錢(qián)建軍， 陳樹(shù)新

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710000)

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·計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于USRP的GPS基帶信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢(qián)建軍， 陳樹(shù)新

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710000)

介紹了GPS信號(hào)源的現(xiàn)狀，分析了GPS信號(hào)源設(shè)計(jì)中目前被廣泛采用的中頻信號(hào)源結(jié)構(gòu)，得出該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜并且不利于教學(xué)的結(jié)論。針對(duì)國(guó)家級(jí)軍用導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)課程，提出了使用基于DQUC(直接正交上變頻技術(shù))的GPS基帶信號(hào)源實(shí)現(xiàn)方案。分析了信號(hào)源的組成模塊，對(duì)信號(hào)源的各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了介紹。針對(duì)參數(shù)更新頻率較低以及基帶信號(hào)發(fā)生帶來(lái)的計(jì)算量過(guò)大等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了解決方案。同時(shí)采用LabVIEW軟件與USRP(通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)),實(shí)現(xiàn)的結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

GPS信號(hào)源； 基帶信號(hào)； USRP； LabVIEW

0 引 言

GPS(Global Positioning System)是目前全球范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的導(dǎo)航系統(tǒng)。在GPS接收機(jī)的研發(fā)過(guò)程中，GPS信號(hào)源可以為研發(fā)者提供不同環(huán)境下的GPS信號(hào)，加速了GPS的發(fā)展。同時(shí)作為實(shí)驗(yàn)室儀器它也有著很好的應(yīng)用價(jià)值，被很多導(dǎo)航相關(guān)院校所采用。國(guó)內(nèi)部分院校與研究機(jī)構(gòu)對(duì)該領(lǐng)域研究比較深入，有一定的相關(guān)成果。目前已有的產(chǎn)品多采用中頻信號(hào)發(fā)射方案[1-3]，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜，在參數(shù)生成、中頻信號(hào)發(fā)生等模塊設(shè)計(jì)上不夠直觀(guān)，不利于教學(xué)。本文對(duì)目前被廣泛采用的GPS信號(hào)源設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，圍繞國(guó)家級(jí)軍用導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的衛(wèi)星導(dǎo)航教學(xué)課程，根據(jù)DQUC技術(shù)提出基于LabVIEW與USRP的GPS基帶信號(hào)源設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作。同時(shí)利用LabVIEW這種簡(jiǎn)單、直觀(guān)的編程方法使其基帶設(shè)計(jì)更加容易理解，提升了導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

1 GPS信號(hào)產(chǎn)生方案比較

GPS分別在L1、L2頻段上發(fā)射信號(hào)，其中L1頻率為1 575.42 MHz，由P碼與C/A碼來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制；L2頻率1 227.6 MHz完全由P碼來(lái)調(diào)制。而P碼僅授權(quán)特許用戶(hù)使用，因此對(duì)于GPS信號(hào)源研發(fā)來(lái)說(shuō)，只需考慮L1頻點(diǎn)的C/A碼擴(kuò)頻信號(hào)[4]。其發(fā)射端表達(dá)式為：

(1)

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

(2)

其中:τi為衛(wèi)星信號(hào)碼相位延時(shí);fid為衛(wèi)星信號(hào)的載波頻偏;θi為載波初相[5]。GPS信號(hào)源就是要精確仿真以上接收端信號(hào)模型，尤其是要能準(zhǔn)確地仿真時(shí)延以及多普勒頻偏。GPS信號(hào)源主要采用軟件無(wú)線(xiàn)電理論來(lái)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。根據(jù)軟件無(wú)線(xiàn)電原理，信號(hào)發(fā)射機(jī)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(duì)GPS信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)來(lái)對(duì)兩種方案進(jìn)行分析。

1.1 中頻信號(hào)發(fā)生方案

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的GPS信號(hào)源大都采用中頻信號(hào)發(fā)生方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。中頻信號(hào)表達(dá)式為：

(3)

其中,電文、C/A碼、幅度參數(shù)AIFi、頻偏fid與碼相位延時(shí)τi由計(jì)算機(jī)來(lái)生成或由計(jì)算機(jī)輔助DSP生成。由于中頻頻率較高一般為數(shù)十MHz，同時(shí)計(jì)算量比較大，因此要采用FPGA單獨(dú)作為中頻信號(hào)發(fā)生單元。延時(shí)、頻偏等相關(guān)參數(shù)由DSP或其他處理器控制傳輸至中頻信號(hào)發(fā)生單元來(lái)完成信號(hào)的數(shù)字調(diào)制。生成的數(shù)字中頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)后續(xù)的數(shù)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(hào)的發(fā)生。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖一般為如圖1形式。

圖1 GPS中頻信號(hào)源結(jié)構(gòu)

從以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，中頻信號(hào)發(fā)生方案雖然是基于軟件無(wú)線(xiàn)電的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS射頻信號(hào)的發(fā)生，但需采用芯片單獨(dú)作為中頻信號(hào)發(fā)生模塊，產(chǎn)生的中頻信號(hào)還需經(jīng)過(guò)中頻放大、濾波、變頻處理，其硬件開(kāi)銷(xiāo)比較大。另一方面，采用此方法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源，其核心中頻部分由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度來(lái)看，該實(shí)現(xiàn)方法不夠直觀(guān)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

1.2 基帶信號(hào)發(fā)生方案

基帶信號(hào)也可稱(chēng)之為零中頻信號(hào)，它是將實(shí)信號(hào)進(jìn)行正交采樣后得到的結(jié)果。信號(hào)存在正譜和負(fù)譜，在采樣時(shí)，正負(fù)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(dāng)于對(duì)一個(gè)通過(guò)希爾伯特變換的解析信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)無(wú)需考慮負(fù)譜延拓分量產(chǎn)生的混疊。實(shí)際中希爾伯特變換實(shí)現(xiàn)較難，因此采用正交采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在同相與正交兩條支路上分別進(jìn)行速率為fs=B的采樣就可以消除混疊現(xiàn)象[7],B為民用信號(hào)帶寬。

基于以上理論，可以考慮先生成GPS基帶信號(hào)，再利用直接正交上變頻技術(shù)(DQUC)來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的發(fā)生。對(duì)接收機(jī)前端信號(hào)進(jìn)行正交分解可得：

(4)

設(shè)采樣率為fs=1/Ts，多顆衛(wèi)星的數(shù)字基帶信號(hào)如下式所示：

(5)

GPS信號(hào)中C/A碼擴(kuò)頻部分對(duì)應(yīng)的帶寬為C/A碼碼率的2倍2.046 MHz。考慮接收端信號(hào)存在頻率偏移，靜止或地動(dòng)態(tài)用戶(hù)接收信號(hào)會(huì)受到衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的±5 kHz內(nèi)的頻偏，而高動(dòng)態(tài)下會(huì)存在不超過(guò)±10 kHz范圍的頻偏，對(duì)信號(hào)的帶寬影響不大。因此產(chǎn)生基帶信號(hào)的采樣速率fs≈2.046 MS/s即可。

對(duì)于低采樣速率的基帶信號(hào)，如果仍舊使用FPGA芯片來(lái)專(zhuān)用作基帶信號(hào)的發(fā)生無(wú)疑是一種浪費(fèi)。因此可將基帶信號(hào)生成也使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。而接口控制、數(shù)字上變頻(Digital Up Converter,DUC)正交上變頻部分則使用通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)(Universal Software Radio Platform,USRP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)GPS信號(hào)源系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 GPS基帶信號(hào)源結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于采用了USRP來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的前端處理，因此信號(hào)源的設(shè)計(jì)工作主要集中在基帶信號(hào)的發(fā)生部分?；鶐Р糠植捎肔abVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)， LabVIEW作為一種圖形化的編程方法，有著編程簡(jiǎn)單易懂，運(yùn)行方便的優(yōu)點(diǎn)，LabVIEW所產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)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(gè)工作過(guò)程主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成。

圖3 單顆衛(wèi)星基帶信號(hào)發(fā)生框圖

2.1 星歷數(shù)據(jù)讀取

由于不涉及場(chǎng)景設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)中所采用導(dǎo)航電文采用觀(guān)測(cè)站所公布的GPS衛(wèi)星、星歷數(shù)據(jù)來(lái)生成。過(guò)去的每一天的星歷都可在互聯(lián)網(wǎng)上下載，格式采用標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式，從每日的零點(diǎn)起每?jī)尚r(shí)提供一整套新的星歷數(shù)據(jù)[8-9]。星歷抽取模塊會(huì)根據(jù)所發(fā)送信號(hào)對(duì)應(yīng)的GPS時(shí)來(lái)選擇對(duì)應(yīng)時(shí)段的整套星歷,每套星歷的有效時(shí)間是以參考時(shí)間toe為中心的4 h之內(nèi)。所讀取的星歷存儲(chǔ)后等待選星結(jié)果來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 選 星

由于衛(wèi)星數(shù)目是可設(shè)置的，因此信號(hào)源需要根據(jù)用戶(hù)的位置、當(dāng)前時(shí)間來(lái)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(shè)計(jì)中直接采用最佳選星法來(lái)實(shí)現(xiàn)選星過(guò)程。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1) 判決星歷中的可見(jiàn)星(相對(duì)用戶(hù)仰角為5°以上的衛(wèi)星);

(2) 從可見(jiàn)星中選所需數(shù)目的所有可能組合;

(3) 對(duì)所有衛(wèi)星組合的GDOP值進(jìn)行計(jì)算，并選出其中最小的組合作為最佳星。

2.3 組織導(dǎo)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(duì)應(yīng)編號(hào)。導(dǎo)航電文生成模塊根據(jù)收到的衛(wèi)星編號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星星歷并將星歷寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀中。導(dǎo)航電文是按照固定幀格式形成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。文件(IS-GPS-200H)中有其具體格式與C/A碼生成方法的詳細(xì)描述。

2.4 延時(shí)與頻偏參數(shù)

延時(shí)與頻偏參數(shù)的生成是信號(hào)源中的最關(guān)鍵模塊之一。式(4)中的時(shí)間t指的是各顆衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)前端的時(shí)間[12-13]，不能將此時(shí)間參數(shù)作為確定衛(wèi)星發(fā)射時(shí)位置的時(shí)間參數(shù)。要確定每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)信號(hào)的發(fā)射時(shí)間，需要通過(guò)迭代的方法來(lái)進(jìn)行遞推。本設(shè)計(jì)所采用的做法是以當(dāng)前要模擬的接收信號(hào)時(shí)間tr作為衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻tt，計(jì)算出衛(wèi)星坐標(biāo)，進(jìn)而算出衛(wèi)星到用戶(hù)間的距離，距離轉(zhuǎn)化為時(shí)延后用發(fā)射時(shí)間減去傳輸時(shí)延作為發(fā)射時(shí)間再次帶入衛(wèi)星坐標(biāo)。兩次迭代之間要進(jìn)行誤差判決，并設(shè)定一門(mén)限值當(dāng)差值小于此門(mén)限則停止迭代。

另一方面,由于地球自轉(zhuǎn)的影響，衛(wèi)星在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻與接收時(shí)刻所處的ECEF坐標(biāo)系會(huì)有所區(qū)別，忽視這種影響會(huì)造成約50 m的偽距誤差[14-15]。因此利用發(fā)射時(shí)間確定衛(wèi)星位置后，要將衛(wèi)星坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以確定其在接收時(shí)刻坐標(biāo)系中的位置。

整個(gè)模塊涉及到多次的衛(wèi)星位置的計(jì)算以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，因此計(jì)算量很大。為了減少計(jì)算量在設(shè)計(jì)參數(shù)的更新頻率時(shí)，采用每0.01 s進(jìn)行一次計(jì)算。同時(shí)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(hào)合成

基帶信號(hào)模塊依照式(5)來(lái)進(jìn)行數(shù)字基帶信號(hào)的發(fā)生。工作過(guò)程如下：

(1) 根據(jù)當(dāng)前采樣時(shí)刻索引對(duì)應(yīng)的幅度、延時(shí)與頻偏參數(shù)。

(2) 用采樣時(shí)刻減去延時(shí)作為C/A碼與D碼的索引參數(shù)來(lái)確定當(dāng)前碼片值。

(3) 將幅度、延時(shí)與頻偏參數(shù)代入到公式(5)中計(jì)算相應(yīng)的正交與同相數(shù)字載波。

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

(5) 計(jì)算多顆衛(wèi)星基帶疊加值，并將結(jié)果傳輸至隊(duì)列當(dāng)中等待寫(xiě)入U(xiǎn)SRP完成上變頻。

2.6 基帶發(fā)生速率

本設(shè)計(jì)中隊(duì)列中可存儲(chǔ)的基帶信號(hào)由計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小來(lái)決定。一旦內(nèi)存中的基帶信號(hào)全部發(fā)送完畢，而新的基帶信號(hào)卻未能生成，那么USRP則會(huì)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(shù)據(jù)率。

由于采用軟件實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)字信號(hào)，每一采樣時(shí)刻要計(jì)算多顆衛(wèi)星的基帶信號(hào)再進(jìn)行疊加，這一過(guò)程帶來(lái)了計(jì)算量的增加。為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能、提升基帶數(shù)據(jù)發(fā)生速率、避免內(nèi)存中數(shù)據(jù)耗盡，此處利用LabVIEW在實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程上的優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)了多核計(jì)算基帶信號(hào)偶數(shù)時(shí)刻與奇數(shù)時(shí)刻的樣值。過(guò)程如圖4所示。

圖4 多線(xiàn)程基帶信號(hào)發(fā)生

3 運(yùn)行與驗(yàn)證

驗(yàn)證過(guò)程使用手機(jī)終端來(lái)驗(yàn)證信號(hào)源發(fā)送的GPS信號(hào)能否被識(shí)別。手機(jī)終端自帶GPS接收模塊，軟件方面使用GPS Test來(lái)分析信號(hào)。信號(hào)源設(shè)定載波頻率為1 575.42 MHz，基帶數(shù)據(jù)傳輸速率為2 MS/s，星歷起始時(shí)刻為UTC時(shí)間14年3月22日0時(shí)，發(fā)生衛(wèi)星數(shù)目設(shè)置為8顆，用戶(hù)位置34°N,108°E。啟動(dòng)上位機(jī)中的基帶信號(hào)發(fā)生程序，確定信號(hào)已發(fā)送后，觀(guān)察發(fā)現(xiàn)該時(shí)段最佳衛(wèi)星PRN被選為2,5,9,18,21,26,29。

通過(guò)手機(jī)GPS Test終端查看定位結(jié)果如圖5所示，與設(shè)置坐標(biāo)對(duì)比存在微小的誤差，在可接受范圍內(nèi)。衛(wèi)星星座如圖6所示，識(shí)別出的GPS衛(wèi)星序號(hào)與發(fā)送端一致為7顆。發(fā)射與設(shè)置衛(wèi)星數(shù)目相比少一顆，其原因可能為發(fā)射時(shí)可見(jiàn)星數(shù)目為7顆。

圖5 GPSTest定位坐標(biāo)圖6 GPSTest星座顯示

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，采用了USRP與LabVIEW結(jié)合開(kāi)發(fā)方式，使GPS信號(hào)模擬源設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)變?yōu)樵贚abVIEW上的軟件設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了GPS模擬源的設(shè)計(jì)工作量。采用數(shù)字基帶信號(hào)合成的方式保證了模擬器信號(hào)精度和通道一致性，最終實(shí)現(xiàn)的信號(hào)源可以滿(mǎn)足接收機(jī)的部分測(cè)試需求。信號(hào)源設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)潔、直觀(guān)易懂，于導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50875132)

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

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

TN 967.1

A

1006-7167(2015)10-0072-04