SDR在GNSS相關課程教學中的應用探索

摘要：GNSS課程教學中，信號相關的實驗設備較為匱乏。本文通過以SDR設備作為核心，并結合其他射頻部件，同時配合開發相應的軟件，實現了一種多功能的GNSS射頻信號實驗平臺，該平臺具備GNSS信號錄制與回放功能。借助于該平臺，以往那些價格昂貴的GNSS射頻信號錄制與回放設備和模擬器也成為了通用的教學設備，學生可以自行操作并可以進一步開發擴展，使學生可以更深入地理解GNSS原理，方便驗證算法，提高了學生動手能力，并做到學以致用。

關鍵詞：GNSS課程；GNSS信號錄制與回放設備；GNSS信號模擬器；軟件無線電

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0050-03

隨著我國北斗系統的發展以及各個行業對導航定位需求的提高，GNSS相關課程在測繪相關專業中的重要性日益凸現。而在這些課程的教學實驗中，相關教學演示儀器卻極為缺乏。例如，在GNSS 接收機原理課程中，由于GNSS接收機都是封閉結構，學生難以對其有深層接觸[1]；而在很多教學或者實驗實習中，經常需要使用GNSS信號錄制與回放設備對同一個GNSS信號進行多次回放，或者模擬特殊場景（例如高緯度、高動態、高加速度、高海拔等）以對不同接收機或者不同算法進行對比驗證，而目前這類設備的價格都比較昂貴，數量很少，無法滿足教學試驗的要求。而通過對軟件無線電平臺（SDR）的開發利用，可以有效解決這些問題。SDR在最近幾年發展十分迅速，市場上出現了多種架構、價格不同的SDR平臺，許多科研單位都開始是用SDR平臺進行研究。但是SDR平臺僅僅提供了十分有限的基本功能，必須對其進行深度的開發才能符合教學科研的要求。本文結合教學實踐，在以前的工作基礎上[1]，通過對幾種SDR平臺進行對比，探索出一種GNSS射頻信號實驗平臺。該平臺具有GNSS射頻信號錄制與回放功能，如再輔以相關軟件，即可實現GNSS信號模擬器的功能，其成本低，結構簡單， 經使用效果良好，滿足教學實驗要求，還適合科學研究、生產測試等應用。

1 原理與設計

目前的GNSS信號主要包括北斗（BDS）、GPS、GLONASS、伽里略（Galileo）、QZSS和IRNSS。目前，GPS系統的應用較廣，而BDS系統的前景更加引人關注。目前在教學中，主要研究對象是GPS與BDS。因此本文描述的實驗平臺的基本功能是GPS和BDS信號的錄制回放。

本文主要探討的是GNSS信號的錄制與回放，在能夠完成信號錄制與回放的基礎上，只需要再開發相應的GNSS中頻信號產生軟件，即可實現GNSS信號的模擬功能。

民用GPS信號又包含L1，L2，L5三個頻點，BDS的被動定位系統也包含B1，B2，B3三個頻點。在這幾個頻點中，目前應用較廣的主要是GPS的L1和L2與BDS的B1。因此本文的設計目的也就是對GPS L1/L2和BDS B1進行錄制與回放。表1是這三個信號的中心頻率、信號帶寬、民用接收機通常的帶寬。

可見，三個頻段覆蓋的帶寬已經超過350MHz，而目前任何SDR平臺都無法滿足直接采樣的需求。

在研究三個頻段的關系后，可以知道這三個頻段并非是連續的，其有效總帶寬只有26MHz，中間的300多MHz實際上并不需要，因此所使用的SDR帶寬需要大于26MHz。在綜合考慮價格與性能后，選擇BladeRF x40作為核心設備。同時提出了如下變頻法壓縮帶寬的方法：

設本振頻率為flo，L1，L2，B1的中心頻率分別為fL1，fL2，fB1，且flo

和頻：

f1=fL1+flo=1575.42+flo

f2=fL2+flo=1227.6+flo

f3=fB1+flo=1561.098+flo

差頻：

f4=fL1-flo=1575.42-flo

f5=fL2-flo=1227.6-flo

f6=fB1-flo=1561.098-flo

只要選擇合適的flo，就可以在以上產生的6個混頻信號中，得到3個頻率間距足夠小的信號。為了縮短三個頻點的間距，應選擇一個和頻f2即1227.6+flo和兩個差頻f4即1575.42-flo、f6即1561.098-flo。而此時的總帶寬縮至：

f4-f2+1+10=358.82-2flo

上式中1和10分別為L1和L2的有效帶寬的一半。

在回放的時候，再次將這三個頻點（f2、f4、f6）的信號與flo混頻，從而將信號還原。此時混頻得到的信號也有6個：

和頻：

f7=f2+flo=1227.6+flo+flo=1227.6+2flo

f8=f4+flo=1575.42-flo+flo=1575.42

f9=f6+flo=1561.098-flo+flo=1561.098

差頻：

f10=f2-flo=1227.6+flo-flo=1227.6

f11=f4-flo=1575.42-flo-flo=1575.42-2flo

f12=f6-flo=1561.098-flo-flo=1561.098-2flo

可見，和頻f8、f9與差頻f10正是需要的fL1，fL2，fB1，此外還有三個多余的鏡像信號。圖2展示了當flo設置為160MHz的時候，原始信號（a）、混頻采集后的信號（b）以及混頻回放后的信號（c）之間的關系。在c中，實現為所需要的信號，點劃線為鏡像信號。

在通過變頻，選擇合適的和頻與差頻將有效帶寬縮窄后，信號總帶寬被縮窄到40Mhz以內，即可進行數據錄制與回放。

本振頻率選定后，即可選定相關器件搭建信號錄制與回放設備硬件部分，再配合開發相應的軟件即可完成GNSS信號錄制與回放以及GNSS信號模擬功能。[2-3]

2 具體實現

圖3是根據以上原理搭建的L1/L2/B1三頻GNSS射頻信號實驗平臺結構示意圖。

平臺由接收天線ANTRX，低噪聲放大器LNA，射頻開關RFSWITCH，混頻器MIXER，本振Local OSC，濾波器FILTER，外部參考時鐘EXT REF CLOCK，SDR平臺SDR KIT，控制和存儲電腦COMPUTER， I/O擴展器I/O EXT BOX，程控可調衰減器ATT，以及發射天線ANT TX構成。

控制和存儲電腦上運行的程序非常重要，除了具備人機交互功能外，控制SDR平臺的操作和I/O擴展器以實現不同的功能均由該程序完成。對于GNSS信號的錄制與回放功能，實現起來相對簡單。而對于GNSS信號模擬，需要首先讀取星歷，確定模擬的坐標和時間，判斷可見衛星，并根據星歷中的軌道數據反算可見衛星的位置、速度、多普勒、衰減等信息，同時生成導航電文，合成基帶數據，最后由SDR發射出去。[4，5，6，8]

如果要避免信號回放的時候對其他設備造成干擾，則應采用電纜耦合的方式，不要將信號送至發射天線。

3 性能評估測試

為驗證本GNSS射頻信號實驗平臺的性能，用以下方法對設備進行基本測試：

（1）用功率分配器將GNSS接收天線接收來的真實GNSS信號分成兩路，一路給GNSS接收機，另一路給本設備；（2）觀察接收機的接收情況，同時打開接收機的數據記錄功能，進行定位數據以及星座信息的記錄；（3）則啟動本設備進行數據采集，錄制信號，并保持10分鐘；（4）斷開GNSS接收天線，冷啟動GNSS接收機；（5）將本設備的輸出接到GNSS接收機上，進行信號的回放，再次記錄GNSS接收機的定位數據以及星座信息；（6）反復進行步驟5，對比結果。（7）停止回放，冷啟動GNSS接收機；（8）設定好坐標和時間，用本平臺生成GNSS射頻信號；（9）觀察GNSS接收機的捕獲、跟蹤、定位過程；（10）檢查GNSS接收機所接收到的衛星信息以及定位信息、時間信息是否與步驟8中設定的一致。

圖4的a與b分別為信號錄制期間與回放期間接收機的PC端程序運行截圖，運行的SDR平臺是廉價的Hackrf?？梢钥闯?，錄制后回放的信號在接收機上的表現，與原始信號相比，除了信號強度比原來的信號略有降低，并進一步導致CNR較低的衛星無法跟蹤外，其余均可滿足教學實驗與一般測試要求。在這兩個截圖中，反映出的定位精度大約有10米差異，符合單點定位的精度水平。

4 結語

本文中設計的GNSS射頻信號實驗平臺，具備成本低廉，結構簡單，性能穩定的特點，其成本幾乎僅僅是市場常見設備的1/50到1/100，可以滿足教學實驗、接收機研發與生產、算法驗證等多種場合的需求，而且平臺基于SDR，其軟硬件都比較透明，學生可以自主進行功能擴展，在整個設備的研制中，有多名學生參與進行軟件與硬件的設計與制作，促進了學生對理論的理解，也提高了實踐能力。由于試驗平臺仍然處于不斷的改進過程中，因此也存在一些問題，例如，采集的數據文件比較大，這樣對存儲系統的要求就會過于苛刻，容易造成信號不連續。由于GNSS信號實際上并不需要如此寬的位寬進行采集存儲，太寬的位寬提高了成本和資源消耗，而對于性能的提高有限[7]，因此，將來擬對數據進行預處理，通過減小位寬來減少數據量，這樣一來，將更有助于降低成本，提高實用性。

參考文獻

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[8]張濤. GNSS信號錄制與回放設備的研制與應用[J].全球定位系統，2018，43（3），45-50.