1 系统总体构架
本文设计的GPS伪卫星高精度室内定位系统紧张由GPS授时吸收机、伪卫星基带旗子暗记处理部分、高速D/A转换、射频上变频电路、发射天线、吸收天线、射频下变频电路、高速A/D转换和吸收机基带旗子暗记处理部分等模块组成，系统总体构架如图1所示。
如图1所示，GPS授时吸收机输出的秒脉冲(PPS)作为发射机与真实GPS旗子暗记同步的基准，对本地恒温晶振驯服，以得到高稳定度和高精度伪卫星旗子暗记。伪卫星基带旗子暗记处理部分紧张实现GPS L1频点伪卫星导航旗子暗记天生。高速D/A转换电路吸收FPGA天生的数字中频并转换为仿照中频旗子暗记，本系统设计4路高速D/A转换电路，每一起D/A对应一颗伪卫星中频旗子暗记。通过上变频模块把数字中频旗子暗记变频成GPS L1频点伪卫星射频旗子暗记。
射频下变频电路把吸收到的伪卫星旗子暗记下变频至中频旗子暗记。高速A/D转换电路实现对射频下变频电路输出的仿照中频量化采样。吸收机旗子暗记处理部分完成对旗子暗记的捕获、跟踪以及实现抗远近效应算法和定位解算。个中DSP实现通道状态检测、可见星搜索、旗子暗记跟踪、远近效应算法的判断策略和定位解算，FPGA实现旗子暗记捕获算法、抗远近效应算法。
2 系统紧张硬件电路设计
2.1 上变频电路设计
上变频电路紧张是实现基带仿照中频旗子暗记变频至GPS L1频点的射频旗子暗记。本文设计采取双路射频输出的数字锁相频率合成器SI4133芯片，个中RF1的输出范围是900 MHz～1.8 GHz，RF2的输出范围是750 MHz～1.5 GHz。通过大略的编程便可得到所须要的本振旗子暗记，本文设计的中频旗子暗记为20.42 MHz，本振旗子暗记为1 555 MHz，通过混频得到设计所需的GPS L1频点的旗子暗记。图2是射频上变频电路。
2.2 射频下变频电路设计
射频前真个性能直接影响吸收机基带数字旗子暗记处理模块对旗子暗记捕获、跟踪的质量。本系统选用Maxim Integrated公司的MAX2122作为射频下变频芯片，它是一款包含完全的单片VCO、I和Q下变频混频器和带宽可调的低通滤波射频导航芯片，事情频率范围是925 MHz～2 175 MHz。本文设计的射频下变频电路将天线吸收到的伪卫星旗子暗记下变频至10.42 MHz。射频下变频电路事理图如图3所示。
2.3 A/D转换电路设计
模数转换电路的设计对吸收机抗滋扰性能有着重大影响，本文选用Analog Devices公司的AD9246作为A/D转换电路的核心器件。AD9246是一款1.8 V单电源供电的14 bit、125 MS/s模数转换器，内置采样保持放大器与片上基准电源。射频前端输出的中频旗子暗记是10.42 MHz，本文A/D采样频率设置为112 MHz，可以知足系统性能哀求。图4是A/D转换电路。
3 系统关键程序设计
3.1 时钟同步设计
为了让吸收机得到更准确的频率旗子暗记，发射机部分须要对本地恒温晶振进行驯服。利用真实GPS韶光旗子暗记长稳指标高的优点肃清本地恒温晶振长期累积偏差，从而得到高稳定度和高准确度的频率旗子暗记[2]。
本文设计驯服时钟是利用GPS授时吸收机输出的PPS作为标准的秒脉冲旗子暗记对本地恒温晶振进行驯服。FPGA程序设计中紧张是利用时钟计数法对本地晶振进行频率调度，以肃清恒温晶振因老化、温漂等带来的累积偏差。
时钟计数法是FPGA对时钟的计数，首先通过对GPS秒脉冲两个相邻秒沿之间的时钟个数count1和本地秒脉冲两个相邻秒沿之间的时钟个数count2进行计数、比拟，得到相应的时钟钟差值，如果钟差大，解释恒温晶振供应的频率存在较大偏差，须要调度减少偏差。然后把时钟钟差值转换给SPI总线数值，通过SPI总线写入DAC7512，DAC7512把吸收到的数字量转换为仿照电压，实时地对本地晶振频率进行调度，使count1=count2即完成了驯服的过程，达到本地晶振长期稳定的效果。驯服时钟程序设计流程图如图5所示。FPGA先给DAC7512写一个固定值，让恒温晶振上电先稳定，在检测到GPS秒脉冲输入时，延迟一个时钟产生本地秒脉冲。通过比拟两个秒脉冲之间的计数差值对晶振频率进行调度。GPS秒脉冲与发射系统产生的秒脉冲结果比拟如图6所示。
3.2 吸收机抗远近效应程序设计
在室内，由于空间狭窄，伪卫星支配的高度相比拟较低，随意马虎发生远近效应。在某些位置，当来自不同伪卫星的旗子暗记强度差异大于某个门限时，就会产生远近效应，堵塞吸收机[3]。因此本文设计的吸收机必须具有抗远近效应功能。本文中抗远近效应程序设计紧张是利用相互干滋扰肃清算法实现抗远近效应[4]。个中DSP紧张是卖力远近效应的判断策略，同时完成旗子暗记幅度、强旗子暗记的电文估计以及重构滋扰旗子暗记。其处理流程如图7所示。
DSP每毫秒记录一次当前卫星的幅度估计值，式(1)为幅值估计公式。
式中，An是旗子暗记幅度估计值，In和Qn分别是I路和Q路的相关积分结果，fs是吸收机的采样率，Tcoh为吸收机相关积分韶光。由于C/A码的隔离度在空想情形下仅有24 dB[5]，为了留足够的富余量，本文设计的强旗子暗记滋扰门限值为18 dB。当连续10 ms检测到有一个吸收通道的幅度估计值高于幅度门限值，或者是强旗子暗记与弱旗子暗记的比值超过滋扰门限值，则剖断为发生了远近效应，同时把开启滋扰抵消的掌握标志传给FPGA。在确定发生远近效应后，DSP会每间隔30 s估计一次电文，得到相应的电文符号。DSP在正常跟踪的情形下，准确地得到强旗子暗记的载波NCO、码NCO以及估计的幅度值、导航电文的符号等强旗子暗记参数。选取个中一个强旗子暗记作为参考旗子暗记，根据所得到的旗子暗记参数对强旗子暗记进行重构。
FPGA在跟踪正常状态下吸收到DSP传过来的开启滋扰抵消掌握旗子暗记，启动滋扰抵消算法处理通道，如图8所示。
FPGA吸收到DSP传过来的重构滋扰旗子暗记S(t)，首先与本地载波混频，实现强旗子暗记的载波剥离，然后与码环复制的C/A码进行相互干，经由积分打消后，得到强旗子暗记与弱旗子暗记相互干结果IWS(t)、QWS(t)，末了经由滋扰抵消便可得到弱旗子暗记自干系值。FPGA各个模块功能如下：
(1)载波NCO模块。FPGA采取DDS技能产生本地数字载波，在程序中将事先利用MATLAB产生的正余弦幅度值存到FPGA的ROM核中，通过寻址的办法得到须要的载波频率旗子暗记。
(2)C/A码发生器。码环复制的C/A码同时分享给弱旗子暗记相关积分通道和强旗子暗记滋扰抵消通道。与剥离载波后的强旗子暗记干系，实现旗子暗记解扩。
(3)滋扰抵消部分。滋扰肃清的紧张功能是分离出弱旗子暗记干系结果中强滋扰旗子暗记与弱旗子暗记相互干结果，得到弱旗子暗记自干系值IWW(t)、QWW(t)。个中弱旗子暗记干系结果包含弱旗子暗记自干系结果和弱旗子暗记与滋扰旗子暗记相互干结果。
4 测试结果
本文设计的室内伪卫星导航定位系统，发射机部分天生了GPS L1频段的4路伪卫星旗子暗记，同时对本地恒温晶振驯服，得到更准确的频率旗子暗记。吸收机部分设计了抗远近效应，利用载波相位进行导航定位。在5 m×10 m的室底细况多次测试，4颗伪卫星支配在4个角落，利用所设计的吸收机进行导航定位。静态测试结果如图9所示，定位偏差在3 cm以内。二维动态L形轨迹缓慢运动定位结果如图10所示，动态定位偏差在3 cm以内。静态和动态定位结果解释本文设计的伪卫星导航定位系统能够正常事情。
5 结论
为了知足高精度室内定位需求，本文设计了一款GPS伪卫星室内导航定位系统，发射机以FPGA+DSP为核心处理器，办理了本地恒温晶振长期的累积偏差问题，使其具有长期稳定度，吸收机具有抗远近效应能力。对系统导航定位精度进行了多次测试，测试结果表明，静态和动态定位精度都达到厘米级。该系统可以运用于室内定位、地下停车场定位，还可以用于地基增强系统。
