GPS Pseudolite Yüksek Hassasiyetli İç Mekan Konumlandırma Teknolojisinin "Akademik Belge" Araştırması ve Uygulaması
Küresel Navigasyon Uydu Sistemi (GNSS) dış mekanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak yoğun yüksek binalarda, iç mekan veya yer altı sahnelerinde sinyallerin karartılması ve ciddi zayıflaması nedeniyle alıcının aynı anda 4'ten fazla uydu sinyalini alması zordur. Konumlandırma, uygulama kapsamını sınırlar. İç mekan konumlandırmaya yönelik acil talep nedeniyle, iç mekan konumlandırma teknolojisi güçlü bir şekilde gelişmiştir.Şu anda, ana akım iç mekan konumlandırma teknolojileri arasında Wi-Fi, Bluetooth ve sensörler bulunmaktadır, ancak bu teknolojiler yüksek hassasiyetli iç mekan konumlandırma ve dış mekan GNSS sistemlerini karşılayamamaktadır. Dikiş konumlandırma ihtiyaçları. Kapalı psödolit sistemi, yukarıda belirtilen ortamdaki konumlandırma gereksinimlerini karşılamak için geliştirilmiş iç mekan konumlandırma teknolojilerinden biridir. Psödolit konumlandırma teknolojisinin karmaşık iç mekan ortamlarında uygulanması zordur, ancak uygulama olasılıkları çok geniştir. Bu nedenle, baz istasyonu olarak bir psödolit ile yüksek hassasiyetli bir iç mekan navigasyon ve konumlandırma sistemi tasarlamak büyük önem taşımaktadır.
1 Genel sistem mimarisi
Bu yazıda tasarlanan GPS psödolit yüksek hassasiyetli iç mekan konumlandırma sistemi, esas olarak GPS zamanlama alıcısı, sözde temel bant sinyal işleme parçası, yüksek hızlı D / A dönüşümü, RF yukarı dönüştürme devresi, verici anten, alıcı anten, RF aşağı dönüştürme devresi ve yüksek hızlı A / D-dönüştürme ve alıcı temel bandı sinyal işleme modüllerden oluşur ve genel sistem mimarisi Şekil 1'de gösterilmiştir.
Şekil 1'de gösterildiği gibi, GPS zamanlama alıcısı tarafından saniye başına darbe (PPS) çıkışı, vericinin ve gerçek GPS sinyalinin senkronizasyonu için bir ölçüt olarak hizmet eder ve yüksek kararlılık ve yüksek hassasiyetli psödolit sinyalleri elde etmek için yerel sabit sıcaklık kristal osilatörünü düzenler. Yalancı temel bant sinyal işleme parçası, esas olarak GPS L1 frekans noktası sözde olit seyrüsefer sinyali üretimini gerçekleştirir. Yüksek hızlı D / A dönüştürme devresi, FPGA tarafından üretilen dijital ara frekansı alır ve bunu bir analog ara frekans sinyaline dönüştürür Sistem, her biri bir sahte ara frekans sinyaline karşılık gelen 4 yüksek hızlı D / A dönüştürme devresi tasarlar. Dijital ara frekans sinyali, yukarı dönüştürme modülü aracılığıyla GPS L1 frekansı psödolit radyo frekansı sinyaline dönüştürülür.
Radyo frekansı alt dönüştürme devresi, alınan psödolit sinyalini bir ara frekans sinyaline alt dönüştürür. Yüksek hızlı A / D dönüştürme devresi, radyo frekansı aşağı dönüştürme devresi tarafından analog ara frekans çıkışının nicelleştirilmiş örneklemesini gerçekleştirir. Alıcının sinyal işleme kısmı, sinyalin alınmasını ve izlenmesini tamamlar ve yakınlaşma önleyici algoritma ve konumlandırma çözümünü gerçekleştirir. Bunların arasında, DSP, kanal durumu algılama, görünür yıldız arama, sinyal izleme ve yakın etki algoritması değerlendirme stratejileri ve konumlandırma çözümleri uygular ve FPGA, sinyal yakalama algoritması ve uzak yakın etki algoritmasını uygular.
2 Sistemin ana donanım devre tasarımı
2.1 Üst dönüştürme devre tasarımı
Yukarı dönüştürme devresi temel olarak temel bant analog ara frekans sinyalinin, GPS L1 frekansının radyo frekansı sinyaline frekans dönüşümünü gerçekleştirir. Bu metin tasarımı, çift kanallı radyo frekansı çıkışının dijital faz kilitli frekans sentezleyici SI4133 yongasını benimser, bunların arasında RF1'in çıkış aralığı 900 MHz - 1.8 GHz, RF2'nin çıkış aralığı 750 MHz - 1.5 GHz'dir. Gerekli lokal osilatör sinyali basit programlama ile elde edilebilir.Bu makalede tasarlanan ara frekans sinyali 20.42 MHz ve lokal osilatör sinyali 1555 MHz'dir Tasarımın gerektirdiği GPS L1 frekans noktasındaki sinyal karıştırma yoluyla elde edilir. Şekil 2, bir radyo frekansı yukarı dönüştürme devresidir.
2.2 RF aşağı dönüşüm devresinin tasarımı
RF ön ucunun performansı, alıcının temel bant dijital sinyal işleme modülü tarafından sinyal edinme ve izleme kalitesini doğrudan etkiler. Bu sistem, RF alt dönüştürme çipi olarak Maxim Integratedin MAX2122'sini seçer. Tam bir tek çipli VCO, I ve Q aşağı dönüştürme mikseri ve ayarlanabilir bant genişliğine sahip alçak geçiren filtre RF navigasyon çipidir. Çalışma frekansı aralığı 925'dir. MHz 2175 MHz. Bu makalede tasarlanan RF aşağı dönüştürme devresi, anten tarafından alınan psödolit sinyalini 10.42 MHz'e indirir. RF aşağı dönüştürme devresinin şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.
2.3 A / D dönüşüm devresi tasarımı
Analogdan dijitale dönüştürme devresinin tasarımı, alıcının anti-parazit performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir Bu makale, A / D dönüştürme devresinin çekirdek aygıtı olarak Analog Aygıtlardan AD9246'yı seçer. AD9246, dahili bir örnekleme ve tutma amplifikatörü ve bir çip üzerinde referans güç kaynağı ile 1,8 V tek güç kaynağı ile çalışan 14 bit, 125 MS / s analogdan dijitale dönüştürücüdür. RF ön ucunun ara frekans sinyali çıkışı 10.42 MHz'dir ve bu makaledeki A / D örnekleme frekansı, sistem performans gereksinimlerini karşılayabilecek şekilde 112 MHz olarak ayarlanmıştır. Şekil 4, bir A / D dönüştürme devresidir.
3 Sistem anahtar program tasarımı
3.1 Saat senkronizasyon tasarımı
Alıcının daha doğru bir frekans sinyali alması için, verici kısmının yerel sabit sıcaklık kristal osilatörünü evcilleştirmesi gerekir. Yerel sabit sıcaklık kristal osilatörünün uzun vadeli birikmiş hatasını ortadan kaldırmak için gerçek GPS zaman sinyalinin yüksek uzun vadeli kararlılık endeksinden yararlanın, böylece yüksek kararlılık ve yüksek doğrulukta bir frekans sinyali elde edin.
Bu makaledeki evcilleştirme saatinin tasarımı, yerel sabit sıcaklık kristal osilatörünü evcilleştirmek için standart ikinci darbe sinyali olarak GPS zamanlama alıcısı tarafından PPS çıkışını kullanır. FPGA programlamasında, saat sayma yöntemi esas olarak, sabit sıcaklıktaki kristal osilatörün eskimesi ve sıcaklık kaymasının neden olduğu birikmiş hatayı ortadan kaldırmak için yerel kristal osilatörün frekansını ayarlamak için kullanılır.
Saat sayma yöntemi, saatlerin FPGA sayımıdır İlk olarak, GPS ikinci darbesinin iki bitişik ikinci kenarı arasındaki saat sayımlarının1 sayısını ve yerel ikinci darbenin iki bitişik ikinci kenarı arasındaki saat sayımlarının sayısını2 sayın ve karşılaştırın. , İlgili saat farkı değerini alın, saat farkı büyükse, sabit sıcaklık kristal osilatörünün sağladığı frekansta büyük bir hata olduğunu ve hatayı azaltmak için ayarlanması gerektiğini gösterir. Daha sonra saat farkı değeri SPI veriyolu değerine dönüştürülür ve DAC7512, SPI veriyolu üzerinden yazılır.DAC7512, alınan dijital miktarı bir analog voltaja dönüştürür ve yerel kristal frekansını gerçek zamanlı olarak ayarlar, böylece count1 = count2 ehlileştirme sürecini tamamlar , Yerel kristal osilatörün uzun vadeli kararlılığını sağlamak için. Saat programlamasını düzenlemenin akış şeması Şekil 5'te gösterilmektedir. FPGA ilk olarak DAC7512'ye sabit bir değer yazar, böylece sabit sıcaklıktaki kristal osilatör, güç açıldıktan sonra kararlı olur.GPS ikinci darbe girişi algılandığında, yerel ikinci darbe üretmek için bir saati geciktirir. İki saniyelik darbeler arasındaki sayım farkını karşılaştırarak kristal frekansını ayarlayın. Şekil 6, GPS ikinci darbesi ile fırlatma sistemi tarafından üretilen ikinci darbe arasındaki karşılaştırmayı gösterir.
3.2 Alıcı uzak yakın etkiye karşı koruma programı tasarımı
İç mekanda, dar boşluk nedeniyle, psödolitlerin yüksekliği nispeten düşüktür ve yakın mesafeye yakın etki meydana gelme eğilimindedir. Bazı konumlarda, farklı psödolitlerden gelen sinyal gücü farkı belirli bir eşikten daha büyük olduğunda, çok yakın bir etkiye sahip olacak ve alıcıyı bloke edecektir. Bu nedenle, bu yazıda tasarlanan alıcı uzağa yakın etki işlevine sahip olmalıdır. Bu makaledeki uzak yakın etki karşıtı program tasarımı, uzak yakın karşıtı etkiyi gerçekleştirmek için temel olarak çapraz korelasyon girişim iptali algoritmasını kullanır. Bunların arasında, DSP esas olarak yakın-uzak etkinin yargı stratejisinden sorumludur ve aynı zamanda sinyal genliğini, güçlü sinyal mesajı tahminini ve girişim sinyalinin yeniden yapılandırılmasını tamamlar. İşleme akışı Şekil 7'de gösterilmektedir.
DSP, geçerli uydu genlik tahmin değerini her milisaniyede bir kaydeder ve formül (1), genlik tahmin formülüdür.
Formülde, An sinyal genliği tahminidir, In ve Qn sırasıyla I ve Q'nun tutarlı entegrasyon sonuçlarıdır, fs alıcının örnekleme hızıdır ve Tcoh alıcının tutarlı entegrasyon süresidir. C / A kodunun izolasyonu ideal koşullarda sadece 24 dB olduğundan, yeterli marj bırakmak için bu yazıda tasarlanan güçlü sinyal girişim eşiği 18 dB'dir. 10 ms için bir alıcı kanalın genlik tahmininin genlik eşiğinden daha yüksek olduğu veya güçlü sinyalin zayıf sinyale oranının girişim eşiğini aştığı tespit edildiğinde, yakın mesafeye etki ettiği belirlenir ve girişim iptali etkinleştirilir. Kontrol bayrağı FPGA'ya aktarılır. Uzağa yakın etkinin oluştuğunu belirledikten sonra, DSP her 30 saniyede bir mesajı tahmin edecek ve ilgili mesaj sembolünü alacaktır. Normal izleme koşulu altında, DSP, taşıyıcı NCO, güçlü sinyalin kod NCO'su, tahmini genlik değeri ve navigasyon mesajının sembolü gibi güçlü sinyal parametrelerini doğru bir şekilde elde edebilir. Referans sinyal olarak güçlü sinyallerden birini seçin ve elde edilen sinyal parametrelerine göre güçlü sinyali yeniden oluşturun.
FPGA, normal izleme durumunda DSP'den parazit iptali sağlamak için kontrol sinyalini alır ve Şekil 8'de gösterildiği gibi parazit giderme algoritması işleme kanalını başlatır.
FPGA, DSP'den yeniden yapılandırılmış girişim sinyalini S (t) alır, önce güçlü sinyalin taşıyıcı sıyrılmasını sağlamak için yerel taşıyıcıyla karıştırır ve ardından bunu kod döngüsünden kopyalanan C / A koduyla çapraz ilişkilendirir. Güçlü sinyal ve zayıf sinyal IWS (t) ve QWS (t) çapraz korelasyon sonuçları ve son olarak girişim iptalinden sonra, zayıf sinyalin otokorelasyon değeri elde edilebilir. Her FPGA modülünün işlevleri aşağıdaki gibidir:
(1) Carrier NCO modülü. FPGA, yerel bir dijital taşıyıcı oluşturmak için DDS teknolojisini kullanır.Programda, MATLAB tarafından üretilen sinüs ve kosinüs genlik değerleri FPGA'nın ROM çekirdeğinde saklanır ve gerekli taşıyıcı frekans sinyali adreslenerek elde edilir.
(2) C / A kod üreteci. Kod döngüsü tarafından kopyalanan C / A kodu, aynı zamanda zayıf sinyal tutarlı entegrasyon kanalına ve güçlü sinyal girişim iptal kanalına paylaşılır. Sinyalin dağılmasını gerçekleştirmek için taşıyıcı soyulduktan sonraki güçlü sinyalle ilgilidir.
(3) Girişim iptali bölümü. Girişim iptalinin ana işlevi, güçlü girişim sinyali ile zayıf sinyalin çapraz korelasyon sonuçlarını zayıf sinyal korelasyon sonuçlarından ayırmak ve zayıf sinyal otokorelasyon değerleri IWW (t) ve QWW (t) elde etmektir. Zayıf sinyal korelasyon sonucu, zayıf sinyal otokorelasyon sonucunu ve zayıf sinyal ve girişim sinyali çapraz korelasyon sonucunu içerir.
4 Test sonuçları
Bu yazıda tasarlanan kapalı psödolit navigasyon ve konumlandırma sisteminde, verici kısmı GPS L1 frekans bandında 4 psödolit sinyal üretir ve aynı zamanda daha doğru frekans sinyalleri elde etmek için yerel sabit sıcaklık kristal osilatörünü ehlileştirir. Alıcı kısmı, uzak etkiye dayanacak şekilde tasarlanmıştır ve taşıyıcı faz, navigasyon ve konumlandırma için kullanılır. 5 m × 10 m lik kapalı ortamda defalarca test edilmiştir.4 pseudolitler 4 köşeye dizilmiş olup, tasarlanan alıcı navigasyon ve konumlandırma için kullanılmaktadır. Statik test sonucu Şekil 9'da gösterilmektedir ve konumlandırma hatası 3 cm içindedir. İki boyutlu dinamik L-şekilli yörüngenin yavaş hareket konumlandırmasının sonucu Şekil 10'da gösterilmektedir ve dinamik konumlandırma hatası 3 cm içindedir. Statik ve dinamik konumlandırma sonuçları, bu belgede tasarlanan sözde uydu navigasyon ve konumlandırma sisteminin normal çalışabileceğini göstermektedir.
5. Sonuç
Yüksek hassasiyetli iç mekan konumlandırma talebini karşılamak için, bu makale bir GPS sahte iç mekan navigasyon ve konumlandırma sistemi tasarlar Verici, yerel sabit sıcaklık kristal osilatörünün uzun vadeli kümülatif hata problemini çözmek ve uzun vadeli kararlılığa sahip olmasını sağlamak için çekirdek işlemci olarak FPGA + DSP kullanır. Alıcının yakın mesafeli etkilere direnme yeteneği vardır. Sistemin navigasyon ve konumlandırma doğruluğu defalarca test edilmiş ve test sonuçları, statik ve dinamik konumlandırma doğruluğunun santimetre seviyesine ulaştığını göstermektedir. Sistem, kapalı alan konumlandırma, yer altı otoparkı konumlandırma ve ayrıca zemin tabanlı güçlendirme sistemleri için kullanılabilir.
