錢建軍， 陳樹新

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710000)

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·計算機技術應用·

基于USRP的GPS基帶信號源設計與實現

錢建軍， 陳樹新

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710000)

介紹了GPS信號源的現狀，分析了GPS信號源設計中目前被廣泛采用的中頻信號源結構，得出該設計實現復雜并且不利于教學的結論。針對國家級軍用導航實驗教學示范中心的衛(wèi)星導航教學課程，提出了使用基于DQUC(直接正交上變頻技術)的GPS基帶信號源實現方案。分析了信號源的組成模塊，對信號源的各個模塊實現原理進行了介紹。針對參數更新頻率較低以及基帶信號發(fā)生帶來的計算量過大等問題進行了分析，并給出了解決方案。同時采用LabVIEW軟件與USRP(通用軟件無線電外設),實現的結果驗證了設計的可行性。

GPS信號源； 基帶信號； USRP； LabVIEW

0 引 言

GPS(Global Positioning System)是目前全球范圍內應用最廣的導航系統(tǒng)。在GPS接收機的研發(fā)過程中，GPS信號源可以為研發(fā)者提供不同環(huán)境下的GPS信號，加速了GPS的發(fā)展。同時作為實驗室儀器它也有著很好的應用價值，被很多導航相關院校所采用。國內部分院校與研究機構對該領域研究比較深入，有一定的相關成果。目前已有的產品多采用中頻信號發(fā)射方案[1-3]，其實現過程較為復雜，在參數生成、中頻信號發(fā)生等模塊設計上不夠直觀，不利于教學。本文對目前被廣泛采用的GPS信號源設計方法進行分析，圍繞國家級軍用導航實驗教學示范中心的衛(wèi)星導航教學課程，根據DQUC技術提出基于LabVIEW與USRP的GPS基帶信號源設計方法，簡化了設計工作。同時利用LabVIEW這種簡單、直觀的編程方法使其基帶設計更加容易理解，提升了導航實驗教學的效果。

1 GPS信號產生方案比較

GPS分別在L1、L2頻段上發(fā)射信號，其中L1頻率為1 575.42 MHz，由P碼與C/A碼來同時實現擴頻調制；L2頻率1 227.6 MHz完全由P碼來調制。而P碼僅授權特許用戶使用，因此對于GPS信號源研發(fā)來說，只需考慮L1頻點的C/A碼擴頻信號[4]。其發(fā)射端表達式為：

(1)

由于傳輸時延以及多普勒頻偏的影響接收機前端所收到的多顆衛(wèi)星信號如下：

(2)

其中:τi為衛(wèi)星信號碼相位延時;fid為衛(wèi)星信號的載波頻偏;θi為載波初相[5]。GPS信號源就是要精確仿真以上接收端信號模型，尤其是要能準確地仿真時延以及多普勒頻偏。GPS信號源主要采用軟件無線電理論來進行方案設計。根據軟件無線電原理，信號發(fā)射機有中頻發(fā)射方案與基帶(零中頻)發(fā)射方案之分[6]。下面針對GPS信號源的實現來對兩種方案進行分析。

1.1 中頻信號發(fā)生方案

目前國內現有的GPS信號源大都采用中頻信號發(fā)生方案來實現。中頻信號表達式為：

(3)

其中,電文、C/A碼、幅度參數AIFi、頻偏fid與碼相位延時τi由計算機來生成或由計算機輔助DSP生成。由于中頻頻率較高一般為數十MHz，同時計算量比較大，因此要采用FPGA單獨作為中頻信號發(fā)生單元。延時、頻偏等相關參數由DSP或其他處理器控制傳輸至中頻信號發(fā)生單元來完成信號的數字調制。生成的數字中頻信號要經過后續(xù)的數模變換帶通濾波、上變頻等一系列處理最后才能完成GPS射頻信號的發(fā)生。其系統(tǒng)總體結構框圖一般為如圖1形式。

圖1 GPS中頻信號源結構

從以上系統(tǒng)結構可以看出，中頻信號發(fā)生方案雖然是基于軟件無線電的思想來實現GPS射頻信號的發(fā)生，但需采用芯片單獨作為中頻信號發(fā)生模塊，產生的中頻信號還需經過中頻放大、濾波、變頻處理，其硬件開銷比較大。另一方面，采用此方法來實現信號源，其核心中頻部分由FPGA來實現。從實驗教學的角度來看，該實現方法不夠直觀，需要進一步改進。

1.2 基帶信號發(fā)生方案

基帶信號也可稱之為零中頻信號，它是將實信號進行正交采樣后得到的結果。信號存在正譜和負譜，在采樣時，正負譜形成的分延拓分量之間必須保證不混疊。而正交采樣相當于對一個通過希爾伯特變換的解析信號進行采樣，對此信號進行采樣時無需考慮負譜延拓分量產生的混疊。實際中希爾伯特變換實現較難，因此采用正交采樣來實現，所以在同相與正交兩條支路上分別進行速率為fs=B的采樣就可以消除混疊現象[7],B為民用信號帶寬。

基于以上理論，可以考慮先生成GPS基帶信號，再利用直接正交上變頻技術(DQUC)來實現GPS信號的發(fā)生。對接收機前端信號進行正交分解可得：

(4)

設采樣率為fs=1/Ts，多顆衛(wèi)星的數字基帶信號如下式所示：

(5)

GPS信號中C/A碼擴頻部分對應的帶寬為C/A碼碼率的2倍2.046 MHz。考慮接收端信號存在頻率偏移，靜止或地動態(tài)用戶接收信號會受到衛(wèi)星運動產生的±5 kHz內的頻偏，而高動態(tài)下會存在不超過±10 kHz范圍的頻偏，對信號的帶寬影響不大。因此產生基帶信號的采樣速率fs≈2.046 MS/s即可。

對于低采樣速率的基帶信號，如果仍舊使用FPGA芯片來專用作基帶信號的發(fā)生無疑是一種浪費。因此可將基帶信號生成也使用計算機來實現，以簡化整個系統(tǒng)的硬件設計。而接口控制、數字上變頻(Digital Up Converter,DUC)正交上變頻部分則使用通用軟件無線電外設(Universal Software Radio Platform,USRP)來實現。整個GPS信號源系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 GPS基帶信號源結構

2 系統(tǒng)設計與實現

由于采用了USRP來實現基帶信號的前端處理，因此信號源的設計工作主要集中在基帶信號的發(fā)生部分?；鶐Р糠植捎肔abVIEW軟件來實現設計， LabVIEW作為一種圖形化的編程方法，有著編程簡單易懂，運行方便的優(yōu)點，LabVIEW所產生的基帶數據通過以太網傳輸至USRP以保證傳輸速率。單顆衛(wèi)星的基帶發(fā)生部分的框圖如圖3所示，其整個工作過程主要由以下幾個模塊構成。

圖3 單顆衛(wèi)星基帶信號發(fā)生框圖

2.1 星歷數據讀取

由于不涉及場景設計，因此系統(tǒng)中所采用導航電文采用觀測站所公布的GPS衛(wèi)星、星歷數據來生成。過去的每一天的星歷都可在互聯(lián)網上下載，格式采用標準的Rinex格式，從每日的零點起每兩小時提供一整套新的星歷數據[8-9]。星歷抽取模塊會根據所發(fā)送信號對應的GPS時來選擇對應時段的整套星歷,每套星歷的有效時間是以參考時間toe為中心的4 h之內。所讀取的星歷存儲后等待選星結果來選擇對應的數據。

2.2 選 星

由于衛(wèi)星數目是可設置的，因此信號源需要根據用戶的位置、當前時間來選擇所需衛(wèi)星的最佳幾何分布[10-11]。目前已存在多種選星方法，本設計中直接采用最佳選星法來實現選星過程。其實現過程如下：

(1) 判決星歷中的可見星(相對用戶仰角為5°以上的衛(wèi)星);

(2) 從可見星中選所需數目的所有可能組合;

(3) 對所有衛(wèi)星組合的GDOP值進行計算，并選出其中最小的組合作為最佳星。

2.3 組織導航電文與C/A碼

選星模塊完成最佳衛(wèi)星選擇并輸出衛(wèi)星對應編號。導航電文生成模塊根據收到的衛(wèi)星編號選擇對應的衛(wèi)星星歷并將星歷寫入到對應的數據幀中。導航電文是按照固定幀格式形成的二進制數據流。文件(IS-GPS-200H)中有其具體格式與C/A碼生成方法的詳細描述。

2.4 延時與頻偏參數

延時與頻偏參數的生成是信號源中的最關鍵模塊之一。式(4)中的時間t指的是各顆衛(wèi)星到達接收機前端的時間[12-13]，不能將此時間參數作為確定衛(wèi)星發(fā)射時位置的時間參數。要確定每顆衛(wèi)星對應信號的發(fā)射時間，需要通過迭代的方法來進行遞推。本設計所采用的做法是以當前要模擬的接收信號時間tr作為衛(wèi)星信號的發(fā)射時刻tt，計算出衛(wèi)星坐標，進而算出衛(wèi)星到用戶間的距離，距離轉化為時延后用發(fā)射時間減去傳輸時延作為發(fā)射時間再次帶入衛(wèi)星坐標。兩次迭代之間要進行誤差判決，并設定一門限值當差值小于此門限則停止迭代。

另一方面,由于地球自轉的影響，衛(wèi)星在信號發(fā)射時刻與接收時刻所處的ECEF坐標系會有所區(qū)別，忽視這種影響會造成約50 m的偽距誤差[14-15]。因此利用發(fā)射時間確定衛(wèi)星位置后，要將衛(wèi)星坐標進行坐標轉換以確定其在接收時刻坐標系中的位置。

整個模塊涉及到多次的衛(wèi)星位置的計算以及坐標轉換，因此計算量很大。為了減少計算量在設計參數的更新頻率時，采用每0.01 s進行一次計算。同時為了與基帶發(fā)生速率相匹配，此處采用3次樣條插值以提高更新速率。

2.5 基帶信號合成

基帶信號模塊依照式(5)來進行數字基帶信號的發(fā)生。工作過程如下：

(1) 根據當前采樣時刻索引對應的幅度、延時與頻偏參數。

(2) 用采樣時刻減去延時作為C/A碼與D碼的索引參數來確定當前碼片值。

(3) 將幅度、延時與頻偏參數代入到公式(5)中計算相應的正交與同相數字載波。

(4) 將C/A碼與D碼異或值轉化為雙極性后與數字載波相乘完成基帶信號的發(fā)生。

(5) 計算多顆衛(wèi)星基帶疊加值，并將結果傳輸至隊列當中等待寫入USRP完成上變頻。

2.6 基帶發(fā)生速率

本設計中隊列中可存儲的基帶信號由計算機內存大小來決定。一旦內存中的基帶信號全部發(fā)送完畢，而新的基帶信號卻未能生成，那么USRP則會停止工作。為此要保證基帶生成速率足夠趕得上約2 MHz的IQ基帶數據率。

由于采用軟件實現來實現基帶數字信號，每一采樣時刻要計算多顆衛(wèi)星的基帶信號再進行疊加，這一過程帶來了計算量的增加。為了充分發(fā)揮計算機的性能、提升基帶數據發(fā)生速率、避免內存中數據耗盡，此處利用LabVIEW在實現多線程上的優(yōu)勢來實現了多核計算基帶信號偶數時刻與奇數時刻的樣值。過程如圖4所示。

圖4 多線程基帶信號發(fā)生

3 運行與驗證

驗證過程使用手機終端來驗證信號源發(fā)送的GPS信號能否被識別。手機終端自帶GPS接收模塊，軟件方面使用GPS Test來分析信號。信號源設定載波頻率為1 575.42 MHz，基帶數據傳輸速率為2 MS/s，星歷起始時刻為UTC時間14年3月22日0時，發(fā)生衛(wèi)星數目設置為8顆，用戶位置34°N,108°E。啟動上位機中的基帶信號發(fā)生程序，確定信號已發(fā)送后，觀察發(fā)現該時段最佳衛(wèi)星PRN被選為2,5,9,18,21,26,29。

通過手機GPS Test終端查看定位結果如圖5所示，與設置坐標對比存在微小的誤差，在可接受范圍內。衛(wèi)星星座如圖6所示，識別出的GPS衛(wèi)星序號與發(fā)送端一致為7顆。發(fā)射與設置衛(wèi)星數目相比少一顆，其原因可能為發(fā)射時可見星數目為7顆。

圖5 GPSTest定位坐標圖6 GPSTest星座顯示

4 結 語

本設計基于軟件無線電技術，采用了USRP與LabVIEW結合開發(fā)方式，使GPS信號模擬源設計工作轉變?yōu)樵贚abVIEW上的軟件設計，大大簡化了GPS模擬源的設計工作量。采用數字基帶信號合成的方式保證了模擬器信號精度和通道一致性，最終實現的信號源可以滿足接收機的部分測試需求。信號源設計思路簡潔、直觀易懂，于導航實驗教學中取得較好的效果。

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Design and Implementation of GPS Baseband Signal Source Based on USRP

QIANJian-jun,CHENShu-xin

(College of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710000， China)

This paper introduces the current situation of GPS signal a source and analyzes the structure of IF signal source which is widely used. Then the paper comes to a conclusion that this design is complicated to realize, and is adverse in teaching. In order to improve the satellite navigation course in national military navigation experimental teaching demonstration center，the paper proposes a GPS baseband signal source designing scheme based on direct quadrature up-conversion. All modules of the signal source are analyzed in the paper, and the principles of their realization are also introduced. The paper analyses problems such as low parameters update frequency and large amount of calculation and give solutions to them. At the same time LabVIEW software and USRP are used to realize the design. And the feasibility of the design is verified.

GPS signal source; baseband signal; USRP; LabVIE

2015-01-22

國家自然科學基金項目(50875132)

錢建軍(1990-)，男，安徽宣城人，碩士生，研究方向：衛(wèi)星導航理論。Tel.:15691807750;E-mail:609080785@qq.com

陳樹新(1965-)，男，陜西商南人，博士，教授，研究方向：衛(wèi)星導航理論。Tel.:13389271028;E-mail:chenshuxin68@163.com

TN 967.1

A

1006-7167(2015)10-0072-04