A-GPS輔助定位技術(shù)研究

張　晨, 明德祥, 陳建云, 楊　俊

(國防科技大學(xué)機(jī) 電工程與自動化學(xué)院，長沙　410073)

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A-GPS輔助定位技術(shù)研究

張晨, 明德祥, 陳建云, 楊俊

(國防科技大學(xué)機(jī) 電工程與自動化學(xué)院，長沙410073)

A-GPS定位技術(shù)是結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)資源和傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位，利用蜂窩網(wǎng)基站代為傳送衛(wèi)星星歷等信息，提高接收機(jī)對衛(wèi)星信號的捕獲概率，縮短接收機(jī)首次定位時間;在研究A-GPS對接收機(jī)輔助定位技術(shù)過程中，重點分析了A-GPS對接收機(jī)信號捕獲的輔助原理，分析表明，基于A-GPS的信號捕獲時間可縮短為傳統(tǒng)接收機(jī)的1/40;利用GNSS導(dǎo)航信號模擬器和蜂窩網(wǎng)基站模擬器組建了室內(nèi)A-GPS模擬測試系統(tǒng)，通過模擬基站的信令方式將參考時間、多普勒頻移預(yù)測值以及星歷或歷書等輔助數(shù)據(jù)傳輸給用戶接收機(jī)，實現(xiàn)了輔助數(shù)據(jù)在信令通道的編碼和傳輸。

輔助導(dǎo)航；首次定位時間；蜂窩網(wǎng)；信令

0　引言

隨著導(dǎo)航技術(shù)的迅速發(fā)展，GPS應(yīng)用越發(fā)重要和多樣化，用戶不僅想在室外擁有良好的定位信號，而且也希望在處于建筑物林立的街道中、高架橋下，甚至是室內(nèi)等弱信號環(huán)境下能得到良好的GPS信號，基于此出現(xiàn)了輔助GPS(Assisted GPS)[1-3]的構(gòu)想和技術(shù)，A-GPS結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)資源和傳統(tǒng)衛(wèi)星定位，利用蜂窩網(wǎng)模擬基站代為傳送衛(wèi)星星歷等信息，縮減用戶接收機(jī)獲取衛(wèi)星信號的延遲時間。

首次定位時間(TTFF)是指接收機(jī)啟動后直至給出第一個定位結(jié)果所需的時間，影響它的主要兩個因素是對多個衛(wèi)星信號捕獲的快慢和獲取有效星歷的時間長短[4]。A-GPS輔助技術(shù)利用地面網(wǎng)絡(luò)資源，提前將輔助信息傳輸?shù)浇邮諜C(jī)上，幫助接收機(jī)實現(xiàn)快速信號捕獲和定位。本文著重分析了A-GPS輔助信息在接收機(jī)信號捕獲時多普勒頻移的預(yù)測計算，同時構(gòu)建了一套室內(nèi)A-GPS模擬測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了輔助信息在GSM網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。

1　A-GPS定位輔助原理

對于一個沒有任何先驗信息的用戶接收機(jī)，在實現(xiàn)定位之前，必須經(jīng)過信號捕獲和下載解碼星歷或歷書數(shù)據(jù)。所以，A-GPS輔助的作用主要有兩個方面，一是向接收機(jī)提供星歷或歷書數(shù)據(jù)，這樣接收機(jī)就不必解碼廣播星歷或歷書；另一方面由于輔助信息中包括了衛(wèi)星軌道和參考時間的先驗信息，因此可以計算出預(yù)期的多普勒頻移和碼延遲，再將預(yù)測到的多普勒頻移和碼延遲傳送到接收機(jī)，從而可以縮小接收機(jī)信號捕獲的搜索空間，輔助接收機(jī)縮短首次定位時間[5]。

1.1GPS接收機(jī)信號捕獲分析

在GPS接收機(jī)實現(xiàn)定位之前，必須先捕獲衛(wèi)星的信號。而在捕獲每個衛(wèi)星信號之前，首先應(yīng)該找到衛(wèi)星的準(zhǔn)確頻率和精確地碼延遲。盡管每顆GPS衛(wèi)星發(fā)射頻率相同的信號，但是考慮到接收機(jī)與衛(wèi)星的運動所引起的多普勒頻移，接收信號的頻率是不同的。如果接收機(jī)沒有這些頻率變化的先驗知識，就必須掃描所有可能的頻率。然而，即使GPS接收機(jī)具有正確的頻率，還必須給相關(guān)器找到正確的延遲碼以產(chǎn)生相關(guān)峰。這使得GPS接收機(jī)對每顆衛(wèi)星有一個二維掃描空間，即頻率/碼延遲掃描空間。

圖1　二維搜索空間圖

圖1中橫坐標(biāo)為碼相位，縱坐標(biāo)為多普勒頻槽。

典型的搜索方式有串行搜索和并行搜索[6]，串行搜索就是對載波和偽碼所有可能值進(jìn)行依次搜索的方法。并行搜索包括基于硬件的時域并行搜索和基于頻域的數(shù)字信號處理并行搜索，前者是同時采用多個獨立的碼相關(guān)器使載波串行、碼相位并行的相關(guān)搜索策略，后者是通過快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)頻率或時延的一次搜索，又分為碼并行搜索和頻率并行搜索，不同的搜索方式對應(yīng)的計算量和實現(xiàn)快慢程度也不相同。

假如接收機(jī)采用的是碼并行FFT快速捕獲策略，它的一般原理是將衛(wèi)星信號搜索過程的時域相關(guān)運算轉(zhuǎn)換到頻域的相乘運算，并同時得到每個頻槽內(nèi)所有碼相位的最大相關(guān)值，相比時域內(nèi)串行搜索策略大大降低了衛(wèi)星信號的捕獲時間。但是在沒有任何先驗信息情況下，由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻偏，此法在搜索頻槽時仍占用了一定時間。

GPS多普勒頻移主要由衛(wèi)星和接收機(jī)相對運動產(chǎn)生，衛(wèi)星與接收機(jī)處于同一水平面時，衛(wèi)星運動相對于接收機(jī)的速率最大，此時最大值vdmax為：

(1)

式中，vs是衛(wèi)星的速率，re是地球平均半徑6 368 km，rs衛(wèi)星的軌道半徑26 560 km。

則衛(wèi)星運動引起的最大多普勒頻移fdmax為

(2)

式中，fr是GPS衛(wèi)星的L1頻率(1 575.42 MHz),c是光速，vdmax是衛(wèi)星相對于接收機(jī)的最大速率。

當(dāng)接收機(jī)靜止時，隨著接收機(jī)捕獲的衛(wèi)星仰角弧度從0到π/2 的變化，當(dāng)衛(wèi)星運動越過天頂之后，衛(wèi)星仰角弧度從π/2到0變化，故而由衛(wèi)星運動引起的多普勒變化范圍為-4.9～4.9 kHz。

現(xiàn)實中，用戶接收機(jī)的位置不是一成不變的，接收機(jī)的運動也會引起多普勒頻移，假設(shè)接收機(jī)的最大運動速度為衛(wèi)星指向接收機(jī)的徑向速度，則衛(wèi)星運動和接收機(jī)運動所引起的多普勒偏移的變化范圍應(yīng)在±10 kHz。若沒有先驗信息，則捕獲過程中需完成-10～10 kHz的多普勒頻率范圍搜索。

針對多普勒頻率搜索和碼延遲搜索二維搜索方向，則整個二維范圍進(jìn)行搜索所需時間最多為：

(3)

式中，T 為時域的搜索范圍；F 為多普勒頻偏的搜索范圍；δt為碼延遲的搜索步長；δfd為頻率的搜索步長；Rs為平均搜索速率(單元數(shù)/s),其表達(dá)式為：

(4)

式中，C/N0為接收機(jī)輸入端的有效信噪比，β為漏檢概率。

因為采用碼并行FFT捕獲算法，則僅對頻率進(jìn)行一維搜索，搜索時間變?yōu)椋?/p>

(5)

假設(shè)在500 Hz的頻槽內(nèi)搜索，C/N0=40 dB·Hz即C/N0=104Hz，β=0.1，根據(jù)上式可以得到Rs=900，代入上式可得Ts≈44.4 ms。

如果將頻率搜索過程中的多普勒頻移預(yù)測到，并將該預(yù)測值發(fā)送給接收機(jī)，則可以將頻率搜索的時間的縮短，A-GPS輔助可以根據(jù)得到的信息計算出預(yù)期的多普勒頻移。

1.2A-GPS輔助信號捕獲研究

導(dǎo)航衛(wèi)星與用戶接收機(jī)之間相對運動引起的多普勒頻移與衛(wèi)星的位置、速度以及接收機(jī)的位置、速度有關(guān)。因此，當(dāng)上述的4個信息確定之后，衛(wèi)星與接收機(jī)之間所引起的多普勒頻偏就能大致確定下來，從而減少衛(wèi)星捕獲時的頻率搜索范圍，減少衛(wèi)星信號的捕獲時間。

A-GPS輔助信息中包含衛(wèi)星的星歷或歷書信息，通過這些信息可以計算衛(wèi)星當(dāng)前時刻的位置與速度[2]。

利用GPS星歷參數(shù)并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化公式便可以得到WGS-84地心地固直角坐標(biāo)系(XT,YT,ZT)中的坐標(biāo)(xk,yk,zk)。

(6)

(7)

(8)

若接收機(jī)運動速度為vu，衛(wèi)星發(fā)射信號頻率為fr，則由接收機(jī)與衛(wèi)星相對運動引起的多普勒頻移就可以確定，如公式(9)。

(9)

本文中采用2015年1月1日實測GPS L1C/A頻點得到的多普勒頻移值，預(yù)測多普勒頻移是由同時間內(nèi)實測得到的星歷信息采用上述方法預(yù)測得到。為了A-GPS輔助的真實情況，預(yù)測中接收機(jī)使用位置與實測點的位置相差1km，結(jié)果對照如表1所示，預(yù)測與實測多普勒頻移的誤差如圖2。

表1　預(yù)測與實測多普勒頻移對照表

圖2　預(yù)測多普勒頻移誤差圖

從圖2可以看到，預(yù)測出的多普勒頻移與實測得到數(shù)據(jù)相差無幾，接收機(jī)根據(jù)預(yù)測的多普勒頻移，可以將頻率搜索壓縮到一次搜索，偽碼利用FFT并行搜索，則信號的捕獲搜索時間必然小于1 ms，相比傳統(tǒng)信號捕獲策略縮短約為1/40，從而減少了接收機(jī)的首次定位時間。下文將從室內(nèi)A-GPS模擬的角度出發(fā)，研究如何將輔助信息傳送到接收機(jī)端。

2　A-GPS輔助定位實現(xiàn)

2.1A-GPS模擬系統(tǒng)構(gòu)建

A-GPS模擬系統(tǒng)主要的硬件架構(gòu)國防科學(xué)與技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院研制的GNSS導(dǎo)航信號模擬器和安捷倫8960系列10無線通信綜合測試儀E5515C，E5515C內(nèi)嵌安捷倫的E6701G 綜合網(wǎng)絡(luò)仿真器，它具有真實數(shù)據(jù)流的實際網(wǎng)絡(luò)仿真和互聯(lián)網(wǎng)連通性。GNSS導(dǎo)航信號模擬器仿真GPS導(dǎo)航信號，8960無線通信綜合測試儀用來仿真蜂窩網(wǎng)基站，高性能服務(wù)器控制上述兩者，從而實現(xiàn)MSB(mobile station based)和MSA(mobile station assisted)的A-GPS輔助模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3　A-GPS模擬系統(tǒng)實物連接圖

在整個系統(tǒng)中，服務(wù)器裝有兩個終端控制軟件，首先是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器控制軟件，控制模擬器仿真實際的GPS系統(tǒng)。另一個為8960無線通信綜合測試儀控制軟件，該軟件有兩個功能，一是獲取從導(dǎo)航模擬器控制軟件獲取星歷或歷書等輔助信息，并聯(lián)合接收機(jī)仿真位置信息計算出預(yù)測的多普勒頻移，二是控制8960將該輔助信息下發(fā)到接收機(jī)終端上。當(dāng)用戶接收機(jī)接受到輔助信息后，再與衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器正常通信，進(jìn)行定位。本文主要研究A-GPS輔助信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)利用信令控制方式下發(fā)到接收機(jī)，完成輔助功能。

2.2A-GPS輔助信息傳輸實現(xiàn)

A-GPS輔助信息通過移動網(wǎng)絡(luò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端，基于的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是RRLP(Radio Resource LCS Protocol，無線資源 LCS 協(xié)議)協(xié)議。RRLP是空中接口(GSM)中用到的最重要的定位服務(wù)規(guī)范，它定義了定位服務(wù)中工作模式和定位技術(shù)中的相關(guān)協(xié)議。RRLP 可以支持 E-OTD 和 A-GPS 兩種定位技術(shù)。RRLP支持A-GPS的MSA定位模式和MSB定位模式，并定義了各自相應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)[7]。

每條 RRLP 消息都包含一個參考數(shù)字(reference number)，并分為測量位置請求、測量位置響應(yīng)、輔助數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)確認(rèn)、協(xié)議錯誤 5 種類型。RRLP的輔助信息傳輸協(xié)議流程是服務(wù)終端向接收機(jī)傳送輔助數(shù)據(jù)，接收機(jī)收到后向服務(wù)終端返回確認(rèn)消息，如果出錯，則返回錯誤消息。如圖4所示。

圖4　A-GPS輔助信息傳輸流程圖

每條RRLP信息需要進(jìn)行通信編碼才可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送到接收機(jī)終端，RRLP協(xié)議是用ASN.1進(jìn)行描述的，ASN.1是Abstract Syntax Notation One的縮寫，即抽象語法標(biāo)記。信息編碼規(guī)則是PER(Packed Encoding Rule，壓縮編碼規(guī)則)，該編碼規(guī)則可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)空間，編碼效率高。

A-GPS信息編碼流程首先將由ASN.1描述的RRLP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為C/C++語言描述，然后將其輸入由PER編碼規(guī)則的函數(shù)完成編碼[8]。

在編碼實現(xiàn)的過程，本文使用了OSS公司的一款A(yù)SN.1的編碼軟件，該軟件可以將ASN.1語言轉(zhuǎn)變成C語言表示方法，并且A-GPS輔助信息賦值可以圖形化表示。上位機(jī)軟件將參考時間，星歷以及預(yù)測的多普勒頻移等輔助信息通過編碼傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，時間和星歷信息是通過模擬器仿真軟件得到，接收機(jī)位置信息是通過模擬器仿真場景中設(shè)定位置得到，多普勒預(yù)測值由上位機(jī)完成。編碼得到是一串16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，圖7以星歷數(shù)據(jù)編碼為例，編碼得到‘651B4041EB00C85B2071C7…’。

利用8960控制軟件將編碼得到的數(shù)據(jù)通過8960發(fā)送到接收機(jī)，接收機(jī)終端收到輔助信息后，會返給上位機(jī)一串16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)用來判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯誤。在實驗中，返回的數(shù)據(jù)碼是“66”，利用OSS軟件將該數(shù)據(jù)解碼，解碼得到結(jié)果：數(shù)據(jù)回復(fù)并無錯誤，則證明輔助信息發(fā)送成功。

3　結(jié)論

本文就A-GPS定位終端測試技術(shù)展開研究，分析了A-GPS定位輔助原理中的信號捕獲輔助，實現(xiàn)了A-GPS輔助定位室內(nèi)模擬測試。通過A-GPS輔助可以得到多普勒頻移的預(yù)測值，輔助接收機(jī)縮短了信號捕獲的時間，進(jìn)而縮短了接收機(jī)的首次定位時間。構(gòu)建了室內(nèi)A-GPS模擬測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了將輔助信息通過信令方式傳輸?shù)浇邮諜C(jī)終端，這對今后繼續(xù)開展A-GNSS室內(nèi)模擬測試系統(tǒng)有著重要的奠基作用。

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A-GPS Positioning Terminal Testing Technology Research

Zhang Chen，Ming Dexiang，Chen Jianyun，Yang Jun

(School of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha410073, China)

A-GPS positioning technology is a combination of terrestrial network resources and traditional satellite navigation. Using cellular network base station and transmitting the auxiliary information to shorten time to first fix of the receiver and reduce the user's dependence on the satellite. In the study of A-GPS receiver assisted positioning technology process. Focuses on how A-GPS information assist the receiver signal acquisition. Then, using GNSS navigation signal simulator and cellular base station simulator to set up indoor A-GPS simulation tests system and studying on transmitting reference time, Doppler shift predicted values and ephemeris or almanac and other assisted information to the receiver, which implements accessibility for data encoding and transmission of signaling channels.

A-GPS; time to first fix; cellular network; signaling

2015-07-08；

2015-08-19。

國家863計劃(2012AA121804)。

張晨(1989-)，男，河北邯鄲人，在讀碩士研究生，主要從事A-GNSS室內(nèi)模擬測試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0216-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.059

TP3

A