基于樹莓派的軟件無線電體制GPS信號模擬器

李振華 劉劍光 廖有幸

摘要：本文以樹莓派嵌入式系統板作為運算處理核心，構建了軟件無線電體制的GPS信號模擬器。通過使用OpenMP并行計算加速技術，提高了基帶信號的產生效率，實現了12通道基帶GPS信號的實時產生和傳輸；通過使用Web動態交互技術，實現了跨平臺的設備遠程控制管理。并且利用北斗星通天璇 C200-AT導航接收機對模擬器輸出信號進行了測試，測試結果驗證了系統的功能和輸出信號的有效性。

關鍵詞：GPS模擬器；樹莓派；軟件無線電；OpenMP

中圖分類號：TN96 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0090-03

1 引言

GPS信號模擬器能夠直接產生具備解調定位性能的衛星導航信號。對導航接收機來說，GPS信號模擬器產生的導航信號與衛星發射的導航信號無異。通過跟蹤解調，接收機能夠按照GPS信號模擬器的設定輸出期望的定位結果。GPS信號模擬器在導航接收機和導航干擾裝備研發測試、導航系統仿真研究等領域具有重要的應用價值。近年來，隨著軟件無線電技術的發展，利用軟件算法替代傳統的硬件系統極大提高了無線電系統的功能和靈活性，同時簡化了無線電系統的硬件復雜度，降低了成本。本文圍繞GPS信號模擬器的工作原理，利用樹莓派嵌入式系統板作為運算處理中心，利用OpenMP技術提高運算效率，利用Web技術進行遠程網絡控制管理，構建了軟件無線電體制的GPS信號模擬器，實現了12通道的L1頻點CA碼信號實時產生，并進行了測試驗證。

2 組成原理

GPS信號模擬器的主要功能是根據設定的時間和位置信息，結合對應的衛星星歷數據，實時產生并調制形成對應的衛星導航射頻信號。本文中的GPS信號模擬器采用軟件無線電的體制構建，由軟件計算產生輸出信號的基帶波形，再通過DA和射頻調制電路形成射頻信號。系統在硬件上主要由兩部分組成：樹莓派嵌入式系統板和DA發射板，如圖1所示。

樹莓派嵌入式系統板主要負責網絡通信和基帶GPS信號的產生。樹莓派系統板采用三代“B+”型號，運行嵌入式linux系統，具有一顆4核心的ARM A53處理器，1GB內存容量，4個USB2.0接口，WiFi接口以及百兆以太網接口。樹莓派系統板運行nginx web服務器程序，模擬器的位置、時間等工作參數通過編寫的Web服務頁面經行設定。樹莓派系統板通過WiFi或有線以太網接口連接互聯網，從FTP站點自動下載所需星歷數據。樹莓派系統板上的基帶信號產生程序根據獲得的參數設定，計算產生包括所有可見衛星在內的導航信號的基帶數據，并通過USB接口發送給DA發射板。

DA發射板主要負責基帶導航數據的接收、DA變換以及射頻調制，產生所需頻點的射頻導航信號。DA發射板主要由USB接口電路、FPGA、DAC、本振、正交調制器、濾波器、放大器組成。USB接口電路接收基帶信號數據；FPGA對基帶數據進行緩沖，并通過計數采樣點的方式產生秒脈沖（PPS）信號；DAC芯片將FPGA緩沖的數據轉換為模擬信號；濾波器對鏡像頻率進行抑制；本振產生GPS L1頻點的載波信號；正交調制器將基帶信號調制到載波上； 放大器對射頻信號的增益進行調整。

3 信號的產生

導航信號的產生分為基帶信號產生和射頻信號產生兩部分。射頻信號產生只是利用調制器進行了簡單的頻譜搬移，而基帶信號產生包含了星歷參數提取、GPS時間計算、衛星位置計算、偽距計算、多普勒頻率計算、導航電文生成、偽碼生成、基帶調制等諸多環節，是模擬器信號產生的關鍵。

基帶信號的產生完全由軟件在樹莓派Linux系統下實現。軟件采用C語言編程開發。軟件主要的工作流程如圖2。軟件采多線程方式工作，同時運行數據產生和數據發送線程。數據產生線程按100ms時間步進不斷計算衛星位置，刷新信號相位、導航電文等基帶調制參數，產生一個個100ms基帶數據的數據塊，并將數據塊寫入緩存。數據產生線程計算每個采樣點對應的信號相位和電文bit，每100ms刷新信號多普勒頻率相位和導航電文幀，每30s重新計算可見星，刷新產生數據的衛星列表。發送線程根據緩存數據的狀態按照設定的數據包大小，將數據通過USB設備驅動程序發送。

基帶信號的產生需要按照采樣率計算每一個采樣點的數據值，并同時計算所有可見衛星的導航信號。通常情況下地面任一地點、任一時刻的GPS可見星數量都在8至12顆，因此基帶信號的產生涉及大量計算工作。樹莓派嵌入式系統板雖然具備一顆4核心的ARM A53處理器，但處理性能仍然較低，在傳統的串行運算流程下無法實現基帶信號的實時產生，導致USB數據傳輸斷流，無法實現期望的GPS信號。為了解決這一問題，本文采用OpenMP并行計算編程技術，對基帶信號的產生進行加速。

OpenMP是一種基于共享存儲的多處理器系統或多核處理器系統并行編程模型。它提供了一套與平臺無關的編譯指導語句、庫函數和環境變量，能夠以線程為基礎對串行程序進行并行化處理。OpenMP并行程序以一個主線程開始執行，在需要并行處理時創建多個子線程并行執行，當程序并行執行結束后，各個子線程將終止，而主線程將繼續執行后續的代碼。

基帶信號產生的并行加速處理可以利用OpenMP技術從橫向縱向兩個層面進行。橫向層面，并行計算所有可見衛星的基帶信號，相當于同時開啟多個計算線程且每個計算線程對應一顆可見衛星的信號計算?？v向層面，在信號合路相加時將基帶信號的產生按時間先后關系劃分成若干段，并行開啟多個線程，每個線程負責其中一段信號的計算。部分算法示意如圖3所示。

4 網絡控制

樹莓派系統板運行嵌入式Linux系統，能夠提供豐富的網絡支撐。本文中的GPS信號模擬器通過Web技術進通信實現控制管理功能。系統中利用nginx軟件建立Web服務器，采用HTML、PHP、JavaScript、AJAX技術構建動態Web服務頁面。使用者通過瀏覽器訪問模擬器控制網頁，設定時間、位置等信息并提交頁面；服務器端利用PHP解釋器解析提交的信息，提取出設定的時間日期；然后通過Linux系統Shell腳本自動在互聯網上下載對應的GPS星歷文件；之后調用基帶信號產生程序，同時將時間、位置、星歷文件以調用參數的形式傳遞；基帶信號產生程序實時產生信號波形并發送給DA發射板；基帶信號產生程序的工作狀態通過AJAX技術動態反饋給用戶控制頁面。

Web構架網絡控制方式賦予了模擬器控制極大的靈活性。Web技術具有跨平臺的獨特優勢，具備網頁瀏覽能力的設備都可以通過訪問網頁的方式接入信號模擬器，控制管理設備的工作?？梢酝ㄟ^WiFi方式方便的使用PC、平板電腦、智能手機等終端對模擬器進行管理控制。

5 測試結果

GPS信號模擬器輸出的信號利用北斗星通天璇C200-AT導航接收機進行了測試。測試結果顯示，C200-AT接收機能夠正確識別所產生的導航信號，接收機能夠正確定位到所設定的位置坐標，證明模擬器輸出信號有效工作正常。如圖4所示。

6 結語

本文以樹莓派嵌入式系統板作為運算控制核心，利用OpenMP并行運算加速、AJAX動態web頁面等技術構建了軟件無線電體制GPS信號模擬器，實現了GPS系統L1 CA碼信號的模擬產生，并利用北斗星通天璇C200-AT導航接收機進行了測試驗證。系統具有結構簡單、低成本、管控方式靈活的特點，可以用于導航接收機研發測試、導航干擾裝備研發測試、導航系統仿真研究等領域。

參考文獻

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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