基于GNURadio的伪卫星信号软件发射机设计

郭静，武晓明(通讯作者)，武华，刘洋,2，张波

（1.山东交通学院信息科学与电气工程学院，山东济南，250357；2.中国民航管理干部学院 民航通用航空运行重点实验室，北京，100102；3.东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京，210096）

0 引言

伪卫星（PL，Pseuolite）是用于测试验证和增强GNSS定位性能的无线电导航定位设备，能发射出类GNSS无线电导航信号，通常安装于大型室内环境、地下空间等GNSS卫星导航信号遮蔽的区域，提供实时定位导航服务。伪卫星信号发射机一般有以下几种实现方式：（1）大多数实验室中研究学者通常采用多射频通道GNSS信号模拟器进行替代[1,2]，其成本过高，信号体制改进比较困难[3]；（2）利用FPGA、SoC等硬件平台进行定制化实现，其技术实现门槛较高，硬件实现繁琐[4-7]；（3）利用软件无线电平台实现伪卫星信号的收发[8]。

GNU Radio是一个开源的软件无线电开发工具包，USRP是功能强大的通用软件无线电平台。本文采用的GNURadio和USRP软件无线电平台实现了伪卫星信号的产生与发射，利用GNURadio框架实现伪卫星信号的模拟与产生，同时调用USRP射频前端实现了伪卫星信号的发射[9]。经实验测试验证，该发射机发出的信号可作为伪卫星定位系统使用。

1 伪卫星信号模型

伪卫星导航信号从结构上划分，通常分为数据码、扩频码和信号载波。信号载波用来调制伪码和数据码，然后经射频前端发射出去；扩频码是实现卫星信号码分多址的基础，其码间自相关与互相关特性直接决定信号的跟踪与捕获能力。扩频码是一组固定序列码，只能作为区分伪卫星信号编号的标识，而不能携带其他信息；数据码用来携带伪卫星自身导航信息的，伪卫星的数据码指的是伪卫星的导航电文数据。

本文设计的伪卫星向用户发送的信号为GPS-L1信号，图1完整的展示了伪卫星信号的具体调制过程。其第i颗卫星信号的发射信号模型的数学模型为[11]：

其中，Ac为载波L1的振幅；Ci(t)、Di(t)分别为第i颗卫星的C/A码以及D码；ω1分别为L1频段的角频率；为L1的初始相位值。

图1 伪卫星信号调制过程

图2 伪卫星信号发射机原理图

2 伪卫星软件发射机设计

■2.1 伪卫星信号发射机设计原理

由于伪卫星信号属于类GPS信号，可以参考GPS L1频段信号的发射机结构来设计伪卫星信号发射机。伪卫星信号发射机主要包括伪卫星基带信号产生单元、伪卫星信号发射单元两个部分[12]。伪卫星基带信号产生单元主要功能是产生伪卫星中频及基带信号，包括D码生成模块、C/A码生成模块、调制模块等；伪卫星信号发射单元主要利用USRP实现伪卫星信号的上变频发射功能。伪卫星信号发射机原理如图2所示。

■2.2 基于GNURadio的伪卫星基带信号生成软件设计

GNURadio是一个通用的软件无线电设计工具，提供了用于设计、模拟和部署真实高效的无线电系统的通用流程框架和实现方法，在无线电系统设计领域内已经被广泛应用。本文设计的伪卫星信号发射系统采用GNURadio+USRP-B210软件无线电平台来实现。其中PC软件部分主要利用GNURadio软件框架实现了伪卫星基带信号生成功能软件，如图3所示；然后再利用USRP硬件射频前端进行上变频和信号发射。

伪卫星基带信号生成软件主要包括载波生成模块、C/A码生成模块、数据码生成模块、扩频码生成模块、BPSK调制模块、UHDSink模块等。整个软件的采样频率设定为16.369MHz，中频载波频率为7.161MHz，伪卫星L1信号频率为1575.42MHz，信号带宽设定为2MHz，增益设定为可调增益，默认设定为50dB。如图所示，该伪卫星基带信号生成软件可以同时产生两路伪卫星信号PL1和PL2，分别设定PRN为1号卫星和2号卫星，以PL1为例其工作流程如下：

图3 伪卫星基带信号生成单元GRC流程图

S0：设定变量，以下介绍的整个流程图的数据流的采样频率为16.369MHz（sample_rate）。

S1：导航电文模块（PL_NavData）根据星历文件产生50 bit/s的导航电文数据流；

S2：由C/A码生成模块（Cacode）产生1.023Mcps的C/A码数据流，该C/A码是识别卫星号的伪随机数据码；

S3：中频载波生成模块（Carrierif）生成7.161MHz的两路同频但相位相差90度的同向（I）路和正交（Q）路中频载波数据流；

S4：扩频码生成模块（Modadd）实现了模二加运算，将输入的导航电文数据流与C/A码数据流进行模二加运算生成扩频码数据流；

S5：BPSK调制模块（Multiply）实现了乘法运算，将S4产生的扩频码数据流与S3产生的I路数据进行乘法运算，实现BPSK调制的目的，产生中频调制I路信号数据流；

S6：IQ数据生成模块（FloatTo Complex），将S5产生的中频调制信号I路信号与S3产生的中频载波Q路载波信号进行合并，组成复数信号。

S7：UHDSink模块，将S6中产生的中频IQ数据送入到UHD Sink模块中，调用USRP进行上变频到L1频段，然后发射到天线进行信号发射。

3 信号验证与测试

伪卫星发射机的测试包括了模块的功能测试和整体效果的测试。模块功能测试测试基带信号波形是否正确；利用频谱分析仪测试产生信号的频谱是否符合要求，并利用接收机测试信号的接收效果。

■3.1 伪卫星基带信号波形仿真测试

伪卫星基带信号都是由GNURadio软件产生的，因此在GNURadio中添加一些信号测试模块即可对各个模块产生的波形进行仿真测试。由图4所示伪卫星信号扩频码与载波的BPSK调制过程波形图，其中蓝色虚线为组合扩频码序列，红色曲线表示经过BPSK调制后的已调信号。由波形效果可以看出扩频码与载波进行BPSK调制后发生相位翻转的现象。

■3.2 伪卫星射频信号测试

针对由USRP发出的伪卫星射频信号，利用频谱分析仪对伪卫星产生的信号进行测试，如图5所示。由伪卫星软件发射机产生的伪卫星信号能快速被频谱分析仪捕获到，信号频谱分布在中心频率1.57542GHz左右，符合GPS-L1伪卫星信号的分布规律。

图4 BPSK调制过程波形图

图5 频谱分析仪测量伪卫星信号的频谱图

■3.3 接收机接收效果验证

将伪卫星软件发射机发出的信号接入到ubloxZED-F9P接收机中，利用接收机对信号进行接收测试，由u-center软件观测测试结果如图6所示，可见伪卫星产生的信号可以被接收机接收并识别，观测量数据也可以有效得到。

图6 接收机接收伪卫星信号测试结果

4 结论

本文采用GNU Radio和USRP软件无线电平台实现了伪卫星信号的产生与发射，利用GNU Radio框架实现伪卫星信号的模拟与产生，同时调用USRP射频前端实现了伪卫星信号的发射。经实验测试验证，该发射机发出的信号可作为伪卫星定位系统使用，有效降低伪卫星算法验证和硬件实验环境部署过程难度。