GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)研究與應(yīng)用

張?jiān)? 張延練

摘 要 為解決在建筑物遮擋和電磁屏蔽環(huán)境下全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）定位系統(tǒng)無法精確定位的問題，近年來基于GPS系統(tǒng)的各種區(qū)域輔助和區(qū)域增強(qiáng)定位方法蓬勃發(fā)展起來。文章在介紹GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)的基礎(chǔ)上針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了在建筑物遮擋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)該技術(shù)可推廣至電磁屏蔽環(huán)境下的GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)與接收，為許多區(qū)域的GPS定位難題提供了有益參考。

關(guān)鍵詞 屏蔽遮擋環(huán)境；GPS信號(hào)；轉(zhuǎn)發(fā)接收；

中圖分類號(hào) TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）216-0089-02

GPS系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在傳統(tǒng)GPS定位過程中，一般條件下GPS接收機(jī)需要有較為開闊的視野，至少能同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星[1]。但在特殊的GPS信號(hào)區(qū)域：如地下停車場(chǎng)、城市中心、房屋里面等，由于GPS信號(hào)受到阻隔、強(qiáng)度減弱和多路徑效應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)[2]利用現(xiàn)有GPS信號(hào)來提高定位能力。

1 GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

當(dāng)在GPS信號(hào)在建筑物遮擋環(huán)境中， 定位操作無法進(jìn)行。首先是因?yàn)榻ㄖ镎趽鯇?dǎo)致GPS信號(hào)無法直接到達(dá)，另外建筑物的影響使得接收機(jī)不能同時(shí)接收到四顆衛(wèi)星信號(hào)，還有可能衛(wèi)星信號(hào)要穿越房屋和墻面而產(chǎn)生多路徑效應(yīng)影響，這些因素都導(dǎo)致了在遮擋環(huán)境中GPS信號(hào)的衰減，此時(shí)信號(hào)向前傳輸一米，信號(hào)衰減就可能達(dá)到1Dbw。人們開始研究GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)來解決這些問題。技術(shù)方案是先在開闊區(qū)域接收到GPS信號(hào)后，進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，然后經(jīng)過定向的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器向遮擋區(qū)域定向轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在建筑遮擋等環(huán)境下的GPS定位。

2 轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)系統(tǒng)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(fā)射天線（GPS單頻）和GPS信號(hào)接收機(jī)（手持式GPS導(dǎo)航儀）。分路放大器采用多級(jí)濾波、多級(jí)放大和多處電平調(diào)節(jié)控制等電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。

分路放大器接收衛(wèi)星導(dǎo)航天線（GPS天線）輸出的GPS信號(hào)同時(shí)采用信號(hào)放大電路進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)。功率補(bǔ)償通路在系統(tǒng)工作時(shí)為各個(gè)部件分配功率，保證系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的功率平衡；分路放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分路、放大和濾波，并將信號(hào)通過無源GPS發(fā)射天線轉(zhuǎn)發(fā)出去。為有源GPS發(fā)射天線提供電源和分路器的增益補(bǔ)償?shù)氖窃鲆嫜a(bǔ)償支路。由于分路轉(zhuǎn)發(fā)器功率補(bǔ)償通路的功放模塊增益過大已產(chǎn)生自激振蕩，而采用有源GPS發(fā)射天線，方案使用有源GPS發(fā)射天線組合分路轉(zhuǎn)發(fā)器功率補(bǔ)償兩極放大的射頻方式。

3 GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)研究與應(yīng)用

3.1 有源射頻端口功率提取技術(shù)

該系統(tǒng)方案為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，比普通GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器相比具有高抗干擾性能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)是整個(gè)鏈路功耗方案。信號(hào)鏈路需要具有50-60dB的增益，系統(tǒng)才能達(dá)到GPS信號(hào)無線轉(zhuǎn)發(fā)的目的。系統(tǒng)采用低功耗電路設(shè)計(jì)，其供電電流限制最大只要5V/100mA，如果采用通常的放大設(shè)計(jì)鏈路，功耗一定會(huì)超過系統(tǒng)所能承受的最大功耗，必將導(dǎo)致系統(tǒng)射頻部分性能的不穩(wěn)定甚至可能造成燒毀。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(shè)計(jì)，專為為GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)使用，測(cè)試功耗小于5V/45mA，增益在30-45Db具備調(diào)節(jié)功能；采用無源發(fā)射天線作為GPS發(fā)射天線，該天線零功耗設(shè)計(jì)。低功耗設(shè)計(jì)的主要體現(xiàn)在GPS發(fā)射天線部分二和分路放大器。該設(shè)計(jì)方案，不但降低了整個(gè)系統(tǒng)鏈路的實(shí)際功耗，同時(shí)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(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)了有源射頻端口功率提取技術(shù)。系統(tǒng)創(chuàng)新低功耗設(shè)計(jì)和有源射頻端口功率提取技術(shù)，利用系統(tǒng)提供5VDC電源作為整個(gè)GPS轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)信號(hào)放大和天線輻射的能量源，無需獨(dú)立供電（供電≤DC5V/45mA），系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。有源器件二分路器無需獨(dú)立供電，工作采用系統(tǒng)專用接口供電。GPS信號(hào)覆蓋的功率經(jīng)測(cè)試滿足天線發(fā)射增益滿足。功耗控制原理如圖1所示。

3.2 前置匹配技術(shù)

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)是右旋極化的[3]，GPS天線的極化是右旋圓極化，評(píng)判天線圓極化標(biāo)準(zhǔn)高低的指標(biāo)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?yàn)镚PS天線圓極化帶寬稍高，因此它可以用著GPS天線（1%=16MHz），但是因?yàn)镚PS/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(biāo)準(zhǔn)的微帶天線用作GPS/BD/GLONASS天線時(shí)，因?yàn)橹行念l帶窄，軸比小，實(shí)際使用中沒有用處。而對(duì)于有效頻率處，軸比很大。目前采用的前置匹配技術(shù)可以解決這個(gè)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(hào)接收器只能與專門的GPS接收天線相匹配?，F(xiàn)在GPS轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)采用前向匹配電路技術(shù)，再電路中設(shè)計(jì)GPS天線和衛(wèi)星導(dǎo)航天線的軸比、接收頻帶帶寬等技術(shù)指標(biāo)。采用該種設(shè)計(jì)消除了以前發(fā)射天線與接收天線特定匹配的限制，通過驗(yàn)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(shù)

由于GPS信號(hào)具有周期平穩(wěn)特性，而噪聲和其他干擾信號(hào)不具備周期平穩(wěn)特性，或者不具備與GPS信號(hào)中偽隨機(jī)碼相同的周期平穩(wěn)特性[4]。根據(jù)系統(tǒng)要求二分路放大器的增益在30dB～45dB，這些指標(biāo)需要轉(zhuǎn)發(fā)過來的的信號(hào)具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和一定的雜波、諧波抑制能力。所以在GPS轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了四級(jí)濾波和四級(jí)放大，每級(jí)的濾波均采用多點(diǎn)陷波技術(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求，才能保證GPS信號(hào)經(jīng)過無線發(fā)射輸出后，滿足系統(tǒng)定位精度需求。

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)不僅考慮了防雷功能，還采用了高抗干擾性設(shè)計(jì)方案。方案采用前置濾波和多點(diǎn)陷波組合濾波技術(shù)。前置濾波設(shè)計(jì)獨(dú)有的低損耗E型FBAR濾波器，同時(shí)LNA放大器后置多點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)，具有極低的噪聲系數(shù)和高帶外屏蔽能力，對(duì)強(qiáng)干擾信號(hào)（如雷達(dá)、基站、電臺(tái)等）具有很好抑制性能。

3.4 電平增益控制技術(shù)

在實(shí)際使用過程，建筑物遮擋屏蔽的環(huán)境下容易產(chǎn)生GPS多路徑效應(yīng)而妨礙GPS接收機(jī)的正常收星定位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)輸出的GPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平可控制，以達(dá)到發(fā)射出去的GPS信號(hào)經(jīng)過削弱，減弱多路徑效應(yīng)對(duì)GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的影響。方案實(shí)現(xiàn)了減弱多徑效應(yīng)，保證GPS接收機(jī)能夠正常接收GPS信號(hào)。

如果多路徑效應(yīng)影響嚴(yán)重，系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)每級(jí)放大電路后面預(yù)留的電平的增益控制電路促使整個(gè)鏈路的增益滿足實(shí)際使用環(huán)境的需求。

3.5 前置濾波和多極點(diǎn)陷波技術(shù)

在已知頻率的強(qiáng)干擾信號(hào)下，例如電臺(tái)，雷達(dá)、通信基站等會(huì)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生較大影響，而普通的濾波器對(duì)此無能為力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用陷波技術(shù)-陷波器，陷波器會(huì)針對(duì)某一已知的特定的頻率信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，在這個(gè)極點(diǎn)上對(duì)已知強(qiáng)干擾信號(hào)頻率的信號(hào)產(chǎn)生最大的衰減，而對(duì)其它非強(qiáng)干擾信號(hào)頻率的信號(hào)的衰減是遞減的，使得陷波器的使用達(dá)到了衰減強(qiáng)干擾信號(hào)的目的。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)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(duì)400MHz以下的干擾信號(hào)的衰減>35dB，對(duì)900MHz以下衰減>25dB，對(duì)GPS信號(hào)的插入損耗小于0.2Db。系統(tǒng)采用的“前置濾波技術(shù)”。在自然界中大部分強(qiáng)干擾信號(hào)的頻率是1 000MHz的，因此采用這種濾波器可以有效地保護(hù)設(shè)備放大器不飽和，在絕大多數(shù)環(huán)境下的滿足系統(tǒng)使用要求。

4 結(jié)論及應(yīng)用

本文首先介紹了GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在建筑物遮擋環(huán)境轉(zhuǎn)發(fā)GPS信號(hào)的技術(shù)方案。設(shè)計(jì)方案采用的多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)對(duì)未來GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)建設(shè)具有借鑒作用。方案不僅可推廣應(yīng)用在任何遮擋環(huán)境下GPS信號(hào)無法覆蓋的區(qū)域，還可推廣至電磁屏蔽環(huán)境下的GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)接收應(yīng)用。

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