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        基于樹莓派的軟件無線電體制GPS信號(hào)模擬器

        2018-10-31 10:49:24李振華劉劍光廖有幸

        李振華 劉劍光 廖有幸

        摘要:本文以樹莓派嵌入式系統(tǒng)板作為運(yùn)算處理核心,構(gòu)建了軟件無線電體制的GPS信號(hào)模擬器。通過使用OpenMP并行計(jì)算加速技術(shù),提高了基帶信號(hào)的產(chǎn)生效率,實(shí)現(xiàn)了12通道基帶GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)產(chǎn)生和傳輸;通過使用Web動(dòng)態(tài)交互技術(shù),實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的設(shè)備遠(yuǎn)程控制管理。并且利用北斗星通天璇 C200-AT導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)模擬器輸出信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能和輸出信號(hào)的有效性。

        關(guān)鍵詞:GPS模擬器;樹莓派;軟件無線電;OpenMP

        中圖分類號(hào):TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2018)06-0090-03

        1 引言

        GPS信號(hào)模擬器能夠直接產(chǎn)生具備解調(diào)定位性能的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)來說,GPS信號(hào)模擬器產(chǎn)生的導(dǎo)航信號(hào)與衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)無異。通過跟蹤解調(diào),接收機(jī)能夠按照GPS信號(hào)模擬器的設(shè)定輸出期望的定位結(jié)果。GPS信號(hào)模擬器在導(dǎo)航接收機(jī)和導(dǎo)航干擾裝備研發(fā)測(cè)試、導(dǎo)航系統(tǒng)仿真研究等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近年來,隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展,利用軟件算法替代傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)極大提高了無線電系統(tǒng)的功能和靈活性,同時(shí)簡(jiǎn)化了無線電系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度,降低了成本。本文圍繞GPS信號(hào)模擬器的工作原理,利用樹莓派嵌入式系統(tǒng)板作為運(yùn)算處理中心,利用OpenMP技術(shù)提高運(yùn)算效率,利用Web技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制管理,構(gòu)建了軟件無線電體制的GPS信號(hào)模擬器,實(shí)現(xiàn)了12通道的L1頻點(diǎn)CA碼信號(hào)實(shí)時(shí)產(chǎn)生,并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

        2 組成原理

        GPS信號(hào)模擬器的主要功能是根據(jù)設(shè)定的時(shí)間和位置信息,結(jié)合對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)產(chǎn)生并調(diào)制形成對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航射頻信號(hào)。本文中的GPS信號(hào)模擬器采用軟件無線電的體制構(gòu)建,由軟件計(jì)算產(chǎn)生輸出信號(hào)的基帶波形,再通過DA和射頻調(diào)制電路形成射頻信號(hào)。系統(tǒng)在硬件上主要由兩部分組成:樹莓派嵌入式系統(tǒng)板和DA發(fā)射板,如圖1所示。

        樹莓派嵌入式系統(tǒng)板主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信和基帶GPS信號(hào)的產(chǎn)生。樹莓派系統(tǒng)板采用三代“B+”型號(hào),運(yùn)行嵌入式linux系統(tǒng),具有一顆4核心的ARM A53處理器,1GB內(nèi)存容量,4個(gè)USB2.0接口,WiFi接口以及百兆以太網(wǎng)接口。樹莓派系統(tǒng)板運(yùn)行nginx web服務(wù)器程序,模擬器的位置、時(shí)間等工作參數(shù)通過編寫的Web服務(wù)頁(yè)面經(jīng)行設(shè)定。樹莓派系統(tǒng)板通過WiFi或有線以太網(wǎng)接口連接互聯(lián)網(wǎng),從FTP站點(diǎn)自動(dòng)下載所需星歷數(shù)據(jù)。樹莓派系統(tǒng)板上的基帶信號(hào)產(chǎn)生程序根據(jù)獲得的參數(shù)設(shè)定,計(jì)算產(chǎn)生包括所有可見衛(wèi)星在內(nèi)的導(dǎo)航信號(hào)的基帶數(shù)據(jù),并通過USB接口發(fā)送給DA發(fā)射板。

        DA發(fā)射板主要負(fù)責(zé)基帶導(dǎo)航數(shù)據(jù)的接收、DA變換以及射頻調(diào)制,產(chǎn)生所需頻點(diǎn)的射頻導(dǎo)航信號(hào)。DA發(fā)射板主要由USB接口電路、FPGA、DAC、本振、正交調(diào)制器、濾波器、放大器組成。USB接口電路接收基帶信號(hào)數(shù)據(jù);FPGA對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖,并通過計(jì)數(shù)采樣點(diǎn)的方式產(chǎn)生秒脈沖(PPS)信號(hào);DAC芯片將FPGA緩沖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào);濾波器對(duì)鏡像頻率進(jìn)行抑制;本振產(chǎn)生GPS L1頻點(diǎn)的載波信號(hào);正交調(diào)制器將基帶信號(hào)調(diào)制到載波上; 放大器對(duì)射頻信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)整。

        3 信號(hào)的產(chǎn)生

        導(dǎo)航信號(hào)的產(chǎn)生分為基帶信號(hào)產(chǎn)生和射頻信號(hào)產(chǎn)生兩部分。射頻信號(hào)產(chǎn)生只是利用調(diào)制器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的頻譜搬移,而基帶信號(hào)產(chǎn)生包含了星歷參數(shù)提取、GPS時(shí)間計(jì)算、衛(wèi)星位置計(jì)算、偽距計(jì)算、多普勒頻率計(jì)算、導(dǎo)航電文生成、偽碼生成、基帶調(diào)制等諸多環(huán)節(jié),是模擬器信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)鍵。

        基帶信號(hào)的產(chǎn)生完全由軟件在樹莓派Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)。軟件采用C語(yǔ)言編程開發(fā)。軟件主要的工作流程如圖2。軟件采多線程方式工作,同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)發(fā)送線程。數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程按100ms時(shí)間步進(jìn)不斷計(jì)算衛(wèi)星位置,刷新信號(hào)相位、導(dǎo)航電文等基帶調(diào)制參數(shù),產(chǎn)生一個(gè)個(gè)100ms基帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊,并將數(shù)據(jù)塊寫入緩存。數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)相位和電文bit,每100ms刷新信號(hào)多普勒頻率相位和導(dǎo)航電文幀,每30s重新計(jì)算可見星,刷新產(chǎn)生數(shù)據(jù)的衛(wèi)星列表。發(fā)送線程根據(jù)緩存數(shù)據(jù)的狀態(tài)按照設(shè)定的數(shù)據(jù)包大小,將數(shù)據(jù)通過USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送。

        基帶信號(hào)的產(chǎn)生需要按照采樣率計(jì)算每一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)值,并同時(shí)計(jì)算所有可見衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)。通常情況下地面任一地點(diǎn)、任一時(shí)刻的GPS可見星數(shù)量都在8至12顆,因此基帶信號(hào)的產(chǎn)生涉及大量計(jì)算工作。樹莓派嵌入式系統(tǒng)板雖然具備一顆4核心的ARM A53處理器,但處理性能仍然較低,在傳統(tǒng)的串行運(yùn)算流程下無法實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)產(chǎn)生,導(dǎo)致USB數(shù)據(jù)傳輸斷流,無法實(shí)現(xiàn)期望的GPS信號(hào)。為了解決這一問題,本文采用OpenMP并行計(jì)算編程技術(shù),對(duì)基帶信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行加速。

        OpenMP是一種基于共享存儲(chǔ)的多處理器系統(tǒng)或多核處理器系統(tǒng)并行編程模型。它提供了一套與平臺(tái)無關(guān)的編譯指導(dǎo)語(yǔ)句、庫(kù)函數(shù)和環(huán)境變量,能夠以線程為基礎(chǔ)對(duì)串行程序進(jìn)行并行化處理。OpenMP并行程序以一個(gè)主線程開始執(zhí)行,在需要并行處理時(shí)創(chuàng)建多個(gè)子線程并行執(zhí)行,當(dāng)程序并行執(zhí)行結(jié)束后,各個(gè)子線程將終止,而主線程將繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的代碼。

        基帶信號(hào)產(chǎn)生的并行加速處理可以利用OpenMP技術(shù)從橫向縱向兩個(gè)層面進(jìn)行。橫向?qū)用?,并行?jì)算所有可見衛(wèi)星的基帶信號(hào),相當(dāng)于同時(shí)開啟多個(gè)計(jì)算線程且每個(gè)計(jì)算線程對(duì)應(yīng)一顆可見衛(wèi)星的信號(hào)計(jì)算??v向?qū)用妫谛盘?hào)合路相加時(shí)將基帶信號(hào)的產(chǎn)生按時(shí)間先后關(guān)系劃分成若干段,并行開啟多個(gè)線程,每個(gè)線程負(fù)責(zé)其中一段信號(hào)的計(jì)算。部分算法示意如圖3所示。

        4 網(wǎng)絡(luò)控制

        樹莓派系統(tǒng)板運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng),能夠提供豐富的網(wǎng)絡(luò)支撐。本文中的GPS信號(hào)模擬器通過Web技術(shù)進(jìn)通信實(shí)現(xiàn)控制管理功能。系統(tǒng)中利用nginx軟件建立Web服務(wù)器,采用HTML、PHP、JavaScript、AJAX技術(shù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)Web服務(wù)頁(yè)面。使用者通過瀏覽器訪問模擬器控制網(wǎng)頁(yè),設(shè)定時(shí)間、位置等信息并提交頁(yè)面;服務(wù)器端利用PHP解釋器解析提交的信息,提取出設(shè)定的時(shí)間日期;然后通過Linux系統(tǒng)Shell腳本自動(dòng)在互聯(lián)網(wǎng)上下載對(duì)應(yīng)的GPS星歷文件;之后調(diào)用基帶信號(hào)產(chǎn)生程序,同時(shí)將時(shí)間、位置、星歷文件以調(diào)用參數(shù)的形式傳遞;基帶信號(hào)產(chǎn)生程序?qū)崟r(shí)產(chǎn)生信號(hào)波形并發(fā)送給DA發(fā)射板;基帶信號(hào)產(chǎn)生程序的工作狀態(tài)通過AJAX技術(shù)動(dòng)態(tài)反饋給用戶控制頁(yè)面。

        Web構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)控制方式賦予了模擬器控制極大的靈活性。Web技術(shù)具有跨平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),具備網(wǎng)頁(yè)瀏覽能力的設(shè)備都可以通過訪問網(wǎng)頁(yè)的方式接入信號(hào)模擬器,控制管理設(shè)備的工作??梢酝ㄟ^WiFi方式方便的使用PC、平板電腦、智能手機(jī)等終端對(duì)模擬器進(jìn)行管理控制。

        5 測(cè)試結(jié)果

        GPS信號(hào)模擬器輸出的信號(hào)利用北斗星通天璇C200-AT導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示,C200-AT接收機(jī)能夠正確識(shí)別所產(chǎn)生的導(dǎo)航信號(hào),接收機(jī)能夠正確定位到所設(shè)定的位置坐標(biāo),證明模擬器輸出信號(hào)有效工作正常。如圖4所示。

        6 結(jié)語(yǔ)

        本文以樹莓派嵌入式系統(tǒng)板作為運(yùn)算控制核心,利用OpenMP并行運(yùn)算加速、AJAX動(dòng)態(tài)web頁(yè)面等技術(shù)構(gòu)建了軟件無線電體制GPS信號(hào)模擬器,實(shí)現(xiàn)了GPS系統(tǒng)L1 CA碼信號(hào)的模擬產(chǎn)生,并利用北斗星通天璇C200-AT導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、管控方式靈活的特點(diǎn),可以用于導(dǎo)航接收機(jī)研發(fā)測(cè)試、導(dǎo)航干擾裝備研發(fā)測(cè)試、導(dǎo)航系統(tǒng)仿真研究等領(lǐng)域。

        參考文獻(xiàn)

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        Abstract:This paper constructs the GPS signal simulator under the software defined radio architecture by using the Raspberry-Pi embedded system board as the core of operation processing. With OpenMP parallel compute acceleration technology, the generating efficiency of baseband signal is improved, the real-time generation and transmission of 12-channel baseband GPS signal is realized, and the remote control management of this simulator is realized through the use of web dynamic interaction technology. And using the C200-AT navigation receiver to test the output signal of the simulator, the test results verify the function of the simulator and the validity of the output signal.

        Key words:GPS signal simulator; Raspberry-PI; software defined radio; OpenMP

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