SDR在GNSS相關(guān)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

摘要：GNSS課程教學(xué)中，信號(hào)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為匱乏。本文通過以SDR設(shè)備作為核心，并結(jié)合其他射頻部件，同時(shí)配合開發(fā)相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)了一種多功能的GNSS射頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)具備GNSS信號(hào)錄制與回放功能。借助于該平臺(tái)，以往那些價(jià)格昂貴的GNSS射頻信號(hào)錄制與回放設(shè)備和模擬器也成為了通用的教學(xué)設(shè)備，學(xué)生可以自行操作并可以進(jìn)一步開發(fā)擴(kuò)展，使學(xué)生可以更深入地理解GNSS原理，方便驗(yàn)證算法，提高了學(xué)生動(dòng)手能力，并做到學(xué)以致用。

關(guān)鍵詞：GNSS課程；GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備；GNSS信號(hào)模擬器；軟件無線電

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0050-03

隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的發(fā)展以及各個(gè)行業(yè)對(duì)導(dǎo)航定位需求的提高，GNSS相關(guān)課程在測(cè)繪相關(guān)專業(yè)中的重要性日益凸現(xiàn)。而在這些課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，相關(guān)教學(xué)演示儀器卻極為缺乏。例如，在GNSS 接收機(jī)原理課程中，由于GNSS接收機(jī)都是封閉結(jié)構(gòu)，學(xué)生難以對(duì)其有深層接觸[1]；而在很多教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)中，經(jīng)常需要使用GNSS信號(hào)錄制與回放設(shè)備對(duì)同一個(gè)GNSS信號(hào)進(jìn)行多次回放，或者模擬特殊場(chǎng)景（例如高緯度、高動(dòng)態(tài)、高加速度、高海拔等）以對(duì)不同接收機(jī)或者不同算法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，而目前這類設(shè)備的價(jià)格都比較昂貴，數(shù)量很少，無法滿足教學(xué)試驗(yàn)的要求。而通過對(duì)軟件無線電平臺(tái)（SDR）的開發(fā)利用，可以有效解決這些問題。SDR在最近幾年發(fā)展十分迅速，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種架構(gòu)、價(jià)格不同的SDR平臺(tái)，許多科研單位都開始是用SDR平臺(tái)進(jìn)行研究。但是SDR平臺(tái)僅僅提供了十分有限的基本功能，必須對(duì)其進(jìn)行深度的開發(fā)才能符合教學(xué)科研的要求。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，在以前的工作基礎(chǔ)上[1]，通過對(duì)幾種SDR平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，探索出一種GNSS射頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)具有GNSS射頻信號(hào)錄制與回放功能，如再輔以相關(guān)軟件，即可實(shí)現(xiàn)GNSS信號(hào)模擬器的功能，其成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 經(jīng)使用效果良好，滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，還適合科學(xué)研究、生產(chǎn)測(cè)試等應(yīng)用。

1 原理與設(shè)計(jì)

目前的GNSS信號(hào)主要包括北斗（BDS）、GPS、GLONASS、伽里略（Galileo）、QZSS和IRNSS。目前，GPS系統(tǒng)的應(yīng)用較廣，而BDS系統(tǒng)的前景更加引人關(guān)注。目前在教學(xué)中，主要研究對(duì)象是GPS與BDS。因此本文描述的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本功能是GPS和BDS信號(hào)的錄制回放。

本文主要探討的是GNSS信號(hào)的錄制與回放，在能夠完成信號(hào)錄制與回放的基礎(chǔ)上，只需要再開發(fā)相應(yīng)的GNSS中頻信號(hào)產(chǎn)生軟件，即可實(shí)現(xiàn)GNSS信號(hào)的模擬功能。

民用GPS信號(hào)又包含L1，L2，L5三個(gè)頻點(diǎn)，BDS的被動(dòng)定位系統(tǒng)也包含B1，B2，B3三個(gè)頻點(diǎn)。在這幾個(gè)頻點(diǎn)中，目前應(yīng)用較廣的主要是GPS的L1和L2與BDS的B1。因此本文的設(shè)計(jì)目的也就是對(duì)GPS L1/L2和BDS B1進(jìn)行錄制與回放。表1是這三個(gè)信號(hào)的中心頻率、信號(hào)帶寬、民用接收機(jī)通常的帶寬。

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

在研究三個(gè)頻段的關(guān)系后，可以知道這三個(gè)頻段并非是連續(xù)的，其有效總帶寬只有26MHz，中間的300多MHz實(shí)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(jià)格與性能后，選擇BladeRF x40作為核心設(shè)備。同時(shí)提出了如下變頻法壓縮帶寬的方法：

設(shè)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(chǎn)生的6個(gè)混頻信號(hào)中，得到3個(gè)頻率間距足夠小的信號(hào)。為了縮短三個(gè)頻點(diǎn)的間距，應(yīng)選擇一個(gè)和頻f2即1227.6+flo和兩個(gè)差頻f4即1575.42-flo、f6即1561.098-flo。而此時(shí)的總帶寬縮至：

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

上式中1和10分別為L(zhǎng)1和L2的有效帶寬的一半。

在回放的時(shí)候，再次將這三個(gè)頻點(diǎn)（f2、f4、f6）的信號(hào)與flo混頻，從而將信號(hào)還原。此時(shí)混頻得到的信號(hào)也有6個(gè)：

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(gè)多余的鏡像信號(hào)。圖2展示了當(dāng)flo設(shè)置為160MHz的時(shí)候，原始信號(hào)（a）、混頻采集后的信號(hào)（b）以及混頻回放后的信號(hào)（c）之間的關(guān)系。在c中，實(shí)現(xiàn)為所需要的信號(hào)，點(diǎn)劃線為鏡像信號(hào)。

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(hào)總帶寬被縮窄到40Mhz以內(nèi)，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)錄制與回放。

本振頻率選定后，即可選定相關(guān)器件搭建信號(hào)錄制與回放設(shè)備硬件部分，再配合開發(fā)相應(yīng)的軟件即可完成GNSS信號(hào)錄制與回放以及GNSS信號(hào)模擬功能。[2-3]

2 具體實(shí)現(xiàn)

圖3是根據(jù)以上原理搭建的L1/L2/B1三頻GNSS射頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

平臺(tái)由接收天線ANTRX，低噪聲放大器LNA，射頻開關(guān)RFSWITCH，混頻器MIXER，本振Local OSC，濾波器FILTER，外部參考時(shí)鐘EXT REF CLOCK，SDR平臺(tái)SDR KIT，控制和存儲(chǔ)電腦COMPUTER， I/O擴(kuò)展器I/O EXT BOX，程控可調(diào)衰減器ATT，以及發(fā)射天線ANT TX構(gòu)成。

控制和存儲(chǔ)電腦上運(yùn)行的程序非常重要，除了具備人機(jī)交互功能外，控制SDR平臺(tái)的操作和I/O擴(kuò)展器以實(shí)現(xiàn)不同的功能均由該程序完成。對(duì)于GNSS信號(hào)的錄制與回放功能，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單。而對(duì)于GNSS信號(hào)模擬，需要首先讀取星歷，確定模擬的坐標(biāo)和時(shí)間，判斷可見衛(wèi)星，并根據(jù)星歷中的軌道數(shù)據(jù)反算可見衛(wèi)星的位置、速度、多普勒、衰減等信息，同時(shí)生成導(dǎo)航電文，合成基帶數(shù)據(jù)，最后由SDR發(fā)射出去。[4，5，6，8]

如果要避免信號(hào)回放的時(shí)候?qū)ζ渌O(shè)備造成干擾，則應(yīng)采用電纜耦合的方式，不要將信號(hào)送至發(fā)射天線。

3 性能評(píng)估測(cè)試

為驗(yàn)證本GNSS射頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能，用以下方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行基本測(cè)試：

（1）用功率分配器將GNSS接收天線接收來的真實(shí)GNSS信號(hào)分成兩路，一路給GNSS接收機(jī)，另一路給本設(shè)備；（2）觀察接收機(jī)的接收情況，同時(shí)打開接收機(jī)的數(shù)據(jù)記錄功能，進(jìn)行定位數(shù)據(jù)以及星座信息的記錄；（3）則啟動(dòng)本設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，錄制信號(hào)，并保持10分鐘；（4）斷開GNSS接收天線，冷啟動(dòng)GNSS接收機(jī)；（5）將本設(shè)備的輸出接到GNSS接收機(jī)上，進(jìn)行信號(hào)的回放，再次記錄GNSS接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)以及星座信息；（6）反復(fù)進(jìn)行步驟5，對(duì)比結(jié)果。（7）停止回放，冷啟動(dòng)GNSS接收機(jī)；（8）設(shè)定好坐標(biāo)和時(shí)間，用本平臺(tái)生成GNSS射頻信號(hào)；（9）觀察GNSS接收機(jī)的捕獲、跟蹤、定位過程；（10）檢查GNSS接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信息以及定位信息、時(shí)間信息是否與步驟8中設(shè)定的一致。

圖4的a與b分別為信號(hào)錄制期間與回放期間接收機(jī)的PC端程序運(yùn)行截圖，運(yùn)行的SDR平臺(tái)是廉價(jià)的Hackrf。可以看出，錄制后回放的信號(hào)在接收機(jī)上的表現(xiàn)，與原始信號(hào)相比，除了信號(hào)強(qiáng)度比原來的信號(hào)略有降低，并進(jìn)一步導(dǎo)致CNR較低的衛(wèi)星無法跟蹤外，其余均可滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)與一般測(cè)試要求。在這兩個(gè)截圖中，反映出的定位精度大約有10米差異，符合單點(diǎn)定位的精度水平。

4 結(jié)語

本文中設(shè)計(jì)的GNSS射頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具備成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，其成本幾乎僅僅是市場(chǎng)常見設(shè)備的1/50到1/100，可以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)、接收機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)、算法驗(yàn)證等多種場(chǎng)合的需求，而且平臺(tái)基于SDR，其軟硬件都比較透明，學(xué)生可以自主進(jìn)行功能擴(kuò)展，在整個(gè)設(shè)備的研制中，有多名學(xué)生參與進(jìn)行軟件與硬件的設(shè)計(jì)與制作，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論的理解，也提高了實(shí)踐能力。由于試驗(yàn)平臺(tái)仍然處于不斷的改進(jìn)過程中，因此也存在一些問題，例如，采集的數(shù)據(jù)文件比較大，這樣對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求就會(huì)過于苛刻，容易造成信號(hào)不連續(xù)。由于GNSS信號(hào)實(shí)際上并不需要如此寬的位寬進(jìn)行采集存儲(chǔ)，太寬的位寬提高了成本和資源消耗，而對(duì)于性能的提高有限[7]，因此，將來擬對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過減小位寬來減少數(shù)據(jù)量，這樣一來，將更有助于降低成本，提高實(shí)用性。

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