室內gps信號解決方案

　GPS（Global Positioning System，全球定位係統）是一種可以定時和測距的空間交會定點導航係統，它可以向全球範圍用戶提供精確、連續的三維位置和速度信息，同時滿足軍事部門和民用部門的需要。GPS係統還可向用戶提供精確的時間信息。
　　整個衛星星座由布置在6個軌道平麵上的24顆衛星構成，一個分布在全世界的地麵控製監視網絡監視著衛星的健康與工作狀態，這個網絡也向衛星上載導航數據和其他數據。由於用戶接收機是被動無源工作，GPS係統可以向無限數目的用戶提供定位導航服務，如圖2所示。衛星利用高精度的星載原子鍾做時間基準發射導航信號，而星載原子頻標是與內在的GPS係統時基準同步的。CDMA（Code Divided Multi-Address，衛星用碼分多址）技術在L1（1 575.42MHz）和L2（1 227.6MHz）這兩個頻率上廣播測距碼和導航數據。接收機接收導航數據以確認衛星的位置，測距碼則用來確定信號的傳輸延時，從而確定衛星到用戶的距離。如果接收機的時鍾是與衛星同步的，則隻需要三顆衛星即可測距，但由於接收機的時鍾相對於衛星時鍾來說比較不穩定，因此至少需要觀測四顆GPS衛星用於計算用戶的經度值、緯度值、高度值和接收機的時鍾偏移值等4個未知量。
　　GPS定位技術因其覆蓋麵廣，在大多數環境下能做到全天時較高精度的定位，成為行人導航的重要手段。但是，因為信號遮擋、衰減和幹擾等因素，在諸如機場、展廳、寫字樓、地下停車場、倉庫等室內環境中其接收機的定位時間長、精度很差甚至無法定位。而這類環境正是個人用戶的主要活動區域，為了獲得連續的導航定位結果，必須依賴於其它技術輔助增強或者完全替代它。
　　2.3 移動通信室內分布係統
　　室內分布係統是實現室內場所深度覆蓋的重要手段，也是電信運營商的重要戰略資源。其原理是利用室內天線分布係統將移動基站的信號均勻分布在室內每個角落，從而保證室內區域擁有理想的信號覆蓋，滿足容量和質量的需求。
　　3 室內GPS信號覆蓋係統的設計
　　3.1 GPS室內信號特性分析
　　GPS信號包括兩個載波頻率成分：L1和L2。L1的中心頻率為1 575.42MHz，L2的中心頻率為1 227.6MHz。由於這兩個頻率的時間參考是原子頻標，所以它們是非常準確的。目前，L1頻率包含了C/A碼和P（Y）碼信號，而L2頻率隻包含了P（Y）碼信號。用於民用定位隻能使用精度較低的C/A碼，因此民用GPS接收機主要接收頻率為1 575.42MHz的L1載波。本文主要也是針對解決L1載波C/A碼的室內信號覆蓋問題展開討論。
　　在地麵上接收的GPS信號是十分微弱的，它們的功率電平通常比噪聲電平低得多。每顆GPS衛星在L1頻段上以478.63W（56.8dBm）的功率來廣播C/A碼信號，信號的傳輸路徑大約20 000km。GPS信號在這段路徑中的自由空間損耗，可用下式估算：
　　Lo=32.4+20lgd+20lgf （1）
　　其中距離d的單位為km，信號頻率f的單位為MHz。
　　將d=20 000、f=1 575.42代入（1）式，可算出從衛星到地麵的自由空間衰減為182.4dB。因此，L1載波的C/A碼在到達地麵的強度約為PC/A=（56.8-182.4）dBm=-125.6dBm。
　　GPS接口控製文檔中給出的信號強度的最小值為-130dBm，與上述結果基本一致。在室內環境下，由於受到視線信號的削弱和衰落、嚴重的多徑以及各種幹擾和熱噪聲的影響，GPS信號比在普通環境中有更多的削弱和衰落，到達時間有更大的延遲，接收信噪比有更大程度的惡化，所以GPS接收機的定位精度和GPS信號的可用性都大大下降。
　　3.2 係統架構
　　為了在室內也能接收到良好的GPS信號，本文設計了室內GPS信號覆蓋係統，利用已經得到廣泛應用的移動通信室內分布係統來進行GPS信號的室內覆蓋。該係統的架構圖如圖3所示： 　　GPS有源天線布設在建築的屋頂或窗台等易接收GPS衛星信號的位置，GPS有源天線後接GPS放大器。經過有源天線與放大器放大的GPS信號與原有移動通信信號一起，通過合路器進行合路後，進入原有的移動通信室內分布係統中。由於移動通信室內分布係統用到的功分器、耦合器、天線等無源器件均支持800～ 2 500MHz的寬頻，不需要升級即可兼容L1頻段下的C/A信號。因此本文所述的室內GPS信號覆蓋係統，隻需要在原有室內分布係統中新增GPS有源天線、GPS放大器以及合路器這三個主要設備，這樣對原有室分係統改動很小，工程安裝也很便利。
　　3.3 係統鏈路預算
　　由於GPS信號在室分係統中進行分配與傳輸時，信號強度會有所減弱，為了保證室內的GPS接收機的接收效果，有必要對整個係統的鏈路預算進行討論。
　　目前，GPS接收機的靈敏度一般可達-150dBm。為了保證GPS信號的接收效果，可得到下式：
　　PIN+GSYS-LSYS-LO≥-150dBm （2）
　　其中：
　　PIN表示GPS天線接收到的室外GPS信號功率；
　　GSYS表示整個係統對GPS信號的增益；
　　LSYS表示整個係統對GPS信號的分配與傳輸所帶來的損耗，即從圖3中的B處到室內天線進行發射後的這段路徑中的信號損耗（假設室分係統設計得足夠好，使得每個天線發射出的信號都具有相同的強度）；
　　LO表示GPS信號從室內發射天線到GPS接收機的自由空間損耗。
　　根據前文所述，PIN約等於-130dBm。
　　由於室內分布係統可以兼容GPS信號的傳輸頻段，所以GPS信號與移動通信信號在天饋係統中的衰減程度相近。根據經驗，移動通信信號從合路前（圖3中的A處）到經過室內天線進行發射後，功率通常減少約30dB。因此可認為係統對GPS信號的損耗LSYS也約為30dB。
　　若室內分布係統的發射天線的信號覆蓋距離為15m，將d=0.015km、f=1 575.42MHz代入公式（1），可以算出空間損耗LO約為60dB。
　　將PIN=-130dBm、LSYS=30dB、LO=60dB代入公式（2）中，可以得到：為了滿足GPS接收機的最低接收靈敏度，係統增益GSYS必須不小於70dB。
　　GPS信號的係統增益GSYS由有源天線增益GANT和放大器GAMP組成。目前常見的有源天線產品，其GANT可達37dB，因此理論上隻要保證GPS放大器的增益GAMP能大於33dB，即可滿足整個係統的鏈路預算要求。但是為了給係統留有一定的餘量，通常要求GAMP>50dB。
　　由於GPS信號強度十分微弱，這就對室內GPS信號覆蓋係統的噪聲控製水平提出了很高的要求。係統後級的天饋係統均使用無源器件，不會引入噪聲，而位於係統前級的有源天線與放大器均需要采用較高增益、較低噪聲的LNA。
　　在進行係統設計時，先通過建築物的周圍環境、室分係統的實際情況來確定GPS有源天線的安裝位置；再根據以上所述的理論估算來選定GPS有源天線與放大器的增益與具體型號，以達到最佳效果。
　　4 係統硬件實現
　　按照圖3所示的係統架構圖進行室內GPS信號覆蓋係統的搭建與部署。下麵將分別介紹係統中用到的一些主要器件與設備。
　　4.1 GPS有源接收天線
　　室內GPS信號覆蓋係統采用如圖4所示的GPS有源接收天線，該天線能實現37dB的增益。
　　該天線安裝時需要豎直安放，周圍最好可以遠離遮擋物。若需要安裝在建築物樓頂，則需注意防雷，盡量在避雷裝置的保護範圍內安裝使用。
　　4.2 GPS放大器
　　本係統中的GPS放大器（如圖5）采用多級放大電路設計，最大增益可達80dB，最小增益49dB，增益調節步長1dB。由於該放大器增益較大，當發射天線與有源接收天線距離過近時，係統有可能產生自激。這就要求施工時需要根據實際情況適當衰減放大器的增益，或者盡量拉遠有源接收天線與發射天線之間的距離，一般要求兩者至少相距20m。
　　4.3 GPS/移動通信信號合路器
　　在實際的場景中，需要合路的移動通信信號的製式存在著不同，所以本係統用到的合路器的種類也有所不同。圖6所示為GPS/CDMA合路器，可實現插損< 0.5dB，隔離度≥80dB。
　　4.4 天饋係統
　　GPS和移動通信信號合路後，就可以通過天饋係統在室內進行信號覆蓋。天饋係統主要包括功分器、耦合器、電橋、寬頻吸頂天線等無源器件，如圖7所示。這些器件均支持800～2 500MHz的信號傳輸，因此無需對原有移動通信天饋係統進行改動，即可用於本係統的GPS信號傳輸。