基于GPS導航系統的偽衛星信號發射器設計

黃　桂，紀元法，孫希延

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

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基于GPS導航系統的偽衛星信號發射器設計

黃桂，紀元法，孫希延

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

摘要偽衛星技術能夠增強衛星導航定位精度，并能夠進行單獨定位。偽衛星信號發射器是實現偽衛星定位的基礎，通過對偽衛星信號的研究，設計了基于GPS導航系統的單體偽衛星信號發射器，并對其性能進行測試。實驗結果表明，設計的偽衛星信號發射器能夠實時產生偽衛星信號，并且信號頻譜與理論相符，能夠被接收機捕獲跟蹤，滿足實際使用需求。

關鍵詞GPS；偽衛星；信號頻譜；捕獲跟蹤

Design on Pseudolite Signal Transmitter Based on GPS Navigation System

HUANG Gui,JI Yuan-fa,SUN Xi-yan

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

AbstractThe pseudolite technology can enhance the accuracy of satellite navigation,and also be performed separately.The pseudolite signal transmitter is the foundation of implementing pseudolite positioning.By studying pseudolite signals,this paper designs the single pseudolite signal emitter based on GPS navigation system,and performs performance test.The experimental results show that the design of the pseudolite signal transmitter can produce real-time pseudolite signal,of which the spectrum is consistent with theoretical value and the pseudolite signal can be captured and tracked by receiver,so this transmitter can meet the require actual demand.

Key wordsGPS;pseudolite;signal spectrum;acquisition and tracking

0引言

GPS、GLONASS、Galileo以及BD中的任何一種系統，都在一些特殊場合下無法滿足定位要求[1]。例如，在飛機進場方面，全球衛星導航系統(GNSS)在垂直方向的定位精度并不能滿足飛機的精確著陸；在城市中對車輛監控導航方面，GNSS由于受到可見星數目的限制，并不能滿足連續定位的要求。為了彌補GNSS存在的局限性，偽衛星定位技術作為一種解決方案得到了積極的研究[2]。

國內偽衛星產品較少，基于此，利用DSP和FPGA硬件平臺設計了GPS單體偽衛星信號發射器基帶模塊，能夠實時生成數據信息(D碼)，保證信號的連續性；設計了相應的射頻模塊，實現信號的上變頻。偽衛星信號最終可以被接收機捕獲跟蹤，說明了偽衛星發射器的可用性。

1GSP偽衛星信號發射器整體方案

GPS偽衛星信號發射器主要包括基帶模塊和射頻模塊,設計流程如圖1所示[3]。主控站通過FPGA的FIFO將星歷參數注入DSP，DSP實時編寫D碼，并將D碼返回給FPGA；同時，FPGA產生偽碼以及載波，并將偽碼與D碼擴頻后的信號調制到載波上，通過數模轉換器得到20.42 MHz的模擬中頻信號；最后經過射頻上變頻為1 575.42 MHz，并從天線發射出去[4]。

圖1　偽衛星發射器設計流程

2基帶模塊設計

2.1C/A碼發生器設計

CA碼發生器由FPGA實現：① 將CA碼表存入FPGA的內核ROM中；② 通過碼頻率控制字k的累加改變碼NCO值，當碼NCO值溢出時輸出碼表中的一個碼片值；③ 將碼NCO置零，重新累加碼頻率控制字，當碼NCO值溢出時輸出下一個碼片值[5]。C/A碼生成如圖2所示。

圖2　C/A碼生成

對于碼頻率控制字，根據FPGA累加器的大小可以得到溢出值為：236=68 719 476 736。

由于FPGA時鐘頻率是62 MHz ，C/A碼速率是1.023 MHz，所以每個時鐘累加的碼頻率控制字為：

2.2載波發生器設計

載波信號發生器同樣由FPGA實現：① 將正余弦波形相位的幅值存入FPGA的IP核中；② 通過載波頻率控制字k的累加改變載波NCO值；③ 當載波NCO值溢出時，輸出一個相位幅值。載波信號生成如圖3所示。

圖3　載波信號

對于載波頻率控制字，由于基帶信號頻率為20.42 MHz，每個時鐘累加的載波頻率控制字為：

2.3D碼編寫與存儲

D碼的編寫由DSP實時完成，并通過乒乓操作的方法存儲到FPGA中，導航電文存儲如圖4所示[6]。

圖4　D碼存儲

① 在FPGA中定義2個300 bit的寄存器buff1和buff2，并分別預先存儲300 bit的D碼；

② FPGA計算時鐘個數，20 ms到來時，將buff1寄存器中的1 bit D碼與CA碼進行擴頻處理，并由DSP響應FPGA發出的中斷請求計算D碼比特數；

③ FPGA時鐘計數到6 s，將buff2的D碼傳給buff1，然后重新計算時鐘個數，循環步驟②中的操作；

④ FPGA時鐘計算到下一個3 s，DSP開始生成下一幀D碼，然后傳給buff2，循環步驟③ 中的操作。

2.4信號調制設計

信號調制設計中C/A碼與D碼異或相加實現擴頻，擴頻結果navc與載波進行二進制相移鍵控(BPSK)調制，經過數模轉換器輸出20.42 MHz的模擬中頻信號。信號調制波形如圖5所示。

圖5　信號調制

3射頻模塊設計

本文采用超外差方式設計射頻模塊[7]。設計中選擇ADRF6755射頻芯片，參考時鐘首先通過配置得到鑒相鑒頻器的參考信號，其次與分頻器的結果相比較，然后轉換成可以改變壓控振蕩器值的電壓，最后和中頻信號混頻生成射頻信號。

鑒相頻鑒器的參考信號頻率為：

fPFD=fREIN×[(1+D)/(R×(1+T))]。

式中，fREIN為參考時鐘；D為倍頻器位；R為分頻比；T為R/2分頻器位。

分頻器的N分頻值為：

N=(2RFDIV×LO)/fPFD=INT+FRAC/225。

式中，LO為本振頻率；RFDIV為寄存器設置位；INT為整數分頻；FRAC為小數分頻。

由此可知，根據相關寄存器的配置得到分頻器的分頻比。

4實驗結果及分析

本文從3個方面對偽衛星信號發射器進行測試，首先是測試基帶模塊產生的中頻信號；其次測試經過上變頻后的射頻信號；最后從接收機端測試信號的捕獲跟蹤性能。

4.1中頻信號測試

采用頻譜儀測試中頻信號，出現了明顯的波峰，如圖6所示。信號中心頻率為20.42 MHz，主瓣上的能量較大，旁瓣能量逐漸減少，與理論相符。

圖6　中頻信號

4.2射頻信號測試

采用頻譜儀測試射頻信號，如圖7所示。經過射頻后得到的頻率是1 575.42 MHz，與GPS的L1頻點相同，信號可以被GPS接收機接收，滿足設計的要求。

圖7　射頻信號

4.3接收機測試

本文的偽衛星選用26號CA碼，對中頻數據進行捕獲仿真測試分析，如圖8所示。

圖8　軟件接收機捕獲

因為中頻信號直接連接采集模塊，所以仿真結果中噪聲較弱，而相關峰與噪聲基底相比顯然較高，表明捕獲到偽衛星信號[8]。

通過普通商業接收機UBLOX接收射頻發射的信號，如圖9所示。圖9中接收機捕獲跟蹤到了26號偽衛星信號，并且信號功率為44 dB，滿足理論要求，說明了整個設計方案的可行性。

圖9　UBLOX接收機捕獲跟蹤

5結束語

本文通過DSP+FPGA平臺完成了GPS偽衛星信號發射器的設計，由DSP實時生成導航電文，FPGA完成信號調制，最終生成中頻信號；并設計射頻模塊，將20.42 MHz混頻到1 575.42 MHz。通過頻譜儀查看中頻、射頻信號，波峰明顯；用商用接收機能實現對偽衛星的捕獲跟蹤，證明了偽衛星信號發射器的可靠性,為偽衛星定位系統的研究和設計奠定了基礎。

參考文獻

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黃桂男，(1988—)，碩士生。主要研究方向：信號處理、衛星導航。

紀元法男，(1975—)，博士，教授。主要研究方向：信號處理、衛星導航。

作者簡介

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61162007，61271284，61362005)；廣西自然科學基金資助項目(2013GXNSFA019004,PF140909)；廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室主任基金資助項目(GXKL0614102)；廣西研究生教育創新計劃資助項目。

收稿日期：2015-12-24

中圖分類號TP228.4

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0068-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.19

引用格式：黃桂,紀元法,孫希延.基于GPS導航系統的偽衛星信號發射器設計[J].無線電工程,2016,46(3):68-70.