GPS信号转发技术研究与应用

张袁志 张延练

摘 要 为解决在建筑物遮挡和电磁屏蔽环境下全球卫星定位系统（GPS）定位系统无法精确定位的问题，近年来基于GPS系统的各种区域辅助和区域增强定位方法蓬勃发展起来。文章在介绍GPS信号转发器技术的基础上针对该技术进行研究，实现了在建筑物遮挡环境下实现GPS卫星信号转发，同时该技术可推广至电磁屏蔽环境下的GPS信号转发与接收，为许多区域的GPS定位难题提供了有益参考。

关键词 屏蔽遮挡环境；GPS信号；转发接收；

中图分类号 TN92 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）216-0089-02

GPS系统在各个领域已经得到广泛应用，在传统GPS定位过程中，一般条件下GPS接收机需要有较为开阔的视野，至少能同时观测到4颗卫星[1]。但在特殊的GPS信号区域：如地下停车场、城市中心、房屋里面等，由于GPS信号受到阻隔、强度减弱和多路径效应的影响，这种情况下GPS无法完成定位，而且可能存在较大误差， 定位要求不能满足。GPS信号转发技术[2]利用现有GPS信号来提高定位能力。

1 GPS信号转发技术

当在GPS信号在建筑物遮挡环境中， 定位操作无法进行。首先是因为建筑物遮挡导致GPS信号无法直接到达，另外建筑物的影响使得接收机不能同时接收到四颗卫星信号，还有可能卫星信号要穿越房屋和墙面而产生多路径效应影响，这些因素都导致了在遮挡环境中GPS信号的衰减，此时信号向前传输一米，信号衰减就可能达到1Dbw。人们开始研究GPS信号转发器技术来解决这些问题。技术方案是先在开阔区域接收到GPS信号后，进行信号增强，然后经过定向的信号转发器向遮挡区域定向转发信号，从而实现在建筑遮挡等环境下的GPS定位。

2 转发技术系统方案设计

本文设计的转发技术系统主要由4部分组成：GPS接收天线（GPS双频天线），分路放大器、GPS发射天线（GPS单频）和GPS信号接收机（手持式GPS导航仪）。分路放大器采用多级滤波、多级放大和多处电平调节控制等电路设计，实现了整个系统的低功耗设计。

分路放大器接收卫星导航天线（GPS天线）输出的GPS信号同时采用信号放大电路进行信号增强。功率补偿通路在系统工作时为各个部件分配功率，保证系统各个模块之间的功率平衡；分路放大器对信号进行分路、放大和滤波，并将信号通过无源GPS发射天线转发出去。为有源GPS发射天线提供电源和分路器的增益补偿的是增益补偿支路。由于分路转发器功率补偿通路的功放模块增益过大已产生自激振荡，而采用有源GPS发射天线，方案使用有源GPS发射天线组合分路转发器功率补偿两极放大的射频方式。

3 GPS信号转发技术研究与应用

3.1 有源射频端口功率提取技术

该系统方案为适应复杂环境，比普通GPS信号转发器相比具有高抗干扰性能。该系统设计的难点和重点是整个链路功耗方案。信号链路需要具有50-60dB的增益，系统才能达到GPS信号无线转发的目的。系统采用低功耗电路设计，其供电电流限制最大只要5V/100mA，如果采用通常的放大设计链路，功耗一定会超过系统所能承受的最大功耗，必将导致系统射频部分性能的不稳定甚至可能造成烧毁。

实验室测试GPS接收天线的功耗是5V/50mA，增益在33dB左右。方案中的二分路放大器采用低功耗电路设计，专为为GPS信号转发系统使用，测试功耗小于5V/45mA，增益在30-45Db具备调节功能；采用无源发射天线作为GPS发射天线，该天线零功耗设计。低功耗设计的主要体现在GPS发射天线部分二和分路放大器。该设计方案，不但降低了整个系统鏈路的实际功耗，同时还可避免电源纹波等带来的一系列问题。

在功率提取方面，转发系统独创了有源射频端口功率提取技术。系统创新低功耗设计和有源射频端口功率提取技术，利用系统提供5VDC电源作为整个GPS转发系统信号放大和天线辐射的能量源，无需独立供电（供电≤DC5V/45mA），系统电气结构得到了简化。有源器件二分路器无需独立供电，工作采用系统专用接口供电。GPS信号覆盖的功率经测试满足天线发射增益满足。功耗控制原理如图1所示。

3.2 前置匹配技术

GPS卫星发射的信号是右旋极化的[3]，GPS天线的极化是右旋圆极化，评判天线圆极化标准高低的指标是轴比，如果轴比越小，那么灵敏度越高，天线的轴比一般要求小于3dB。微带天线的圆极化带宽通常小于1%，通常的微带天线的频带很窄，因为GPS天线圆极化带宽稍高，因此它可以用着GPS天线（1%=16MHz），但是因为GPS/BD/GLONASS天线的频带宽度要大于40MHz（即2.5%），因此就不能作GPS/BD/GLONASS天线。如果要将标准的微带天线用作GPS/BD/GLONASS天线时，因为中心频带窄，轴比小，实际使用中没有用处。而对于有效频率处，轴比很大。目前采用的前置匹配技术可以解决这个问题，天线的带宽（包括圆极化带宽、方向图带宽、驻波比带宽等）大于10%。

在以前GPS信号接收器只能与专门的GPS接收天线相匹配。现在GPS转发技术采用前向匹配电路技术，再电路中设计GPS天线和卫星导航天线的轴比、接收频带带宽等技术指标。采用该种设计消除了以前发射天线与接收天线特定匹配的限制，通过验证目前能够与目前常用的多种GPS接收天线匹配。

3.3 采用E型低损耗FBAR滤波抗干扰技术

由于GPS信号具有周期平稳特性，而噪声和其他干扰信号不具备周期平稳特性，或者不具备与GPS信号中伪随机码相同的周期平稳特性[4]。根据系统要求二分路放大器的增益在30dB～45dB，这些指标需要转发过来的的信号具有相当的强度和一定的杂波、谐波抑制能力。所以在GPS转发系统设计中，采用了四级滤波和四级放大，每级的滤波均采用多点陷波技术和前置滤波（原理图如图2），保证杂波和谐波抑制能力满足系统设计要求，才能保证GPS信号经过无线发射输出后，满足系统定位精度需求。

系统电路设计不仅考虑了防雷功能，还采用了高抗干扰性设计方案。方案采用前置滤波和多点陷波组合滤波技术。前置滤波设计独有的低损耗E型FBAR滤波器，同时LNA放大器后置多点陷波采用声表滤波器。两种滤波器组合具有低插损、高屏蔽优点，具有极低的噪声系数和高带外屏蔽能力，对强干扰信号（如雷达、基站、电台等）具有很好抑制性能。

3.4 电平增益控制技术

在实际使用过程，建筑物遮挡屏蔽的环境下容易产生GPS多路径效应而妨碍GPS接收机的正常收星定位。系统设计对输出的GPS信号实现电平可控制，以达到发射出去的GPS信号经过削弱，减弱多路径效应对GPS信号转发的影响。方案实现了减弱多径效应，保证GPS接收机能够正常接收GPS信号。

如果多路径效应影响严重，系统可通过调节每级放大电路后面预留的电平的增益控制电路促使整个链路的增益满足实际使用环境的需求。

3.5 前置滤波和多极点陷波技术

在已知频率的强干扰信号下，例如电台，雷达、通信基站等会对信号转发产生较大影响，而普通的滤波器对此無能为力。系统设计采用陷波技术-陷波器，陷波器会针对某一已知的特定的频率信号，产生一个极点，在这个极点上对已知强干扰信号频率的信号产生最大的衰减，而对其它非强干扰信号频率的信号的衰减是递减的，使得陷波器的使用达到了衰减强干扰信号的目的。

系统设计独有的E型滤波器，根本上解决了抗干扰和功率消耗之间的矛盾，对400MHz以下的干扰信号的衰减>35dB，对900MHz以下衰减>25dB，对GPS信号的插入损耗小于0.2Db。系统采用的“前置滤波技术”。在自然界中大部分强干扰信号的频率是1 000MHz的，因此采用这种滤波器可以有效地保护设备放大器不饱和，在绝大多数环境下的满足系统使用要求。

4 结论及应用

本文首先介绍了GPS信号转发技术，并在此基础上针对该技术进行扩展研究，设计实现了在建筑物遮挡环境转发GPS信号的技术方案。设计方案采用的多项创新技术对未来GPS信号转发系统建设具有借鉴作用。方案不仅可推广应用在任何遮挡环境下GPS信号无法覆盖的区域，还可推广至电磁屏蔽环境下的GPS信号转发接收应用。

参考文献

[1]周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，2004.

[2]Heinz M，Daniel M，Thomas K，et al.Indoor positioning using frequency translators[C]//ION GNSS2005， Long Beach，CA，2005：2789-2799.

[3]朱丽梅.多径效应对GPS定位精度的影响及应对分析[J].计算机光盘软件与应用，2013（19）：107-109.

[4]宁海涛.弱GPS信号捕获远近场效应研究[J].计算机应用与软件，2014（2）：144-148.