基于GNURadio的偽衛星信號軟件發射機設計

郭靜，武曉明(通訊作者)，武華，劉洋,2，張波

（1.山東交通學院信息科學與電氣工程學院，山東濟南，250357；2.中國民航管理干部學院 民航通用航空運行重點實驗室，北京，100102；3.東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京，210096）

0 引言

偽衛星（PL，Pseuolite）是用于測試驗證和增強GNSS定位性能的無線電導航定位設備，能發射出類GNSS無線電導航信號，通常安裝于大型室內環境、地下空間等GNSS衛星導航信號遮蔽的區域，提供實時定位導航服務。偽衛星信號發射機一般有以下幾種實現方式：（1）大多數實驗室中研究學者通常采用多射頻通道GNSS信號模擬器進行替代[1,2]，其成本過高，信號體制改進比較困難[3]；（2）利用FPGA、SoC等硬件平臺進行定制化實現，其技術實現門檻較高，硬件實現繁瑣[4-7]；（3）利用軟件無線電平臺實現偽衛星信號的收發[8]。

GNU Radio是一個開源的軟件無線電開發工具包，USRP是功能強大的通用軟件無線電平臺。本文采用的GNURadio和USRP軟件無線電平臺實現了偽衛星信號的產生與發射，利用GNURadio框架實現偽衛星信號的模擬與產生，同時調用USRP射頻前端實現了偽衛星信號的發射[9]。經實驗測試驗證，該發射機發出的信號可作為偽衛星定位系統使用。

1 偽衛星信號模型

偽衛星導航信號從結構上劃分，通常分為數據碼、擴頻碼和信號載波。信號載波用來調制偽碼和數據碼，然后經射頻前端發射出去；擴頻碼是實現衛星信號碼分多址的基礎，其碼間自相關與互相關特性直接決定信號的跟蹤與捕獲能力。擴頻碼是一組固定序列碼，只能作為區分偽衛星信號編號的標識，而不能攜帶其他信息；數據碼用來攜帶偽衛星自身導航信息的，偽衛星的數據碼指的是偽衛星的導航電文數據。

本文設計的偽衛星向用戶發送的信號為GPS-L1信號，圖1完整的展示了偽衛星信號的具體調制過程。其第i顆衛星信號的發射信號模型的數學模型為[11]：

其中，Ac為載波L1的振幅；Ci(t)、Di(t)分別為第i顆衛星的C/A碼以及D碼；ω1分別為L1頻段的角頻率；為L1的初始相位值。

圖1 偽衛星信號調制過程

圖2 偽衛星信號發射機原理圖

2 偽衛星軟件發射機設計

■2.1 偽衛星信號發射機設計原理

由于偽衛星信號屬于類GPS信號，可以參考GPS L1頻段信號的發射機結構來設計偽衛星信號發射機。偽衛星信號發射機主要包括偽衛星基帶信號產生單元、偽衛星信號發射單元兩個部分[12]。偽衛星基帶信號產生單元主要功能是產生偽衛星中頻及基帶信號，包括D碼生成模塊、C/A碼生成模塊、調制模塊等；偽衛星信號發射單元主要利用USRP實現偽衛星信號的上變頻發射功能。偽衛星信號發射機原理如圖2所示。

■2.2 基于GNURadio的偽衛星基帶信號生成軟件設計

GNURadio是一個通用的軟件無線電設計工具，提供了用于設計、模擬和部署真實高效的無線電系統的通用流程框架和實現方法，在無線電系統設計領域內已經被廣泛應用。本文設計的偽衛星信號發射系統采用GNURadio+USRP-B210軟件無線電平臺來實現。其中PC軟件部分主要利用GNURadio軟件框架實現了偽衛星基帶信號生成功能軟件，如圖3所示；然后再利用USRP硬件射頻前端進行上變頻和信號發射。

偽衛星基帶信號生成軟件主要包括載波生成模塊、C/A碼生成模塊、數據碼生成模塊、擴頻碼生成模塊、BPSK調制模塊、UHDSink模塊等。整個軟件的采樣頻率設定為16.369MHz，中頻載波頻率為7.161MHz，偽衛星L1信號頻率為1575.42MHz，信號帶寬設定為2MHz，增益設定為可調增益，默認設定為50dB。如圖所示，該偽衛星基帶信號生成軟件可以同時產生兩路偽衛星信號PL1和PL2，分別設定PRN為1號衛星和2號衛星，以PL1為例其工作流程如下：

圖3 偽衛星基帶信號生成單元GRC流程圖

S0：設定變量，以下介紹的整個流程圖的數據流的采樣頻率為16.369MHz（sample_rate）。

S1：導航電文模塊（PL_NavData）根據星歷文件產生50 bit/s的導航電文數據流；

S2：由C/A碼生成模塊（Cacode）產生1.023Mcps的C/A碼數據流，該C/A碼是識別衛星號的偽隨機數據碼；

S3：中頻載波生成模塊（Carrierif）生成7.161MHz的兩路同頻但相位相差90度的同向（I）路和正交（Q）路中頻載波數據流；

S4：擴頻碼生成模塊（Modadd）實現了模二加運算，將輸入的導航電文數據流與C/A碼數據流進行模二加運算生成擴頻碼數據流；

S5：BPSK調制模塊（Multiply）實現了乘法運算，將S4產生的擴頻碼數據流與S3產生的I路數據進行乘法運算，實現BPSK調制的目的，產生中頻調制I路信號數據流；

S6：IQ數據生成模塊（FloatTo Complex），將S5產生的中頻調制信號I路信號與S3產生的中頻載波Q路載波信號進行合并，組成復數信號。

S7：UHDSink模塊，將S6中產生的中頻IQ數據送入到UHD Sink模塊中，調用USRP進行上變頻到L1頻段，然后發射到天線進行信號發射。

3 信號驗證與測試

偽衛星發射機的測試包括了模塊的功能測試和整體效果的測試。模塊功能測試測試基帶信號波形是否正確；利用頻譜分析儀測試產生信號的頻譜是否符合要求，并利用接收機測試信號的接收效果。

■3.1 偽衛星基帶信號波形仿真測試

偽衛星基帶信號都是由GNURadio軟件產生的，因此在GNURadio中添加一些信號測試模塊即可對各個模塊產生的波形進行仿真測試。由圖4所示偽衛星信號擴頻碼與載波的BPSK調制過程波形圖，其中藍色虛線為組合擴頻碼序列，紅色曲線表示經過BPSK調制后的已調信號。由波形效果可以看出擴頻碼與載波進行BPSK調制后發生相位翻轉的現象。

■3.2 偽衛星射頻信號測試

針對由USRP發出的偽衛星射頻信號，利用頻譜分析儀對偽衛星產生的信號進行測試，如圖5所示。由偽衛星軟件發射機產生的偽衛星信號能快速被頻譜分析儀捕獲到，信號頻譜分布在中心頻率1.57542GHz左右，符合GPS-L1偽衛星信號的分布規律。

圖4 BPSK調制過程波形圖

圖5 頻譜分析儀測量偽衛星信號的頻譜圖

■3.3 接收機接收效果驗證

將偽衛星軟件發射機發出的信號接入到ubloxZED-F9P接收機中，利用接收機對信號進行接收測試，由u-center軟件觀測測試結果如圖6所示，可見偽衛星產生的信號可以被接收機接收并識別，觀測量數據也可以有效得到。

圖6 接收機接收偽衛星信號測試結果

4 結論

本文采用GNU Radio和USRP軟件無線電平臺實現了偽衛星信號的產生與發射，利用GNU Radio框架實現偽衛星信號的模擬與產生，同時調用USRP射頻前端實現了偽衛星信號的發射。經實驗測試驗證，該發射機發出的信號可作為偽衛星定位系統使用，有效降低偽衛星算法驗證和硬件實驗環境部署過程難度。