SDR在GNSS相关课程教学中的应用探索

摘要：GNSS课程教学中，信号相关的实验设备较为匮乏。本文通过以SDR设备作为核心，并结合其他射频部件，同时配合开发相应的软件，实现了一种多功能的GNSS射频信号实验平台，该平台具备GNSS信号录制与回放功能。借助于该平台，以往那些价格昂贵的GNSS射频信号录制与回放设备和模拟器也成为了通用的教学设备，学生可以自行操作并可以进一步开发扩展，使学生可以更深入地理解GNSS原理，方便验证算法，提高了学生动手能力，并做到学以致用。

关键词：GNSS课程；GNSS信号录制与回放设备；GNSS信号模拟器；软件无线电

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0050-03

随着我国北斗系统的发展以及各个行业对导航定位需求的提高，GNSS相关课程在测绘相关专业中的重要性日益凸现。而在这些课程的教学实验中，相关教学演示仪器却极为缺乏。例如，在GNSS 接收机原理课程中，由于GNSS接收机都是封闭结构，学生难以对其有深层接触[1]；而在很多教学或者实验实习中，经常需要使用GNSS信号录制与回放设备对同一个GNSS信号进行多次回放，或者模拟特殊场景（例如高纬度、高动态、高加速度、高海拔等）以对不同接收机或者不同算法进行对比验证，而目前这类设备的价格都比较昂贵，数量很少，无法满足教学试验的要求。而通过对软件无线电平台（SDR）的开发利用，可以有效解决这些问题。SDR在最近几年发展十分迅速，市场上出现了多种架构、价格不同的SDR平台，许多科研单位都开始是用SDR平台进行研究。但是SDR平台仅仅提供了十分有限的基本功能，必须对其进行深度的开发才能符合教学科研的要求。本文结合教学实践，在以前的工作基础上[1]，通过对几种SDR平台进行对比，探索出一种GNSS射频信号实验平台。该平台具有GNSS射频信号录制与回放功能，如再辅以相关软件，即可实现GNSS信号模拟器的功能，其成本低，结构简单， 经使用效果良好，满足教学实验要求，还适合科学研究、生产测试等应用。

1 原理与设计

目前的GNSS信号主要包括北斗（BDS）、GPS、GLONASS、伽里略（Galileo）、QZSS和IRNSS。目前，GPS系统的应用较广，而BDS系统的前景更加引人关注。目前在教学中，主要研究对象是GPS与BDS。因此本文描述的实验平台的基本功能是GPS和BDS信号的录制回放。

本文主要探讨的是GNSS信号的录制与回放，在能够完成信号录制与回放的基础上，只需要再开发相应的GNSS中频信号产生软件，即可实现GNSS信号的模拟功能。

民用GPS信号又包含L1，L2，L5三个频点，BDS的被动定位系统也包含B1，B2，B3三个频点。在这几个频点中，目前应用较广的主要是GPS的L1和L2与BDS的B1。因此本文的设计目的也就是对GPS L1/L2和BDS B1进行录制与回放。表1是这三个信号的中心频率、信号带宽、民用接收机通常的带宽。

可见，三个频段覆盖的带宽已经超过350MHz，而目前任何SDR平台都无法满足直接采样的需求。

在研究三个频段的关系后，可以知道这三个频段并非是连续的，其有效总带宽只有26MHz，中间的300多MHz实际上并不需要，因此所使用的SDR带宽需要大于26MHz。在综合考虑价格与性能后，选择BladeRF x40作为核心设备。同时提出了如下变频法压缩带宽的方法：

设本振频率为flo，L1，L2，B1的中心频率分别为fL1，fL2，fB1，且flo

和频：

f1=fL1+flo=1575.42+flo

f2=fL2+flo=1227.6+flo

f3=fB1+flo=1561.098+flo

差频：

f4=fL1-flo=1575.42-flo

f5=fL2-flo=1227.6-flo

f6=fB1-flo=1561.098-flo

只要选择合适的flo，就可以在以上产生的6个混频信号中，得到3个频率间距足够小的信号。为了缩短三个频点的间距，应选择一个和频f2即1227.6+flo和两个差频f4即1575.42-flo、f6即1561.098-flo。而此時的总带宽缩至：

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

上式中1和10分别为L1和L2的有效带宽的一半。

在回放的时候，再次将这三个频点（f2、f4、f6）的信号与flo混频，从而将信号还原。此时混频得到的信号也有6个：

和频：

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

差频：

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

可见，和频f8、f9与差频f10正是需要的fL1，fL2，fB1，此外还有三个多余的镜像信号。图2展示了当flo设置为160MHz的时候，原始信号（a）、混频采集后的信号（b）以及混频回放后的信号（c）之间的关系。在c中，实现为所需要的信号，点划线为镜像信号。

在通过变频，选择合适的和频与差频将有效带宽缩窄后，信号总带宽被缩窄到40Mhz以内，即可进行数据录制与回放。

本振频率选定后，即可选定相关器件搭建信号录制与回放设备硬件部分，再配合开发相应的软件即可完成GNSS信号录制与回放以及GNSS信号模拟功能。[2-3]

2 具体实现

图3是根据以上原理搭建的L1/L2/B1三频GNSS射频信号实验平台结构示意图。

平台由接收天线ANTRX，低噪声放大器LNA，射频开关RFSWITCH，混频器MIXER，本振Local OSC，滤波器FILTER，外部参考时钟EXT REF CLOCK，SDR平台SDR KIT，控制和存储电脑COMPUTER， I/O扩展器I/O EXT BOX，程控可调衰减器ATT，以及发射天线ANT TX构成。

控制和存储电脑上运行的程序非常重要，除了具备人机交互功能外，控制SDR平台的操作和I/O扩展器以实现不同的功能均由该程序完成。对于GNSS信号的录制与回放功能，实现起来相对简单。而对于GNSS信号模拟，需要首先读取星历，确定模拟的坐标和时间，判断可见卫星，并根据星历中的轨道数据反算可见卫星的位置、速度、多普勒、衰减等信息，同时生成导航电文，合成基带数据，最后由SDR发射出去。[4，5，6，8]

如果要避免信号回放的时候对其他设备造成干扰，则应采用电缆耦合的方式，不要将信号送至发射天线。

3 性能评估测试

为验证本GNSS射频信号实验平台的性能，用以下方法对设备进行基本测试：

（1）用功率分配器将GNSS接收天线接收来的真实GNSS信号分成两路，一路给GNSS接收机，另一路给本设备；（2）观察接收机的接收情况，同时打开接收机的数据记录功能，进行定位数据以及星座信息的记录；（3）则启动本设备进行数据采集，录制信号，并保持10分钟；（4）断开GNSS接收天线，冷启动GNSS接收机；（5）将本设备的输出接到GNSS接收机上，进行信号的回放，再次记录GNSS接收机的定位数据以及星座信息；（6）反复进行步骤5，对比结果。（7）停止回放，冷启动GNSS接收机；（8）设定好坐标和时间，用本平台生成GNSS射频信号；（9）观察GNSS接收机的捕获、跟踪、定位过程；（10）检查GNSS接收机所接收到的卫星信息以及定位信息、时间信息是否与步骤8中设定的一致。

图4的a与b分别为信号录制期间与回放期间接收机的PC端程序运行截图，运行的SDR平台是廉价的Hackrf。可以看出，录制后回放的信号在接收机上的表现，与原始信号相比，除了信号强度比原来的信号略有降低，并进一步导致CNR较低的卫星无法跟踪外，其余均可满足教学实验与一般测试要求。在这两个截图中，反映出的定位精度大约有10米差异，符合单点定位的精度水平。

4 结语

本文中设计的GNSS射频信号实验平台，具备成本低廉，结构简单，性能稳定的特点，其成本几乎仅仅是市场常见设备的1/50到1/100，可以满足教学实验、接收机研发与生产、算法验证等多种场合的需求，而且平台基于SDR，其软硬件都比较透明，学生可以自主进行功能扩展，在整个设备的研制中，有多名学生参与进行软件与硬件的设计与制作，促进了学生对理论的理解，也提高了实践能力。由于试验平台仍然处于不断的改进过程中，因此也存在一些问题，例如，采集的数据文件比较大，这样对存储系统的要求就会过于苛刻，容易造成信号不连续。由于GNSS信号实际上并不需要如此宽的位宽进行采集存储，太宽的位宽提高了成本和资源消耗，而对于性能的提高有限[7]，因此，将来拟对数据进行预处理，通过减小位宽来减少数据量，这样一来，将更有助于降低成本，提高实用性。

参考文献

[1]张涛，花向红，黄劲松，郑屹.基于SDR的GNSS接收機原理可视化教学平台[J].测绘地理信息，2012，37（06）：14-16.

[2]王金刚.GPS数字中频信号仿真及捕获验证[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2010，22（02）：252-256.

[3]胡修林，唐祖平，周鸿伟，黄旭方.GPS和Galileo信号体制设计思想综述[J].系统工程与电子技术，2009，31（10）：2285-2293.

[4]单庆晓，陈建云，钟小鹏，杨俊.基于数据文件读取的GPS信号模拟技术[J].电子测量与仪器学报，2009，23（05）：79-84.

[5]赵昀，张其善，寇艳红.基于Matlab的数字中频GPS信号生成模型[J].信号处理，2005，（03）：300-303+248.

[6]赵军祥，张其善，常青，李建辉.高动态GPS卫星信号模拟器关键技术分析及应用[J].电讯技术，2003，（04）：49-54.

[7]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[8]张涛. GNSS信号录制与回放设备的研制与应用[J].全球定位系统，2018，43（3），45-50.