基于多陣元的室內導航偽衛星系統設計

李雋12甘興利12史寶玲12

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司 第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

當前“衛星導航定位”或“移動基站定位”對于室內環境而言，衛星導航信號微弱，無法穿透建筑物而在室內定位中失去作用；移動基站的定位精度太低，不能滿足室內定位應用要求[1-2]。目前主要定位技術包括藍牙、WiFi、ZieBee、RFID、超寬帶、偽衛星等，但是藍牙、WiFi、ZieBee技術定位精度差，而RFID、超寬帶技術都需要特定終端，不利于普及[3-4]。偽衛星是指導航衛星信號地面模擬發射站，部署于地面上發射衛星導航相似信號，甚至某些特殊用途的偽衛星可采用自定義信號格式[5-6]。所以通過偽衛星發射導航衛星信號或相似信號，使得用戶不需要改動接收機硬件，只需進行軟件升級就可以實現室內外無縫定位功能，為手機終端室內定位的推廣提供了條件[7-9]。

為了實現偽衛星信號與GNSS信號的共融，偽衛星信號與GNSS信號在擴頻碼、電文、調制方式上需保持高度的兼容性，同時考慮到偽衛星與接收機間的遠近效應，可選用TDMA時分多址和CDMA碼分多址復用的模式播發偽衛星信號[10-11]。以上只是保證了在使用通用接收機的前提下能夠實現偽衛星信號的接收，而要想實現高精度定位，發射基站間的時間同步以及合適的定位方法必須被考慮。對此本文提出了一種基于多陣元的偽衛星系統，該系統可保證發射信號間的嚴格同步。設計了應用與該系統的信號體制,并利用載波相位單差消除偽衛星與接收機間的鐘差實現定位[12]。

1 基于多陣元的偽衛星系統

在利用載波相位進行定位時，接收機能正確測得的是載波相位中不足整數周的部分，因此在其測量過程中就會存在整周期未知數，同時衛星信號接收時，也有可能因為外界環境影響，導致信號中斷，造成載波周期測量錯誤。如何求解整周期模糊度[1]以及周跳的探測和修復成為影響定位的關鍵問題。針對以上情況，提出了一種多陣元偽衛星系統。

該偽衛星系統是一種新式偽衛星定位系統，在復雜的室內環境中，該系統具有良好的定位能力。陣列偽衛星系統的工作原理是以TDOA為基礎，在發射天線相位中心已知的情況下，通過計算陣列偽衛星各個陣列元之間的載波相位差建立與接收機坐標間的關系等式，最后應用泰勒展開，最小二乘得到接收機的位置。

該偽衛星系統屬于同源四陣元系統，由于四陣元使用共同的PLL，我們認為4個陣元輸出的信號具有共同的載波與碼特性，因此產生的鐘差也相同。四陣元的分布服從兩兩間距為播發頻率信號的半個波長，即任意兩個陣元間的載波相位差均小于等于半個波長。因此在計算的過程中，我們認為任意單元到達接收機的載波相位整周數相同，載波相位差的計算僅與小數部分的碼相位有關。

1.1 系統總體設計

偽衛星的發射機制如圖1所示。每顆偽衛星具備4個通道信號的生成能力，分別生成GPS L1頻段兩個偽衛星信號(C1、C2通道)和北斗B1頻段兩個頻點的信號(C3、C4通道)，或者只發射單一信號。當4個通道的信號通過分頻、碼與電文和載波完成調制后分別將GPS01和BD01、GPS02和BD02進行中頻放大得到對應的發射信號，經過4個天線發出，即每個天線均發射兩個頻點的信號，且天線之間的距離小于GPS L1波長的一半，即95.15 mm。

圖1 天線陣列式偽衛星系統

1.2 偽衛星信號產生單元

偽衛星信號產生單元，采用基于“DSP+FPGA”的構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺。偽衛星模塊體系結構主要由天線、射頻前端、模擬中頻、寬帶DA、通用數字信號處理器組成。

圖2 “DSP+FPGA”架構的偽衛星信號產生單元

偽衛星核心板卡主要由FPGA模塊，DSP模塊、AD模塊、電壓轉換模塊、串口模塊、晶振模塊、SDRAM模塊、SMA接頭、晶振接頭和flash模塊等組成。其中FPGA采用CycloneⅣ系列芯片,DSP采用C6747浮點型芯片,AD模塊采用AD9361，SDRAM采用2ED47D9DHT型號存儲器，flash模塊用EPCS64型號，實物如圖3所示。

圖3 偽衛星信號產生單元

2 偽衛星系統的定位算法

針對該偽衛星系統提出了一種載波向相位單差定位方法。同時值得注意的是當接收機正常跟蹤偽衛星信號時，跟蹤信號通常會有載波相位180度翻轉的問題，因此在計算載波相位差時必須充分該因素的影響。相位偵測可以根據北斗導航電文中的同步碼，當同步碼翻轉時，載波相位必須加上0.5將其翻轉過來。本文以北斗B1信號為例對算法進行介紹：

1)建立偽衛星天線陣列的載波相位觀測量方程組。

(1)

其中:λB1為L1頻點的波長；rB1,u為對應的天線到接收機的距離；δ偽衛星與接收機的鐘差NB1為B1頻點中估計的整周數；εB1,φ為相應的其他噪聲誤差。

2)對方程組(1)中公式做差處理，使公式(1)分別減去其余公式。由于發射信號間同步，且使用同一接收機，因此各公式中δ相同，做差后可得:

(2)

(3)

由此可以看出，接收機位置的解算僅與載波相位的小數部分有關，不用再去解算整周模糊度，有效地減少了定位時間。

4)對式(3)中方程左右兩邊同時乘以λB1，將其轉化為距離形式為：

(4)

式中,γB1,φ為接收機到4個天線間的距離測量值差值。

5)由于觀測量等式為非線性等式，令:

(5)

6)將公式(5)代入公式(4)得:

(6)

7)假設接收機的初始位置ru0=(x0,y0,z0)，利用牛頓迭代法加最小二乘法求解新的接收機位置，并多次迭代，得出收斂后的接收機位置。具體求解過程可參見參考文獻[5]。

3 偽衛星信號設計

傳統的GPS導航系統利用L1和L2兩個載波頻率播發導航信號[2]，其中基準頻率f0為10.23 MHz，GPSC/A碼是公開信號，利用C/A碼可以獲得標準定位服務(SPS)。C/A碼由二進制(+1、-1)符號隨機序列組成的短碼，具有隨機白噪聲特性，碼周期為1 ms，碼長為1023。數據速率為50 bps，與C/A碼周期的關系為1:20。調制過程中，首先將的數據與CA碼進行相乘(模二加)，實現信號的擴頻調制，擴頻調制可以有效提高信號的抗干擾特性。利用多個擴頻調制信號，即可實現多路衛星的表示，實現碼分多址(CDMA)的功能和偽距測量功能。最后在調制方式上，傳統衛星利用BPSK實現擴頻信號與載波的調制[8]。

3.1 頻段選擇

室內偽衛星信號采用L頻段，兼容GPS的L1頻段信號和北斗B1頻段信號如表1所示，偽衛星信號的波長均約為0.19 m，大多數情況下遠小于室內障礙物尺寸，故可得出偽衛星信號在室內以直射波形式傳播，同時一般的商用接收機只需改動軟件就可以捕獲到到偽衛星信號，提高了偽衛星定位的普及性。

表1 頻段選擇

3.2 脈沖調制

為滿足偽衛星信號與導航信號的兼容，降低偽衛星信號的遠近效應。偽衛星將使用GPS和北斗控制接口文件中所定義的調制類型，同時，也支持RTCA/DO 246B-2001定義的脈沖調制方式[9]。

脈沖調制：對于從1%～100%的每個所需脈沖占空因數都生成了一個必要脈沖方案周期的脈沖調制序列，并存儲在內存中。

該脈沖方案對擴展碼的每個碼片都進行定義，不管其是ON還是OFF，這種方式對任意可能的脈沖方案提供了最大靈活性，同時保持了所需的脈沖/碼片相干性。最小脈沖或間隙持續時間等于脈沖調制信號一個單個碼片的長度。

內存中脈沖調制序列的編碼定義如下：

圖4 脈沖調制序列編碼

第一位指示脈沖應該開還是關，15個最低有效位指示對多少碼片這是有效的。采用這種方式可對0～32767個碼片進行編碼。如果打算將更多的碼片作為一個脈沖或脈沖間隙，可以使用兩個具有相同首位的這種雙字節表示法。

使用0x0000這個特定值來重復脈沖調制周期，并指示脈沖調制序列結束。

脈沖調制序列的長度需要覆蓋約1 s的最快使用擴展碼序列，即10.23 MHz。因此，必須覆蓋10.230.000碼片的脈沖調制序列長度。

3.3 擴頻碼選擇

擴頻碼是偽衛星信號結構中的第二層內容。空間北斗/GPS衛星時刻向用戶廣播調制有C/A碼的擴頻信號，北斗/GPS系統將C/A碼+導航數據的擴頻信號以二進制移相鍵控調制方式調制到L1載波上播發給地面用戶[3]。

為了實現與現有導航接收機的信號兼容，偽衛星的擴頻碼選用與北斗/GPS系統相同的碼族，在GPS的接口控制文件中，明確規定PRN33-PRN37用于地面偽衛星信號發射器，而在北斗的接口控制文件中沒有明確規定。

3.4 偽衛星導航電文

在當前的偽衛星技術研究中，關于偽衛星電文的設計目前還沒有統一的標準格式。通常情況下偽衛星電文的設計主要從電文內容的簡效性和信息的兼容性考慮，即既要保證電文內容的充分有效，又要盡可能地與其他系統兼容，因此在設計電文的過程中，考慮到偽衛星的位置固定且主要布設在近地場所附近，結構上在設計盡可能保留GPSL1和北斗B1 MEO的形式，即兩個頻點的導航電文部分每幀導航電文(1500bit，計30 s)包含5個子幀，每子幀(300bit，計6 s)由10個字組成，每個字30bit(計0.6 s)。其中前三子幀用于相關星歷信息的定義，四五子幀用于播發歷書，其編碼格式分別按照各自的格式進行。

而針對不同的室內定位情形，陣列偽衛星系統的信號設計可選擇與GPS衛星相同的導航電文或者設計一套專用的導航電文。比如在小型區域(單個偽衛星系統即可覆蓋)，我們可以使陣列偽衛星系統發射與GPS導航信號完全一致的偽衛星信號，因為單個偽衛星系統不存在多系統信號重疊的情況，PRN33-PRN37可以用來區分單個系統中的4路信號。而在大型區域(需要多個系統才能覆蓋)，可以通過改變偽衛星的電文參數來區分系統間的導航信號。

3.4.1 小型區域電文設計

在小型區域我們發射與GPS導航信號一致的偽衛星信號，電文格式如圖5所示，具體參數設計可參見文獻[5]，此種情況下不需要對接收做任何改動即可接收偽衛星信號。我們知道在GPS定位中需要根據星歷參數來實時結算衛星的位置來實現最終的定位運算，但是在偽衛星系統中信號發射端的位置是已知的，我們不需要求解偽衛星發射端的位置，我們只需要接收端可以解析偽衛星信號，輸出觀測值，然后建立載波相位單差方程[6]，求解定位結果。所以我們只需要設置一套固定的導航衛星電文參數即可實現最終的偽衛星定位。

圖5 導航電文格式

3.4.2 大型區域電文設計

在大型區域就要涉及多系統間的聯合定位。因為在大型區域單偽衛星系統很難全部覆蓋，但是使用多系統定位時，就不可避免地發生多系統間信號覆蓋的情況，而前面已經提到在GPS的接口控制文件中，明確規定PRN33-PRN37用于地面偽衛星信號發射器，所以我們很難使用PRN來區分多個系統間的所有信號，這時就需要對電文參數做改動來標識偽衛星系統，這樣我們就可以通過偽衛星標識加PRN碼來區分偽衛星信號，本文將每一子幀的字4到字10改成偽衛星位置參數，并對接收機軟件做微小改動使接收機可以輸出觀測數據，具體電文參數設計如圖6所示。

圖6 電文參數設計

4 偽衛星信號分析

為滿足高精度的室內的偽衛星，我們需要對陣列偽衛星發射端信號質量以及接收端觀測值進行分析，首先本文從頻域、時域以及相干域對偽衛星信號質量進行了分析，其次利用通用接收機對偽衛星信號進行接收處理，并從偽衛星信號與GPS信號的兼容、偽衛星系統通道間的信號延遲一致性、單個系統間的信號載波相位單差穩定性進行了分析。

4.1 發射端信號質量分析

單載波監測與分析的目的是排除擴頻信號的影響，單純的分析某顆衛星發射的載波信號各方面的指標，導航信號時域指標主要對導航信號中偽碼信號分量的進行監測，相關域分析是導航信號質量分析的重要一環，由于各大導航系統使用擴頻信號作為發射信號，信號與本地碼之間的一些相關特性需要相關域的分析來完成。

功率譜可以直觀監測偽衛星信號的質量，監測結果如圖7所示，信號質量完好。時域波形的恢復可得到信號波形畸變的程度；眼圖通過周期內碼片的疊加，反映調制品質、信號非理想性以及信號失真，同時可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，從而估計系統優劣程度，監測結果如圖8所示，信號質量完好。相關函數是關于最大相關峰位置對稱的。但是，導航信號異常會使相關函數變形，其對稱性遭到破壞。因此，通過檢測相關函數的對稱性，可以檢測偽衛星信號的質量，檢測結果如圖9所示，信號質量完好。

圖7 信號功率譜

圖8 時域信號分析

圖9 支路信號相關峰

4.2 接收端信號兼容性分析

首先找到一個可以同時檢測到偽衛星信號與衛星信號的地方，觀測偽衛星信號與衛星信號的接收數據，然后關掉偽衛星信號只接收衛星信號并進行數據觀測。

圖10 接收機觀測值

通過對圖10中觀測數據處理會發現利用通用接收機實現導航衛星與偽衛星信號的同時接收，但是偽距、載波相位比實際值大很多，這是因為我們陣列偽衛星系統與接收機間存在鐘差導致的，進行載波相位單差處理可以消除該鐘差影響，為該系統的最終定位提供了數據基礎。

4.3 通道信號延遲一致性分析

通過有線測試對單系統間的信號載波相位差作分析，得到通道間的信號延遲一致性，將兩路信號經相同長的線纜輸入到接收機端，觀測載波相位單差數據，如果通道間信號延遲一致性良好，差值應穩定在0值，結果如圖11所示。

圖11 通道時延一致性

單系統間的信號延遲一致性良好，可以避免因通道一致性差帶來的定位誤差。

4.4 接收載波相位單差穩定性

通過接收機定點無線接收偽衛星信號，然后通過對各路信號的載波相位單差，分析其穩定性，結果如圖12所示。

分析圖12可知，由于受環境影響載波相位差值可能會有輕微波動，其穩定性也決定了使用載波相位單差方程進行定位結算的精度。

通過以上分析可以得到針對陣列偽衛星系統，選擇與GPS信號一致的偽衛星信號設計，不僅能夠滿足偽衛星信號與導航信號的兼容接收，其穩定的載波相位單差也為其高精度的室內定位提供了基礎。單系統間的信號延遲一致性良好，可以避免因通道一致性差帶來的定位誤差。最后通過對各路信號載波相位單差分析可得，其載波相位波動在0.1 rad以內，可保證較高的定位精度。

5 結束語

本文在多陣元偽衛星系統的基礎上提出了一種專用于該系統的定位方法，該方法通過利用載波相位單差可以避免整周模糊度的求解，為實現高精度定位提供了基礎。設計了可以應用于該系統的信號體制，并通過搭建實驗平臺實現了偽衛星信號的生成，并從偽衛星信號的頻域、時域、相干域對偽衛星信號質量進行分析。最后使用通用接收機 對偽衛星信號進行了接收處理，并從偽衛星信號與衛星信 號的兼容性，通道信號延遲一致性，載波相位單差穩定性 方面對信號進行了分析，分析結果表明采用固定導航電文 參數設計的偽衛星信號，可以滿足該偽衛星系統的定位要 求，對今后的實際工程應用有一定的借鑒意義。

圖12 載波相位差值