參數，并利用精確的GPS預測模型預測相應的參數，通過MSC、BS的無線網絡模塊將各種參數發射出去。用戶端的GPS接收機通過輔助通道，能接收無線網絡的輔助數據，結合自己接收到的GPS衛星信號，可以縮短捕獲時間，提高定位精度，可以實現室內與室外的無縫導航。
　　6．高靈敏度軟件接收機整體設計方案
　　在室內環境下，高靈敏度軟件接收機整體方案如圖6所示。信號首先經過GPS射頻前端模擬電路，經過RF前端，輸入信號的幅值被適度放大，頻率轉換為期望的輸出頻率；A/D轉化器將上述輸出信號數字化；通過USB控制器將數字化后的信號輸入到計算機進行處理；接收機的數字部分由接收機的數字化通道和導航解算模塊組成，分別完成信號捕獲、跟蹤、星歷提取以及偽距計算、衛星位置計算、用戶位置計算等功能。每一顆可視衛星都有與之對應的數字化接收通道，所有的高靈敏度、高精度GPS算法都是在接收通道內完成，包括微弱GPS信號的捕獲算法、碼邊緣同步算法以及干擾消除算法等，數字接收通道內的信號處理算法是軟件接收機的核心。
　　7．總結
　　在室內環境，一般的GPS接收機不能捕獲和跟蹤到導航衛星信號，這大大限制了GPS的應用領域。而采用高靈敏度GPS技術則能夠實現室內環境的高精度導航和定位。從而可以極大的擴展GPS技術的應用領域，無論在軍事還是民用方面都具有非常重要的應用意義和廣闊的市場前景。總之，隨著衛星導航系統的飛速發展，GPS室內定位技術必將受到人們的更多關注。
　　參考文獻:
　　[1]劉毓,田世君,席光文等.淺談高靈敏度GPS室內定位技術[J].網絡通信技術
　　[2]王曉明,殷耀國,楊自明.全球導航衛星系統的現代化進展[J].全球定位系統,2006,31(4):39-42.
　　[3]曾慶化,劉建業,彭文明等.我國衛星導航系統相關技術發展分析[J].航天控制,2006,24(4):91-96.