CN101029923B - 全球定位系统室内定位与导航技术的软件接收机 - Google Patents

Abstract

全球定位系统室内定位与导航技术的软件接收机，属于卫星定位和导航领域。软件接收机包括接收机模拟部分和接收机数字部分，本接收机的特征是对接收机数字部分中数字化通道内的所有算法，包括捕获算法、跟踪解调算法和位置解算算法均采用计算机程序实现。本软件接收机与传统的软件接收机相比，能够明显提高室内CPS接收机的灵敏度、精度、稳定性、可靠性和实时性。

Description

全球定位系统室内定位与导航技术的软件接收机

技术领域

本发明属于卫星定位和导航领域，它特别涉及室内环境下的高精度全球定位系统(以下用GPS表示)定位与导航。

背景技术

室内环境下GPS定位与导航技术的研究，主要是围绕室内环境下微弱GPS信号的捕获、跟踪、处理及其应用展开的。室内环境GPS应用技术的丰富内涵与巨大的实用价值已经吸引了许多国家的军事部门、科研机构及其相关单位的关注，室内环境的导航和定位技术已经成为全世界的一个研究热点。目前对室内环境下导航和定位技术的研究主要集中在高灵敏度GPS(HSGPS)技术和辅助GPS(AGPS)技术等方面。

国外对室内环境GPS定位与导航技术的研究已经有十年左右的历史，并且也取得了一些重要的研究成果。例如，加拿大卡尔加里大学的的PLAN研究小组(Positioning，Location and Navigation Group)一直在积极从事室内环境下的无线定位技术和软件接收机的研究。一些公司也已经相继推出了它的高灵敏度GPS接收机产品。但是，总的来说目前满足室内环境要求的GPS定位技术还不是很成熟，现在已有的室内GPS接收机产品在定位精度、稳定性、可靠性与实时性等方面都不够理想。

发明内容

本发明的目的是为了提高室内GPS接收机的灵敏度、精度、稳定性、可靠性和实时性。特提供具有高精度的GPS室内定位与导航技术的软件接收机。

本发明完整的GPS软件接收机整体设计方案，包括接收机模拟部分A和接收机数字部分B，整体方案如附图1所示：GPS卫星信号1首先进入天线，经过GPS射频(RF)前端模拟电路，输入信号的幅值被适度放大，频率转换为期望的输出频率；A/D转化器将上述输出信号数字化；通过USB控制器将数字化后的信号输入到计算机进行处理；接收机的数字部分B包含接收机的数字化通道和导航解算模块，分别完成信号捕获、跟踪、星历提取以及伪距计算、卫星位置计算、用户位置计算等功能。每一颗可视卫星都有与之对应的数字化接收通道，所有的高灵敏度、高精度GPS算法都是在接收机数字化接收通道内完成，包括微弱GPS信号的捕获算法、码边缘同步算法以及干扰消除算法等，数字化接收通道内的信号处理算法是软件接收机的核心。

本发明软件接收机其主要特征是接收机数字部分由计算机程序来执行，它的主要功能是完成信号的捕获、跟踪、解调和位置解算以实现室内和室外环境之间的无缝导航。其程序算法工作流程如下：

信号捕获

信号捕获的目的是发现某一卫星的信号，信号跟踪则是找出导航数据的相位转换。在室内定位中，GPS信号非常微弱，本发明在信号捕获时适当的增加了累加数据长度，在圆周相关算法基础上，采用相关累积和非相关累积的方法对GPS信号进行捕获。该算法同时估计出长积分时间内导航数据的最佳组合以及信号的最佳比特跳转边缘，消除导航数据造成的相位反转影响，实现积分时间内的同号相干积分累加。基本思想为：若总的积分时间内包括N_t段20ms导航信号，则仅仅需要考虑2^Nt-1种导航数据的组合就可以消除导航数据相位反转的影响，实现同号的相干累加。其算法原理框图如附图2所示。

令

和

分别表示接收机1ms积分累积的同相分量和正交分量结果。相干积分结合非相干积分法的捕获判决函数为：

$P_{\mathrm{long}}(n,{\widehat{\mathrm{\ω}}}_D)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\{{\left[\underset{I=\mathrm{Im}}{\overset{\mathrm{Im}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_I(n,{\widehat{\mathrm{\ω}}}_D)\right]}^2+{\left[\underset{I=\mathrm{Im}}{\overset{\mathrm{Im}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_1(n,{\widehat{\mathrm{\ω}}}_D)\right]}^2\}$

相干积分中把M段相干积分的处理结果进行累加，并利用平方操作去除了导航数据造成的相位反转影响，这样就延长了积分时间，获得了更高的处理增益。

增加积分处理时间增加了需要搜索的多普勒频点，这样大大增加了捕获时间。本发明采用多普勒频点消除算法来减少运算量，其基本原理为：设定一个合理的捕获门限，每次处理的时候，按照设定的概率去除那些低于门限的多普勒频点，这样就减少了搜索频点数，节约了处理时间。因为即使没有捕获到正确的码延迟和多普勒频点，即那个正确的码延迟和多普勒频点在结果搜索矩阵中不是最大值，但是它产生了一个比较大的值，并且这个值超过了一定的门限，而那些在门限以下的码延迟和多普勒频点就认为是不可能正确的，故将其丢弃。

在估计正确的码跳转边缘的时候，本发明采用最大似然估计算法估计出每个可能的码跳转边缘的比特能量，选择对应比特能量最大的码跳转边缘作为最优的估计值，实现积分时间内的最佳码边缘同步。原理框图如附图3所示。

在室内环境，为了消除多径干扰、各种窄带和宽带干扰、热噪声干扰，码间的互相关干扰等。本发明GPS接收机采用自适应干扰检测、自适应滤波等手段减小了干扰，利用码互相关干扰消除算法减少了Gold码之间的互相关干扰，基于最小方差无畸变响应(MVDR)的自适应滤波方法抑制了GPS信号的各种强窄带干扰等。

信号跟踪

采用具有对相位反转不敏感的科斯塔斯环(Costas)来对信号进行跟踪，提高载波相位跟踪环的精度和稳定性。在跟踪过程中，考虑了两方面原因引起的伪码相位变化，一是环路因输入高斯白噪声而引起的伪码相位的抖动，另一方面是因卫星与接收机之间的相对运动而引起的动态变化，充分协调了这两方面的影响，达到了信号的最佳估计。

解调卫星信号的导航数据

通过对GPS卫星信号载波多普勒频移及伪码时延的捕获和跟踪，精确的解调出GPS卫星信号的导航数据，获得了卫星星历数据，利用定位解算数学模型实现卫星位置的计算、用户位置的计算、伪距估计等功能。

本发明的优点：

本发明采用全新方法对低信噪比环境下弱GPS信号进行捕获、跟踪、解调和位置解算。与传统的捕获方法相比，该发明的捕获方法具有既能明显改善检测统计量的信噪比，又不会显著增长捕获时间。该发明接收机能够在室内环境下成功捕获到信号功率为-180dBW的弱GPS信号且定位精度在45米以内。该发明能够明显提高室内GPS接收机的灵敏度、精度、稳定性、可靠性和实时性。

附图说明：

附图1GPS软件接收机原理框图

其中：A-接收机模拟部分  B-接收机数字部分  1-GPS卫星信号  2-基站辅助信号

附图2GPS信号捕获算法原理框图

其中：3-C/A码的传播周期(1ms)  4-收到的C/A码  5-真正的码起始时间6-接收机复现的C/A码  t-码偏移可能时间(0，1，2，......19ms)

附图3码跳转边缘估计原理框图

其中：C-收到N_t的组数据  D-与跳转边缘相同，共N_b组数

具体实施方式：

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

假设接收机是在室内、森林、城市等复杂环境，此时GPS信号功率衰弱为20dB，到达接收机L1波段的GPS信号功率仅为-180dBW。

按照附图1中的处理流程，RF到达的GPS电磁波变化成微波电信号，并进行放大。以5MHz的抽样频率对1575.42MHz的射频载波进行带通抽样，实现频率变换。抽样后的数字信号经过USB通道进入接收机数字处理部分。

捕获在圆周相关算法基础上，采用相关累积和非相关累积的方法对功率仅为-180dBW的微弱GPS信号进行捕获。令

和分别表示接收机1ms积分累积的同相分量和正交分量结果。相干积分结合非相干积分法的捕获判决函数为：

$P_{\mathrm{long}}(n,{\widehat{\mathrm{\ω}}}_D)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\{{\left[\underset{I=\mathrm{Im}}{\overset{\mathrm{Im}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_I(n,{\widehat{\mathrm{\ω}}}_D)\right]}^2+{\left[\underset{I=\mathrm{Im}}{\overset{\mathrm{Im}+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_1(n,{\widehat{\mathrm{\ω}}}_D)\right]}^2\}$

设置门限值，如果判决值大于门限值表示捕获成功，否则表示捕获失败。捕获成功后跟踪采用科斯塔斯环(Costas)作为码跟踪环对GPS信号进行跟踪。

对GPS卫星信号载波多普勒频移和伪码时延成功捕获和跟踪后，GPS卫星信号的导航数据被解调出，卫星星历数据被获得，最后利用定位解算数学模型计算卫星位置、用户位置等。

Claims (1)

1.全球定位系统室内定位与导航技术的软件接收机，包括接收机模拟部分A和接收机数字信号处理部分B，其特征是接收机模拟部分A由天线、射频前端模拟电路和A/D转换器组成，GPS卫星信号首先进入天线，经过射频前端模拟电路，输入信号的幅度被适度放大，频率转换为期望的输出频率，信号进入A/D转换器，A/D转换器将信号进行数字化处理，通过USB接口将数字信号输入到数字信号处理部分B，所有的数字信号都将在计算机里进行处理，其信号处理过程如下：

信号捕获，在信号捕获时，适当增加累加的数据长度，在圆周相关算法基础上，采用相关累积和非相关累积的方法对GPS信号进行捕获；

信号跟踪，采用具有对相位反转不敏感的科斯塔斯环来对信号进行跟踪，提高载波相位跟踪环的精度和稳定性；

解算导航数据，通过对GPS卫星信号载波多普勒频率及伪码时延的捕获和跟踪，精确的解调出GPS卫星信号的导航数据，获得卫星星历数据，利用定位解算数学模型实现卫星位置的计算、伪距估计、用户位置估计。

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