基于軟件無(wú)線電的GPS信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐 正，呂曉蕊，李 鵬

（1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通信息學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道通信與信號(hào)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。伴隨無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的擴(kuò)大，我國(guó)大專院校陸續(xù)開設(shè)了無(wú)人機(jī)相關(guān)專業(yè)。在專業(yè)建設(shè)方面，高職院校著重?zé)o人機(jī)組裝、維護(hù)以及操作等技能的培養(yǎng)，將學(xué)生培養(yǎng)成為合格的無(wú)人機(jī)“飛手”是無(wú)人機(jī)專業(yè)重要的人才培養(yǎng)方向。

隨著無(wú)線產(chǎn)品的使用越來(lái)越多，在某些區(qū)域甚至還出現(xiàn)了違規(guī)架設(shè)“無(wú)人機(jī)反制”設(shè)備的情況。這些因素致使無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)所處的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)影響無(wú)人機(jī)的通信，致使無(wú)人機(jī)無(wú)法順利接收GPS信號(hào)。失去GPS信號(hào)的無(wú)人機(jī)易被非法捕獲，還會(huì)發(fā)生墜機(jī)并引發(fā)次生災(zāi)害。這不僅會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)對(duì)公共秩序帶來(lái)威脅。因此，無(wú)人機(jī)“飛手”學(xué)員在校接受無(wú)人機(jī)操控訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)引入在復(fù)雜GPS環(huán)境下操控?zé)o人機(jī)的教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)員合理應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)GPS信號(hào)不正常的情況，避免事故發(fā)生。

本文設(shè)計(jì)了一套GPS信號(hào)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于軟件無(wú)線電理念開發(fā)，硬件部分包括通用硬件平臺(tái)Hack RF和功率放大器模塊；軟件部分主要使用GNU Radio。系統(tǒng)能在無(wú)人機(jī)操控教學(xué)區(qū)域內(nèi)提供2種GPS環(huán)境：（1）“無(wú)GPS”環(huán)境；（2）“偽GPS” 環(huán)境。系統(tǒng)集成度高、操作簡(jiǎn)單，能有效幫助無(wú)人機(jī)專業(yè)學(xué)生提高操控?zé)o人機(jī)的實(shí)戰(zhàn)能力。

1 系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)控制系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)分為基帶波形單元和信號(hào)發(fā)射單元2部分。

圖1 GPS信號(hào)控制系統(tǒng)功能框架

（1）基帶波形單元生成寬帶噪聲信號(hào)和“偽GPS”信號(hào)等2種波形的基帶數(shù)據(jù)。其中，“偽GPS”信號(hào)的算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)制作由GPS模擬器完成；寬帶噪聲信號(hào)的算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)制作以及兩種波形的調(diào)用由GNU Radio完成。

（2）信號(hào)發(fā)射單元由Hack RF和功率放大器模塊組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻、增益控制以及功率放大等功能。

1.1 GNU Radio 介紹

GNU Radio是一個(gè)開源的軟件無(wú)線電軟件平臺(tái)，由C++語(yǔ)言和Python語(yǔ)言混合編寫而成。該平臺(tái)提供了通信系統(tǒng)常用的信號(hào)源模塊、信號(hào)處理模塊以及與通用軟件無(wú)線電硬件外設(shè)的接口。GNU Radio提供圖形化設(shè)計(jì)界面，降低了軟件算法開發(fā)難度。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)以流圖設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行，程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括：GPS波形部署、信號(hào)處理、硬件平臺(tái)參數(shù)配置以及人機(jī)交互。GPS信號(hào)控制系統(tǒng)的程序流圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的程序流圖設(shè)計(jì)

1.2 Hack RF 介紹

Hack RF是軟件無(wú)線電的通用硬件平臺(tái)，工作頻段為30 MHz ～ 6 GHz，最大采樣率為 20 MS/s。模塊支持半雙工通信，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)中，Hack RF將軟件平臺(tái)生成的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行上變頻、放大以及增益控制，信號(hào)輸出給功率放大器模塊。

圖3 Hack RF硬件結(jié)構(gòu)

1.3 功率放大器模塊介紹

功率放大器模塊將Hack RF輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，其射頻鏈路設(shè)計(jì)如圖4所示。模塊工作頻率為1 575.42 MHz，載頻放大增益為 30.5 dB，輸出信號(hào)功率為34.5 dBm。

圖4 功放模塊射頻鏈路

2 系統(tǒng)原理

GPS信號(hào)控制系統(tǒng)在指定區(qū)域提供多種GPS環(huán)境，關(guān)鍵技術(shù)是控制區(qū)域內(nèi)終端設(shè)備接收到的GPS信號(hào)。GPS信號(hào)包括載波、測(cè)距碼以及導(dǎo)航電文，民用GPS信號(hào)的相關(guān)信息是公開的，其信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，載波信號(hào)的頻率為1 575.42 MHz；調(diào)制方式是BPSK；測(cè)距碼為C/A碼，用于衛(wèi)星多址、衛(wèi)星信號(hào)捕獲、測(cè)距以及提高系統(tǒng)的抗干擾能力；導(dǎo)航電文包含衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘修正、歷書等重要信息。

圖5 民用GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

2.1 “無(wú)GPS”原理

系統(tǒng)向指定區(qū)域輻射中心頻率為1 575.42 MHz的寬帶噪聲信號(hào)，噪聲信號(hào)帶寬為GPS民用通信帶寬2.046 MHz，功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于終端設(shè)備接收的正常GPS信號(hào)功率。GPS信號(hào)被淹沒于寬帶噪聲之中，接收機(jī)無(wú)法解調(diào)出位置信息，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端如同進(jìn)入“無(wú)GPS信號(hào)”區(qū)域。

2.2 “偽GPS”原理

系統(tǒng)利用民用GPS信號(hào)的載頻、調(diào)制方式、C/A碼序列、導(dǎo)航電文等信息公開的特點(diǎn)，仿造與GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)完全相同的“偽GPS”信號(hào)。“偽GPS”信號(hào)包含的位置信息是系統(tǒng)“預(yù)設(shè)位置”信息。在指定區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)在1 575.42 MHz載頻上輻射“偽GPS信號(hào)”，以功率優(yōu)勢(shì)壓制真實(shí)GPS信號(hào)，無(wú)人機(jī)獲取功率更強(qiáng)、信噪比更優(yōu)的“偽GPS信號(hào)”，并解調(diào)出位置信息為系統(tǒng)“預(yù)設(shè)位置”的坐標(biāo)，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端解調(diào)出的GPS信息是“錯(cuò)誤的信息”。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。設(shè)計(jì)分為3部分：波形設(shè)計(jì)、Hack RF配置以及功率放大器模塊設(shè)計(jì)。

圖6 GPS信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)物

3.1 波形設(shè)計(jì)

3.1.1 寬帶噪聲波形設(shè)計(jì)

寬帶噪聲信號(hào)波形由GUN Radio流圖設(shè)計(jì)生成：程序流圖中的“Noise Source”是噪聲源模塊，該模塊裝載高斯白噪聲算法，輸出高斯白噪聲基帶數(shù)據(jù)；“Low Pass Filter”是低通濾波器模塊，該模塊被用來(lái)限制高斯白噪聲信號(hào)的帶寬。寬帶噪聲基帶信號(hào)的波形、帶寬等信息在“Qt GUI Frequency Sink”模塊中觀測(cè)，如圖7所示。

圖7 寬帶噪聲基帶

3.1.2 偽GPS信號(hào)波形設(shè)計(jì)

“偽GPS信號(hào)”的波形設(shè)計(jì)由GPS模擬器（gps-sdr-sim）和GUN Radio共同設(shè)計(jì)生成。“gps-sdr-sim”負(fù)責(zé)產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)；GNU Radio負(fù)責(zé)基帶數(shù)據(jù)引入流圖中的無(wú)線電系統(tǒng)。

“gps-sdr-sim”是開源的 GPS 數(shù)據(jù)仿真器，能根據(jù)星歷文件、預(yù)設(shè)位置坐標(biāo)等信息計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行所需的擴(kuò)頻碼相位、載波相位、電離層延遲、對(duì)流層延遲、多普勒頻移等數(shù)據(jù)，生成“偽導(dǎo)航電文”；偽導(dǎo)航電文序列與偽隨機(jī)序列進(jìn)行“模二加”運(yùn)算，得到一個(gè)衛(wèi)星的“偽導(dǎo)航數(shù)據(jù)”；模擬器一次能模擬多個(gè)GPS衛(wèi)星的偽數(shù)據(jù)，并將它們按時(shí)序封裝成幀，以“BIN文件”保存下來(lái)。

程序流圖中的“File Source”模塊將“BIN文件”引入軟件無(wú)線電系統(tǒng)，“IChar To Complex”模塊將“BIN文件”中的字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)型數(shù)據(jù)，成為通用硬件平臺(tái)Hack RF可識(shí)別的基帶信號(hào)。同樣，“偽GPS信號(hào)”的波形、帶寬等信息可在“Qt GUI Frequency Sink”模塊中觀測(cè)，如圖 8所示。

圖8 “偽GPS”基帶

3.2 Hack RF 配置

Hack RF的配置在程序流圖中的“osmocom Sink”模塊中完成。該模塊不僅將基帶波形單元生成的基帶數(shù)據(jù)發(fā)送給Hack RF，還對(duì)Hack RF的信號(hào)頻率、射頻增益、功率放大器選擇等進(jìn)行配置。本系統(tǒng)中的Hack RF工作于發(fā)射模式，主要工作流程如下：

（1）模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX5864將數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)；

（2）射頻收發(fā)器MAX2837將模擬基帶信號(hào)調(diào)制到頻率為2.6 GHz的中頻信號(hào)，并對(duì)中頻信號(hào)提供0～47 dB的增益控制；

（3）混頻器RFFC5072將中頻信號(hào)變頻到載波頻率1 575.42 MHz ；

（4）通過設(shè)置單刀三擲開關(guān)SKY13317，混頻器輸出的信號(hào)送給放大器MGA-81563進(jìn)行放大，放大器增益為12.4 dB。

由于射頻放大芯片MGA-81563的輸出P1dB壓縮點(diǎn)為14.8 dBm，為保證輸出信號(hào)的線性指標(biāo)，配置射頻收發(fā)器MAX2837中的數(shù)控增益單元為33 dB，最終Hack RF輸出載波信號(hào)功率為4 dBm，如圖9所示。

圖9 Hack RF輸出載波信號(hào)

3.3 功率放大器設(shè)計(jì)

方案中的功率放大器模塊為自主設(shè)計(jì)，射頻鏈路如圖4所示。HMC472是數(shù)控射頻衰減器，受單片機(jī)控制，負(fù)責(zé)功放模塊的增益控制，本設(shè)計(jì)中衰減值設(shè)置為7.5 dB；MGA-31289是寬帶射頻放大器，在1 575.42 MHz頻段提供18 dB增益；AFT27S012N是功率LDMOS，增益為20 dB。模塊采用功率回退方案，在功率放大器AFT27S012N的P1dB壓縮點(diǎn)為41 dBm的情況下，輸出載波信號(hào)功率為34.5 dBm，如圖10所示。

圖10 功率放大器模塊輸出載波信號(hào)

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)控制系統(tǒng)通過“GPS工具”和“地圖工具”來(lái)驗(yàn)證其功能，其中地圖工具使用“高德地圖”。實(shí)驗(yàn)中，將終端分別放置于正常GPS環(huán)境、“無(wú)GPS”環(huán)境以及“偽GPS”環(huán)境等。通過終端的“GPS工具”和“地圖工具”讀取GPS衛(wèi)星狀態(tài)、經(jīng)緯度信息以及地圖位置信息來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)功能，測(cè)試結(jié)果如下：

（1）正常GPS環(huán)境下，終端GPS衛(wèi)星搜索結(jié)果和位置信息如圖11所示：GPS工具顯示搜索到GPS衛(wèi)星8顆，定位坐標(biāo)為 30° 30.6813′N，114° 21.9975′E ；地圖工具顯示當(dāng)前位置為“湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院”。

圖11 正常GPS環(huán)境下的衛(wèi)星搜索結(jié)果和位置信息

（2）GPS信號(hào)控制系統(tǒng)提供“無(wú)GPS信號(hào)”環(huán)境，終端上的GPS衛(wèi)星搜索結(jié)果和位置信息如圖12所示：GPS工具顯示搜索到GPS衛(wèi)星0顆，無(wú)定位坐標(biāo)；地圖工具顯示“定位失敗”。

圖12 “無(wú)GPS”環(huán)境下衛(wèi)星搜索結(jié)果和位置信息

（3）GPS信號(hào)控制系統(tǒng)提供“偽GPS”環(huán)境，系統(tǒng)“預(yù)設(shè)位置”編輯為“南岳衡山風(fēng)景區(qū)”，終端GPS衛(wèi)星搜索結(jié)果和位置信息如圖13所示：GPS工具顯示搜索到GPS衛(wèi)星12顆；GPS 定位坐標(biāo)為 27° 15.9033′N，112° 43.1158′E；地圖工具顯示當(dāng)前位置為“南岳衡山風(fēng)景區(qū)”。

圖13 “偽GPS”環(huán)境下衛(wèi)星搜索結(jié)果和位置信息

由以上驗(yàn)證可知，本文設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)控制系統(tǒng)可在覆蓋區(qū)域內(nèi)使終端處于“無(wú)GPS”狀態(tài) ；也可以使終端接收到“偽GPS”信號(hào)，并解析出錯(cuò)誤的位置信息。驗(yàn)證表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。

5 結(jié) 語(yǔ)

我團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套基于軟件無(wú)線電的GPS信號(hào)控制系統(tǒng)，文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)原理。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)能提供指定的GPS環(huán)境，對(duì)無(wú)人機(jī)操控教學(xué)具有輔助作用。另外，本設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)也可以應(yīng)用于GPS信號(hào)模擬、無(wú)人機(jī)反制等相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)開發(fā)，具有良好的拓展性。