CN106950539B - 基于时差法的高精度反gps跟踪模块定位识别方法 - Google Patents

基于时差法的高精度反gps跟踪模块定位识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及GPS定位技术领域，具体来说，涉及一种基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法。首先设置三个探测点位置，每点均单独接收GPS信号；建立被探测的GPS模块与此三个探测点的空间三维几何坐标模型；其次三个探测点分别分时检测到同一时刻GPS模块发射的相同的信号强度，从而计算出三个探测点接收同一强度GPS信号的时间差，并按照空间三维几何模型可计算被探测的GPS模块的空间位置。本发明的有益效果：本发明中采用时差法进行反定位GPS模块的位置，时差定位是一种由多个接收机测量GPS模块的同一个脉冲的到达时间差，通过时间差测算距离差，通过三维距离几何的关系计算出GPS模块的位置；测量距离差精确、运算简单、能快速锁定GPS模块位置。

Description

基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法
技术领域
本发明涉及GPS定位技术领域，具体来说，涉及一种基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法。
背景技术
GPS(Global Position System)模块通过各种移动无线传输信道能够实时的传输其所在位置信息，用于移动人员或者车辆定位。此定位信息如被各种非正当途径使用时，会带来各种危害；因此有必要采用一种符合法规的方式对GPS的发射信息进行探测与防范。在实现方式上，由于定位信息是经过调制后发射，且是向空间全方位辐射电磁波传输，通过无源接收的方式，可捕获其发射信号，从而实时得知GPS模块的位置。目前，大多数文献以及发明均是简单的直接探测GPS模块的发射信号包络，如图1所示，在接收GPS模块发射信号时，只是利用信号的包络能量信息，且为单向一维；只能探测其存在有无，距离探测误差大，难以精确定位GPS模块本身所在位置。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，能够高精度准确定位GPS模块所在位置，操作简单、成本低。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，标记三个探测点位置，每点均单独接收GPS信号，包含以下步骤，
1)建立被探测的GPS模块与探测点三维几何模型：
以P、Q、T点分别代表三维空间上的三个探测点位置，将P、Q、T点分别设置于三维坐标系的坐标轴上，其坐标分别表示为P(0，0，z0)、Q(x0，0，0)、T(0，y0，0)；以S点代表被探测的GPS模块，其坐标表示为S(x，y，z)；
2)计算被探测的GPS模块与探测点的时间差：
在P、Q、T三点分别放置同样的三套单路接收GPS信号电路，被探测的GPS模块发射信号后，对于同一时刻发射的信号，到达三个探测点的时间不同，通过测量三个探测点相同信号的强度，计算到达P、Q、T三点的时间差ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T；
3)计算被探测的GPS模块的空间位置：
被探测的GPS模块与P、Q、T三点的距离假定为l、n、m，按照公式：距离＝时间x速度，利用ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T，得到公式(1)，并计算l、n、m的数值，其中C为电磁波在空间传播的速度，
|l-n|＝C×ΔtP-Q；|l-m|＝C×ΔtP-T；|m-n|＝C×ΔtQ-T； (1)
利用空间坐标位置关系得到公式(2)，计算x、y、z的值，获得S点坐标，
Figure GDA0001290072460000021
进一步地，所述步骤1)中，P、Q、T三点之间的距离固定，其坐标值固定，x0、y0、z0为常数。
进一步地，所述步骤2)中，所述单路接收GPS信号电路包括依次设置的滤波器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、A/D转换器。
进一步地，所述单路接收GPS信号电路包括：
1)所述滤波器中通过的载波频段为880M-915MHz以及1715M-1785MHz；
2)所述低噪声放大器接收滤波器中通过的载波信号，并对载波信号进行放大后输出给混频器的信号输入端；
3)所述混频器中产生的可调本振与输入的载波信号混频后，从混频器中输出得到带宽为30MHz的中频信号；
4)中频信号经过中频放大器进行信号放大；
5)放大后的中频信号进入A/D转换器，得到数字信号后输入分析电路进行分析。
进一步地，所述混频器中可调本振的频率由现场可编程逻辑电路(FPGA)控制压控振荡器(VCO)产生。
进一步地，所述中频放大器的信号放大倍数通过自动增益控制电路(AGC)控制，所述中频放大器的信号放大倍数至少满足模拟/数字转换电路(A/D)的要求。
进一步地，所述数字信号进入现场可编程逻辑电路(FPGA)中进行分析。
进一步地，所述步骤2)中，在P、Q、T三点检测到被探测的GPS模块发射的信号，在测量时，对三路到达信号波形上的信号强度选取同一电压阈值K，通过A/D转换电路的变化，计算三路信号到达的时间差异。
进一步地，基于同源时钟clk进行A/D采样后P、Q、T三路数字信号数据进入现场可编程逻辑电路FPGA内部块状随机存储器(BRAM)存储，三路数据在BRAM的写入端的时钟为clk，以同源时钟clk为基准，其每路数字信号的数据写入到BRAM中地址差异表示为时间差。
进一步地，从BRAM中读出处理时，读出数据的数值大小表示为窄带载波信号的幅值，对读出的三路数据的数值大小进行比较，选取同一电压阈值K，所读出数据的地址数值差异乘以clk的周期即为时间差异表示为时间差ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T。
本发明的有益效果：本发明中采用时差法进行反定位GPS模块的位置，时差定位是一种由多个接收机测量GPS模块的同一个脉冲的到达时间差，通过时间差测算距离差，通过三维距离几何的关系计算出GPS模块的位置；测量距离差精确、运算简单、能快速锁定GPS模块位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中反GPS模块识别方法示意图。
图2是根据本发明实施例所述的建立被探测的GPS模块与探测点三维几何模型图。
图3是根据本发明实施例所述的单路GPS信号接收电路的示意图。
图4是根据本发明实施例所述的同一时刻发射的信号到达PQT三点的波形图。
图5是根据本发明实施例所述的BRAM存储数据示意图。
图6是根据本发明实施例所述的单路GPS信号接收电路的方法示意图。
图7是根据本发明实施例所述的LNA实现方式电路图。
图8是根据本发明实施例所述的FPGA中的数据计算过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示，根据本发明实施例所述的一种基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，标记三个探测点位置，每点均单独接收GPS信号，包含以下步骤，
1)建立被探测的GPS模块与探测点三维几何模型：
如图2所示，以P、Q、T点分别代表三维空间上的三个探测点位置，将P、Q、T点分别设置于三维坐标系的坐标轴上，其坐标分别表示为P(0，0，z0)、Q(x0，0，0)、T(0，y0，0)；以S点代表被探测的GPS模块，其坐标表示为S(x，y，z)。
在具体操作时，选定某点为原点O，以地面为XOY平面，依次确定坐标轴X、Y、Z，并在其上依次选取三点Q、T、P作为三个探测点，其距离为已知，因此其坐标为已知，所以，x0、y0、z0为常数。
2)计算被探测的GPS模块与探测点的时间差：
在P、Q、T三点分别放置同样的三套单路接收GPS信号电路，被探测的GPS模块发射信号后，对于同一时刻发射的信号，到达三个探测点的时间不同，基于此原理，通过测量三个探测点相同信号的强度，可计算到达P、Q、T三点的时间差ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T；
所述单路接收GPS信号电路包括依次设置的滤波器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、A/D转换器。如图3所示。
GPS模块发射的移动通信信号经过耦合网络，多种载波信号进入电路；再经过匹配滤波电路，其通过的载波频段为880M-915MHz以及1715M-1785MHz，并滤除无关的信号，特别是基站下行的频率信号；经过匹配滤波电路后，所得到的窄带载波信号进行低噪声放大(LNA)；放大后的高频信号进入混频器，混频器的可调本振(LO)频率产生由现场可编程逻辑电路(FPGA)控制压控振荡器(VCO)产生，输入的载波信号与本振混频后，从混频器中输出得到带宽为30MHz左右的中频信号，该信号经过中频放大电路并通过自动增益控制电路(AGC)控制放大倍数，满足模拟/数字转换电路(A/D)的要求；经过中频放大后的信号进入A/D转换，得到数字信号，此数字信号输入给FPGA，在FPGA内部电路中进行分析。
其中，时间差计算方法的具体步骤包括：
在P,Q,T三点分别放置同样的三套单路接收GPS信号电路，当GPS模块在同一时刻的信号发射后，到达此三点的时间假定为tP，tQ，tT；测量时，如图4所示，可对三路到达信号波形上的信号强度上选取同一电压阈值K，通过高速、高精度模拟数字转换电路(A/D)的变换，用于区分三路信号到达的时间差异。
如图5所示，基于同源时钟clk进行A/D采样后的P,Q,T三路数字信号的数据进入FPGA内部块状随机存储器(BRAM)存储，三路数据在BRAM的写入端的时钟为clk，以同源时钟clk为基准，其每路数字信号的数据写入到BRAM中地址差异代表着时间差。在进行数据读出处理时，从BRAM中读出的数据的数值大小代表着窄带载波信号的幅值，对读出的三路数据的数值大小进行比较，选择合理的区间范围，即等同于选择合适电压阈值K，当三路数据的数值大小为一致时(考虑一定的偏移)，所读出的地址数值差异乘以clk的周期即为时间差异ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T。
3)计算被探测的GPS模块的空间位置：
被探测的GPS模块与P、Q、T三点的距离假定为l、n、m，按照公式：距离＝时间x速度，利用ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T，得到公式(1)，并计算l、n、m的数值，其中C为电磁波在空间传播的速度，
|l-n|＝C×ΔtP-Q；|l-m|＝C×ΔtP-T；|m-n|＝C×ΔtQ-T； (1)
利用空间坐标位置关系得到公式(2)，计算x、y、z的值，获得S点坐标，
Figure GDA0001290072460000061
结合公式(1)与(2)，求解三元二次方程组，即可计算出GPS模块与原点O之间的位置关系。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体操作方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体实施时，基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法包括以下步骤，如图6所示：
1)第一步为耦合GPS模块发射的信号至电路。
选择通频带为800M---1800MHz、增益至少为3dBi以上的定向天线，同时对GPS信号进行空间接收，连接至三个位置不一样的SMA接头，输入至的三个相同的耦合选频网络，实现选频。
2)第二步为对选频后的GPS信号进行高频低噪声放大，如图7所示。
其中信号的流向为：GPS模块发射的射频载波信号从电容CA22端耦合输入(其电容值小于10pF)，进入LNA放大器件，后从电容CA28端耦合输出，该器件实现低噪声射频放大，放大增益为33dB左右。
3)第三步设计系统频率产生电路。
采用随温度以及老化变化的频率稳定度小于1ppm的高稳定度晶振，频率为25MHz。其作为系统基准初始频率源，输入至压控振荡器电路(VCO)，VCO的控制端为W_CLK,W_DATA,W_LE,CS,采用四总线方式进行寄存器设置，从而控制其内部产生的射频输出(该射频输出采用巴比伦方式输出)，用于动态调整混频器的本振频率。产生的2路同源时钟其中1路作为本征输入信号经过时钟分配器分为三路，同时输入至三路混频器，与放大后的GPS信号进行混频，此频率信号的频率可调，频点为900MHz以及1750MHz；另一路作为A/D采样用的输入时钟，输入至A/D采样电路，其频率为1250MHz。
4)第四步设计A/D采样电路
混频后的GPS模拟信号其频率带宽为50MHz以下，其通过低通滤波器后由单端转差分输入至高速A/D采样电路。A/D采样电路对GPS模拟信号进行实时转换，得到数字信号。该A/D采样电路的输入为差分输入，提高信噪比，有利于提高A/D内部转换电路的转换精度；输出采用并行数据总线方式，便于后续FPGA处理。
该数字信号与一个基本数值10比较，剔除GPS模块未发射信号而存在噪声信号输入的情况，当且仅当大于10后写入存储区BRAM，并且写入地址自动加1，完成数据的写入。每路GPS的数据BRAM存储区分为2块，每块深度为4096，宽度为16位，并构成乒乓操作写入。
5)第五步FPGA中的数据基本处理
在FPGA中，采用地址寻址的方式同步读取BRAM的数据，并应用了“面积换速度”方式，由输入的16位数据宽度变为128的输出数据宽度，降低读取速度。读取出来的三个通道的数据按照图8的方式进行比较，找到第一个数值接近设置阈值K的点，并记录该点在三个不同BRAM中的地址，并由地址的差异换算成时间差异，再换算成距离差异。
计算过程可如图8所示。
其中，对于P通道，读取BRAM中P1点的数据接近阈值K，对于Q通道，读取BRAM中Q1点的数据接近阈值K，对于T通道，读取BRAM中T1点的数据接近阈值K。其中P1与Q1的地址差异为2个，其时间差可换算为0.8ns x 2＝1.6ns，距离差值＝C x 1.6ns，电磁波在空间传播的速度C＝3×108m/s，因此距离差为0.48m。
同理可计算出P1与T1的距离差为0.72m；同理可计算出Q1与T1的距离差为0.24m；由此三个距离数据差，按照公式(1)，计算出l,m,n的长度，按照公式(2)，则可计算出GPS模块信号发射的空间位置。
本发明的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法具有以下优势：
1)测量距离差精确，理论误差范围在0.03m以下。
误差的来源主要在于三路A/D采样的数据误差，由于采用了存储地址与时间转换的方法，当A/D采样的同源时钟clk的抖动(jitter)小于一定的数值，在ps级别即可，计算方法为：
距离误差Δ＝c×tjitter，c为3×108m/s，tjitter为100ps，则距离误差Δ为0.03m。
2)基于移动信道发射信号的GPS模块在1米以内辐射强度为毫瓦级别，经过低噪声放大(LNA)可得到33dB左右的增益，放大后信号的幅值可达100mV以上，A/D采样采用转换速度为160Mbps，精度14位的高速、高精度A/D采样电路，可以得到电压阈值K的最小分辨率为
Figure GDA0001290072460000081
约为0.2mV；在选取电压阈值K时容易区分。
3)实时性效果好，能够实现在1分钟内锁定。
本发明中采用了FPGA进行数据处理，基于并行的方式能够实现实时跟踪GPS模块信号。
4)零误报。
由于本发明采用了对特定频段进行区分，剔除了干扰频段，可以实现零误报。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，标记三个探测点位置，每点均单独接收GPS信号，包含以下步骤，
1)建立被探测的GPS模块与探测点三维几何模型：
以P、Q、T点分别代表三维空间上的三个探测点位置，将P、Q、T点分别设置于三维坐标系的坐标轴上，其坐标分别表示为P(0，0，z0)、Q(x0，0，0)、T(0，y0，0)；以S点代表被探测的GPS模块，其坐标表示为S(x，y，z)；
2)计算被探测的GPS模块与探测点的时间差：
在P、Q、T三点分别放置同样的三套单路接收GPS信号电路，被探测的GPS模块发射信号后，对于同一时刻发射的信号，到达三个探测点的时间不同，到达此三点的时间为tP，tQ，tT,通过测量三个探测点相同信号的强度，计算到达P、Q、T三点的时间差ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T；
3)计算被探测的GPS模块的空间位置：
被探测的GPS模块与P、Q、T三点的距离假定为l、n、m，按照公式：距离＝时间x速度，利用ΔtP-Q，ΔtP-T，ΔtQ-T，得到公式(1)，并计算l、n、m的数值，其中C为电磁波在空间传播的速度，
|l-n|＝C×ΔtP-Q；|l-m|＝C×ΔtP-T；|m-n|＝C×ΔtQ-T； (1)
利用空间坐标位置关系得到公式(2)，计算x、y、z的值，获得S点坐标，
Figure FDA0002357494540000011
2.根据权利要求1所述的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，所述步骤1)中，P、Q、T三点之间的距离固定，其坐标值固定，x0、y0、z0为常数。
3.根据权利要求1所述的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述单路接收GPS信号电路包括依次设置的滤波器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、A/D转换器。
4.根据权利要求3所述的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，所述单路接收GPS信号电路包括：
1)所述滤波器中通过的载波频段为880M-915MHz以及1715M-1785MHz；
2)所述低噪声放大器接收滤波器中通过的载波信号，并对载波信号进行放大后输出给混频器的信号输入端；
3)所述混频器中产生的可调本振与输入的载波信号混频后，从混频器中输出得到带宽为30MHz的中频信号；
4)中频信号经过中频放大器进行信号放大；
5)放大后的中频信号进入A/D转换器，得到数字信号后输入分析电路进行分析。
5.根据权利要求4所述的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，所述混频器中可调本振的频率由现场可编程逻辑电路(FPGA)控制压控振荡器(VCO)产生。
6.根据权利要求5所述的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，所述中频放大器的信号放大倍数通过自动增益控制电路(AGC)控制，所述中频放大器的信号放大倍数至少满足模拟/数字转换电路(A/D)的要求。
7.根据权利要求6所述的基于时差法的高精度反GPS跟踪模块定位识别方法，其特征在于，所述数字信号进入现场可编程逻辑电路(FPGA)中进行分析。
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