GPS信號轉發技術研究與應用

張袁志 張延練

摘 要 為解決在建筑物遮擋和電磁屏蔽環境下全球衛星定位系統（GPS）定位系統無法精確定位的問題，近年來基于GPS系統的各種區域輔助和區域增強定位方法蓬勃發展起來。文章在介紹GPS信號轉發器技術的基礎上針對該技術進行研究，實現了在建筑物遮擋環境下實現GPS衛星信號轉發，同時該技術可推廣至電磁屏蔽環境下的GPS信號轉發與接收，為許多區域的GPS定位難題提供了有益參考。

關鍵詞 屏蔽遮擋環境；GPS信號；轉發接收；

中圖分類號 TN92 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）216-0089-02

GPS系統在各個領域已經得到廣泛應用，在傳統GPS定位過程中，一般條件下GPS接收機需要有較為開闊的視野，至少能同時觀測到4顆衛星[1]。但在特殊的GPS信號區域：如地下停車場、城市中心、房屋里面等，由于GPS信號受到阻隔、強度減弱和多路徑效應的影響，這種情況下GPS無法完成定位，而且可能存在較大誤差， 定位要求不能滿足。GPS信號轉發技術[2]利用現有GPS信號來提高定位能力。

1 GPS信號轉發技術

當在GPS信號在建筑物遮擋環境中， 定位操作無法進行。首先是因為建筑物遮擋導致GPS信號無法直接到達，另外建筑物的影響使得接收機不能同時接收到四顆衛星信號，還有可能衛星信號要穿越房屋和墻面而產生多路徑效應影響，這些因素都導致了在遮擋環境中GPS信號的衰減，此時信號向前傳輸一米，信號衰減就可能達到1Dbw。人們開始研究GPS信號轉發器技術來解決這些問題。技術方案是先在開闊區域接收到GPS信號后，進行信號增強，然后經過定向的信號轉發器向遮擋區域定向轉發信號，從而實現在建筑遮擋等環境下的GPS定位。

2 轉發技術系統方案設計

本文設計的轉發技術系統主要由4部分組成：GPS接收天線（GPS雙頻天線），分路放大器、GPS發射天線（GPS單頻）和GPS信號接收機（手持式GPS導航儀）。分路放大器采用多級濾波、多級放大和多處電平調節控制等電路設計，實現了整個系統的低功耗設計。

分路放大器接收衛星導航天線（GPS天線）輸出的GPS信號同時采用信號放大電路進行信號增強。功率補償通路在系統工作時為各個部件分配功率，保證系統各個模塊之間的功率平衡；分路放大器對信號進行分路、放大和濾波，并將信號通過無源GPS發射天線轉發出去。為有源GPS發射天線提供電源和分路器的增益補償的是增益補償支路。由于分路轉發器功率補償通路的功放模塊增益過大已產生自激振蕩，而采用有源GPS發射天線，方案使用有源GPS發射天線組合分路轉發器功率補償兩極放大的射頻方式。

3 GPS信號轉發技術研究與應用

3.1 有源射頻端口功率提取技術

該系統方案為適應復雜環境，比普通GPS信號轉發器相比具有高抗干擾性能。該系統設計的難點和重點是整個鏈路功耗方案。信號鏈路需要具有50-60dB的增益，系統才能達到GPS信號無線轉發的目的。系統采用低功耗電路設計，其供電電流限制最大只要5V/100mA，如果采用通常的放大設計鏈路，功耗一定會超過系統所能承受的最大功耗，必將導致系統射頻部分性能的不穩定甚至可能造成燒毀。

實驗室測試GPS接收天線的功耗是5V/50mA，增益在33dB左右。方案中的二分路放大器采用低功耗電路設計，專為為GPS信號轉發系統使用，測試功耗小于5V/45mA，增益在30-45Db具備調節功能；采用無源發射天線作為GPS發射天線，該天線零功耗設計。低功耗設計的主要體現在GPS發射天線部分二和分路放大器。該設計方案，不但降低了整個系統鏈路的實際功耗，同時還可避免電源紋波等帶來的一系列問題。

在功率提取方面，轉發系統獨創了有源射頻端口功率提取技術。系統創新低功耗設計和有源射頻端口功率提取技術，利用系統提供5VDC電源作為整個GPS轉發系統信號放大和天線輻射的能量源，無需獨立供電（供電≤DC5V/45mA），系統電氣結構得到了簡化。有源器件二分路器無需獨立供電，工作采用系統專用接口供電。GPS信號覆蓋的功率經測試滿足天線發射增益滿足。功耗控制原理如圖1所示。

3.2 前置匹配技術

GPS衛星發射的信號是右旋極化的[3]，GPS天線的極化是右旋圓極化，評判天線圓極化標準高低的指標是軸比，如果軸比越小，那么靈敏度越高，天線的軸比一般要求小于3dB。微帶天線的圓極化帶寬通常小于1%，通常的微帶天線的頻帶很窄，因為GPS天線圓極化帶寬稍高，因此它可以用著GPS天線（1%=16MHz），但是因為GPS/BD/GLONASS天線的頻帶寬度要大于40MHz（即2.5%），因此就不能作GPS/BD/GLONASS天線。如果要將標準的微帶天線用作GPS/BD/GLONASS天線時，因為中心頻帶窄，軸比小，實際使用中沒有用處。而對于有效頻率處，軸比很大。目前采用的前置匹配技術可以解決這個問題，天線的帶寬（包括圓極化帶寬、方向圖帶寬、駐波比帶寬等）大于10%。

在以前GPS信號接收器只能與專門的GPS接收天線相匹配。現在GPS轉發技術采用前向匹配電路技術，再電路中設計GPS天線和衛星導航天線的軸比、接收頻帶帶寬等技術指標。采用該種設計消除了以前發射天線與接收天線特定匹配的限制，通過驗證目前能夠與目前常用的多種GPS接收天線匹配。

3.3 采用E型低損耗FBAR濾波抗干擾技術

由于GPS信號具有周期平穩特性，而噪聲和其他干擾信號不具備周期平穩特性，或者不具備與GPS信號中偽隨機碼相同的周期平穩特性[4]。根據系統要求二分路放大器的增益在30dB～45dB，這些指標需要轉發過來的的信號具有相當的強度和一定的雜波、諧波抑制能力。所以在GPS轉發系統設計中，采用了四級濾波和四級放大，每級的濾波均采用多點陷波技術和前置濾波（原理圖如圖2），保證雜波和諧波抑制能力滿足系統設計要求，才能保證GPS信號經過無線發射輸出后，滿足系統定位精度需求。

系統電路設計不僅考慮了防雷功能，還采用了高抗干擾性設計方案。方案采用前置濾波和多點陷波組合濾波技術。前置濾波設計獨有的低損耗E型FBAR濾波器，同時LNA放大器后置多點陷波采用聲表濾波器。兩種濾波器組合具有低插損、高屏蔽優點，具有極低的噪聲系數和高帶外屏蔽能力，對強干擾信號（如雷達、基站、電臺等）具有很好抑制性能。

3.4 電平增益控制技術

在實際使用過程，建筑物遮擋屏蔽的環境下容易產生GPS多路徑效應而妨礙GPS接收機的正常收星定位。系統設計對輸出的GPS信號實現電平可控制，以達到發射出去的GPS信號經過削弱，減弱多路徑效應對GPS信號轉發的影響。方案實現了減弱多徑效應，保證GPS接收機能夠正常接收GPS信號。

如果多路徑效應影響嚴重，系統可通過調節每級放大電路后面預留的電平的增益控制電路促使整個鏈路的增益滿足實際使用環境的需求。

3.5 前置濾波和多極點陷波技術

在已知頻率的強干擾信號下，例如電臺，雷達、通信基站等會對信號轉發產生較大影響，而普通的濾波器對此無能為力。系統設計采用陷波技術-陷波器，陷波器會針對某一已知的特定的頻率信號，產生一個極點，在這個極點上對已知強干擾信號頻率的信號產生最大的衰減，而對其它非強干擾信號頻率的信號的衰減是遞減的，使得陷波器的使用達到了衰減強干擾信號的目的。

系統設計獨有的E型濾波器，根本上解決了抗干擾和功率消耗之間的矛盾，對400MHz以下的干擾信號的衰減>35dB，對900MHz以下衰減>25dB，對GPS信號的插入損耗小于0.2Db。系統采用的“前置濾波技術”。在自然界中大部分強干擾信號的頻率是1 000MHz的，因此采用這種濾波器可以有效地保護設備放大器不飽和，在絕大多數環境下的滿足系統使用要求。

4 結論及應用

本文首先介紹了GPS信號轉發技術，并在此基礎上針對該技術進行擴展研究，設計實現了在建筑物遮擋環境轉發GPS信號的技術方案。設計方案采用的多項創新技術對未來GPS信號轉發系統建設具有借鑒作用。方案不僅可推廣應用在任何遮擋環境下GPS信號無法覆蓋的區域，還可推廣至電磁屏蔽環境下的GPS信號轉發接收應用。

參考文獻

[1]周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛星測量原理與應用[M].北京：測繪出版社，2004.

[2]Heinz M，Daniel M，Thomas K，et al.Indoor positioning using frequency translators[C]//ION GNSS2005， Long Beach，CA，2005：2789-2799.

[3]朱麗梅.多徑效應對GPS定位精度的影響及應對分析[J].計算機光盤軟件與應用，2013（19）：107-109.

[4]寧海濤.弱GPS信號捕獲遠近場效應研究[J].計算機應用與軟件，2014（2）：144-148.