室内GPS信号覆盖系统的设计与实现

来源：刀刀网

设计与实现

室内GPS信号覆盖系统的设计与实现

林宇

（福建邮科通信技术有限公司，福建福州 350007）

【摘要】随着LBS服务的蓬勃发展，人们对定位服务的需求越来越迫切。GPS卫星定位是目前最常用的定位方式，在室外区域具有十分优异的定位效果，但在室内的使用情况则不尽人意。为改善室内定位，介绍一种室内GPS信号覆盖系统，它利用移动通信室内分布系统来进行GPS信号的室内覆盖，可以有效地解决GPS信号的室内弱覆盖问题。

【关键词】GPS定位 LBS服务室内分布系统室内GPS覆盖

中图分类号：TN925.1 文献标识码：A 文章编号：1006-1010(2013)-12-0059-05

Design and Implementation of Indoor GPS Signal Coverage System

LIN Yu

(Fujian Youke Communication Technology Co., Ltd., Fuzhou 350007, China)

[Abstract]

[Key words]

With the booming development of the LBS services, there is an urgent need for satellite positioning services. Currently, GPS is the most commonly used positioning method, which has satisfactory outdoor positioning performances, but its indoor positioning is unsatisfactory. To overcome the disadvantage, an indoor GPS signal coverage system is introduced, it make use of the mobile communication indoor distribution system to implement the GPS signal indoor coverage, and it can effectively solve the problem of the weak indoor coverage of the GPS signal.

GPS positioning LBS Service indoor distribution system indoor GPS coverage

1 引言

随着移动通信的飞速发展和智能手机的大量普及，LBS（Location Based Service，基于位置服务）给人们的日常生活带来了前所未有的便利。在LBS使用到的诸多技术中，最基础并且最关键的一项就是定位技术。

GPS定位是目前全球范围内应用最广泛、最成熟的一种定位技术。然而，在定位需求与日俱增的许多室内场所，比如机场、展厅、写字楼、地下停车场、仓库等地点，由于GPS卫星信号被遮挡，造成GPS接收机无法实现定位。

基于这样的背景，本文介绍一种全新的途径，

收稿日期：2013-03-18

责任编辑：李帅　****************

即利用已经广泛部署的移动通信室内分布系统来解决GPS信号的室内覆盖问题。

2013年第12期

2 基本原理概述

2.1 LBS的系统架构与原理

简单地说，LBS包含两层含义：首先是确定移动设备或用户所在的地理位置；其次是提供与位置相关的各类信息服务。LBS的常用系统架构如图1所示：

示。卫星利用高精度的星载原子钟做时间基准发射导航信号，而星载原子频标是与内在的GPS系统时基准同步的。CDMA（Code Divided Multi-Address，卫星用码分多址）技术在L1（1 575.42MHz）和L2（1 227.6MHz）这两个频率上广播测距码和导航数据。接收机接收导航数据以确认卫星的位置，测距码则用来确定信号的传输延时，从而确定卫星到用户的距离。如果接收机的时钟是与卫星同步的，则只需要三颗卫星即可测距，但由于接收机的时钟相对于卫星时钟来说比较不稳定，因此至少需要观测四颗GPS卫星用于计算用户的经度值、纬度值、高度值和接收机的时钟偏移值等4个未知量。

图1 LBS系统架构

LBS提供服务的基本原理为通过定位技术获取移动终端用户的位置信息，然后再通过GIS数据信息的支持，结合个性化服务应用程序，为用户提供所需位置服务。

在欧美日韩等国外地区，LBS给各运营商创造了丰厚的利润，在中国也显示出了巨大的潜力。目前市场上多款手机提供地图服务，用户可以查找自己和好友的位置，查询周边信息，规划自己的交通出行路线。

GPS定位技术因其覆盖面广，在大多数环境下能做到全天时较高精度的定位，成为行人导航的重要手段。但是，因为信号遮挡、衰减和干扰等因素，在诸如机场、展厅、写字楼、地下停车场、仓库等室内环境中其接收机的定位时间长、精度很差甚至无法定位。而这类环境正是个人用户的主要活动区域，为了获得连续的导航定位结果，必须依赖于其它技术辅助增强或者完全替代它。

图2 GPS系统构成简图

2.2 GPS系统构成与原理

GPS（Global Positioning System，全球定位系统）是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，同时满足军事部门和民用部门的需要。GPS系统还可向用户提供精确的时间信息。

整个卫星星座由布置在6个轨道平面上的24颗卫星构成，一个分布在全世界的地面控制监视网络监视着卫星的健康与工作状态，这个网络也向卫星上载导航数据和其他数据。由于用户接收机是被动无源工作，GPS系统可以向无限数目的用户提供定位导航服务，如图2所

2.3 移动通信室内分布系统

室内分布系统是实现室内场所深度覆盖的重要手段，也是电信运营商的重要战略资源。其原理是利用室内天线分布系统将移动基站的信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖，

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满足容量和质量的需求。

新增设备

GPS有源天线室内天线耦合器功分器3 室内GPS信号覆盖系统的设计

3.1 GPS室内信号特性分析

GPS信号包括两个载波频率成分：L1和L2。L1的中心频率为1 575.42MHz，L2的中心频率为1 227.6MHz。由于这两个频率的时间参考是原子频标，所以它们是非常准确的。目前，L1频率包含了C/A码和P（Y）码信号，而L2频率只包含了P（Y）码信号。用于民用定位只能使用精度较低的C/A码，因此民用GPS接收机主要接收频率为1 575.42MHz的L1载波。本文主要也是针对解决L1载波C/A码的室内信号覆盖问题展开讨论。

在地面上接收的GPS信号是十分微弱的，它们的功率电平通常比噪声电平低得多。每颗GPS卫星在L1频段上以478.63W（56.8dBm）的功率来广播C/A码信号，信号的传输路径大约20 000km。GPS信号在这段路径中的自由空间损耗，可用下式估算：

BAGPS/通信信号合路器GPS放大器耦合器功分器室内天线耦合器移动通信室分信号功分器图3 室内GPS信号覆盖系统架构简图

GPS有源天线布设在建筑的屋顶或窗台等易接收GPS卫星信号的位置，GPS有源天线后接GPS放大器。经过有源天线与放大器放大的GPS信号与原有移动通信信号一起，通过合路器进行合路后，进入原有的移动通信室内分布系统中。由于移动通信室内分布系统用到的功分器、耦合器、天线等无源器件均支持800~ 2 500MHz的宽频，不需要升级即可兼容L1频段下的C/A信号。因此本文所述的室内GPS信号覆盖系统，只需要在原有室内分布系统中新增GPS有源天线、GPS放大器以及合路器这三个主要设备，这样对原有室分系统改动很小，工程安装也很便利。

Lo=32.4+20lgd+20lgf （1）

其中距离d的单位为km，信号频率f的单位为MHz。

将d=20 000、f=1 575.42代入（1）式，可算出从卫星到地面的自由空间衰减为182.4dB。因此，L1载波的C/A码在到达地面的强度约为PC/A=(56.8-182.4)dBm=-125.6dBm。

GPS接口控制文档中给出的信号强度的最小值为-130dBm，与上述结果基本一致。在室内环境下，由于受到视线信号的削弱和衰落、严重的多径以及各种干扰和热噪声的影响，GPS信号比在普通环境中有更多的削弱和衰落，到达时间有更大的延迟，接收信噪比有更大程度的恶化，所以GPS接收机的定位精度和GPS信号的可用性都大大下降。

3.3 系统链路预算

由于GPS信号在室分系统中进行分配与传输时，信号强度会有所减弱，为了保证室内的GPS接收机的接收效果，有必要对整个系统的链路预算进行讨论。

目前，GPS接收机的灵敏度一般可达-150dBm。为了保证GPS信号的接收效果，可得到下式：

PIN+GSYS-LSYS-LO≥-150dBm （2）

其中:

3.2 系统架构

为了在室内也能接收到良好的GPS信号，本文设计了室内GPS信号覆盖系统，利用已经得到广泛应用的移动通信室内分布系统来进行GPS信号的室内覆盖。该系统的架构图如图3所示：

PIN表示GPS天线接收到的室外GPS信号功率；GSYS表示整个系统对GPS信号的增益；

LSYS表示整个系统对GPS信号的分配与传输所带来

的损耗，即从图3中的B处到室内天线进行发射后的这段路径中的信号损耗（假设室分系统设计得足够好，

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使得每个天线发射出的信号都具有相同的强度）；

4.1 GPS有源接收天线

室内GPS信号覆盖系统采用如图4所示的GPS有源接收天线，该天线能实现37dB的增益。

LO表示GPS信号从室内发射天线到GPS接收机的

自由空间损耗。

根据前文所述，PIN约等于-130dBm。

由于室内分布系统可以兼容GPS信号的传输频段，所以GPS信号与移动通信信号在天馈系统中的衰减程度相近。根据经验，移动通信信号从合路前（图3中的A处）到经过室内天线进行发射后，功率通常减少约30dB。因此可认为系统对GPS信号的损耗LSYS也约为30dB。

若室内分布系统的发射天线的信号覆盖距离为15m，将d=0.015km、f=1 575.42MHz代入公式（1），可以算出空间损耗LO约为60dB。

将PIN=-130dBm、LSYS=30dB、LO=60dB代入公式（2）中，可以得到：为了满足GPS接收机的最低接收灵敏度，系统增益GSYS必须不小于70dB。

GPS信号的系统增益GSYS由有源天线增益GANT和放大器GAMP组成。目前常见的有源天线产品，其

图4 GPS有源接收天线

该天线安装时需要竖直安放，周围最好可以远离遮挡物。若需要安装在建筑物楼顶，则需注意防雷，尽量在避雷装置的保护范围内安装使用。

4.2 GPS放大器

本系统中的GPS放大器（如图5）采用多级放大电路设计，最大增益可达80dB，最小增益49dB，增益调节步长1dB。由于该放大器增益较大，当发射天线与有源接收天线距离过近时，系统有可能产生自激。这就要求施工时需要根据实际情况适当衰减放大器的增益，或者尽量拉远有源接收天线与发射天线之间的距离，一般要求两者至少相距20m。

GANT可达37dB，因此理论上只要保证GPS放大器的

增益GAMP能大于33dB，即可满足整个系统的链路预算要求。但是为了给系统留有一定的余量，通常要求

GAMP>50dB。

由于GPS信号强度十分微弱，这就对室内GPS信号覆盖系统的噪声控制水平提出了很高的要求。系统后级的天馈系统均使用无源器件，不会引入噪声，而位于系统前级的有源天线与放大器均需要采用较高增益、较低噪声的LNA。

在进行系统设计时，先通过建筑物的周围环境、室分系统的实际情况来确定GPS有源天线的安装位置；再根据以上所述的理论估算来选定GPS有源天线与放大器的增益与具体型号，以达到最佳效果。

图5 GPS放大器

4 系统硬件实现

按照图3所示的系统架构图进行室内GPS信号覆盖系统的搭建与部署。下面将分别介绍系统中用到的一些主要器件与设备。

4.3 GPS/移动通信信号合路器

在实际的场景中，需要合路的移动通信信号的制式存在着不同，所以本系统用到的合路器的种类也有

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所不同。图6所示为GPS/CDMA合路器，可实现插损< 0.5dB，隔离度≥80dB。

述的室内GPS信号覆盖系统，有效地解决了室内环境中无法进行GPS定位的问题，提高了原有移动通信室内分布系统的使用效率，顺应了LBS的发展趋势。

参考文献：

[1] Ray J K. Advanced GPS Receiver Technology[J].

Canada University of Calgary: Department of Geomatics Engineering, 2003.

图6 GPS/CDMA信号合路器

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[8] 王琳. 基于GPS伪卫星的室内无线定位系统[D]. 上海:

华东师范大学, 2012.★

4.4 天馈系统

GPS和移动通信信号合路后，就可以通过天馈系统在室内进行信号覆盖。天馈系统主要包括功分器、耦合器、电桥、宽频吸顶天线等无源器件，如图7所示。这些器件均支持800～2 500MHz的信号传输，因此无需对原有移动通信天馈系统进行改动，即可用于本系统的GPS信号传输。

图7 天馈系统常用无源器件

5 总结

以上所述的室内GPS信号覆盖系统，已经投入到手机卖场、运营商营业厅、高档写字楼等这些对LBS服务有着大量需求的室内场所。通过该系统，原来无法进行GPS定位的室内场所现在可以很方便地享受LBS服务带来的便利，该系统的GPS信号覆盖效果得到了用户的一致好评。

在欧美日韩等国外地区，LBS给各运营商创造了丰厚的利润，在中国也显示出了巨大的潜力。本文所

作者简介

林宇：高级经济师，硕士毕业于中国人民大学，现任福建邮科通信技术有限公司副总经理，研究方向为无线通信网络优化产业趋势与新技术。

2013年第12期

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