基于GPS导航系统的伪卫星信号发射器设计

黄　桂，纪元法，孙希延

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)



基于GPS导航系统的伪卫星信号发射器设计

黄桂，纪元法，孙希延

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

摘要伪卫星技术能够增强卫星导航定位精度，并能够进行单独定位。伪卫星信号发射器是实现伪卫星定位的基础，通过对伪卫星信号的研究，设计了基于GPS导航系统的单体伪卫星信号发射器，并对其性能进行测试。实验结果表明，设计的伪卫星信号发射器能够实时产生伪卫星信号，并且信号频谱与理论相符，能够被接收机捕获跟踪，满足实际使用需求。

关键词GPS；伪卫星；信号频谱；捕获跟踪

Design on Pseudolite Signal Transmitter Based on GPS Navigation System

HUANG Gui,JI Yuan-fa,SUN Xi-yan

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

AbstractThe pseudolite technology can enhance the accuracy of satellite navigation,and also be performed separately.The pseudolite signal transmitter is the foundation of implementing pseudolite positioning.By studying pseudolite signals,this paper designs the single pseudolite signal emitter based on GPS navigation system,and performs performance test.The experimental results show that the design of the pseudolite signal transmitter can produce real-time pseudolite signal,of which the spectrum is consistent with theoretical value and the pseudolite signal can be captured and tracked by receiver,so this transmitter can meet the require actual demand.

Key wordsGPS;pseudolite;signal spectrum;acquisition and tracking

0引言

GPS、GLONASS、Galileo以及BD中的任何一种系统，都在一些特殊场合下无法满足定位要求[1]。例如，在飞机进场方面，全球卫星导航系统(GNSS)在垂直方向的定位精度并不能满足飞机的精确着陆；在城市中对车辆监控导航方面，GNSS由于受到可见星数目的限制，并不能满足连续定位的要求。为了弥补GNSS存在的局限性，伪卫星定位技术作为一种解决方案得到了积极的研究[2]。

国内伪卫星产品较少，基于此，利用DSP和FPGA硬件平台设计了GPS单体伪卫星信号发射器基带模块，能够实时生成数据信息(D码)，保证信号的连续性；设计了相应的射频模块，实现信号的上变频。伪卫星信号最终可以被接收机捕获跟踪，说明了伪卫星发射器的可用性。

1GSP伪卫星信号发射器整体方案

GPS伪卫星信号发射器主要包括基带模块和射频模块,设计流程如图1所示[3]。主控站通过FPGA的FIFO将星历参数注入DSP，DSP实时编写D码，并将D码返回给FPGA；同时，FPGA产生伪码以及载波，并将伪码与D码扩频后的信号调制到载波上，通过数模转换器得到20.42 MHz的模拟中频信号；最后经过射频上变频为1 575.42 MHz，并从天线发射出去[4]。

图1　伪卫星发射器设计流程

2基带模块设计

2.1C/A码发生器设计

CA码发生器由FPGA实现：① 将CA码表存入FPGA的内核ROM中；② 通过码频率控制字k的累加改变码NCO值，当码NCO值溢出时输出码表中的一个码片值；③ 将码NCO置零，重新累加码频率控制字，当码NCO值溢出时输出下一个码片值[5]。C/A码生成如图2所示。

图2　C/A码生成

对于码频率控制字，根据FPGA累加器的大小可以得到溢出值为：236=68 719 476 736。

由于FPGA时钟频率是62 MHz ，C/A码速率是1.023 MHz，所以每个时钟累加的码频率控制字为：

2.2载波发生器设计

载波信号发生器同样由FPGA实现：① 将正余弦波形相位的幅值存入FPGA的IP核中；② 通过载波频率控制字k的累加改变载波NCO值；③ 当载波NCO值溢出时，输出一个相位幅值。载波信号生成如图3所示。

图3　载波信号

对于载波频率控制字，由于基带信号频率为20.42 MHz，每个时钟累加的载波频率控制字为：

2.3D码编写与存储

D码的编写由DSP实时完成，并通过乒乓操作的方法存储到FPGA中，导航电文存储如图4所示[6]。

图4　D码存储

① 在FPGA中定义2个300 bit的寄存器buff1和buff2，并分别预先存储300 bit的D码；

② FPGA计算时钟个数，20 ms到来时，将buff1寄存器中的1 bit D码与CA码进行扩频处理，并由DSP响应FPGA发出的中断请求计算D码比特数；

③ FPGA时钟计数到6 s，将buff2的D码传给buff1，然后重新计算时钟个数，循环步骤②中的操作；

④ FPGA时钟计算到下一个3 s，DSP开始生成下一帧D码，然后传给buff2，循环步骤③ 中的操作。

2.4信号调制设计

信号调制设计中C/A码与D码异或相加实现扩频，扩频结果navc与载波进行二进制相移键控(BPSK)调制，经过数模转换器输出20.42 MHz的模拟中频信号。信号调制波形如图5所示。

图5　信号调制

3射频模块设计

本文采用超外差方式设计射频模块[7]。设计中选择ADRF6755射频芯片，参考时钟首先通过配置得到鉴相鉴频器的参考信号，其次与分频器的结果相比较，然后转换成可以改变压控振荡器值的电压，最后和中频信号混频生成射频信号。

鉴相频鉴器的参考信号频率为：

fPFD=fREIN×[(1+D)/(R×(1+T))]。

式中，fREIN为参考时钟；D为倍频器位；R为分频比；T为R/2分频器位。

分频器的N分频值为：

N=(2RFDIV×LO)/fPFD=INT+FRAC/225。

式中，LO为本振频率；RFDIV为寄存器设置位；INT为整数分频；FRAC为小数分频。

由此可知，根据相关寄存器的配置得到分频器的分频比。

4实验结果及分析

本文从3个方面对伪卫星信号发射器进行测试，首先是测试基带模块产生的中频信号；其次测试经过上变频后的射频信号；最后从接收机端测试信号的捕获跟踪性能。

4.1中频信号测试

采用频谱仪测试中频信号，出现了明显的波峰，如图6所示。信号中心频率为20.42 MHz，主瓣上的能量较大，旁瓣能量逐渐减少，与理论相符。

图6　中频信号

4.2射频信号测试

采用频谱仪测试射频信号，如图7所示。经过射频后得到的频率是1 575.42 MHz，与GPS的L1频点相同，信号可以被GPS接收机接收，满足设计的要求。

图7　射频信号

4.3接收机测试

本文的伪卫星选用26号CA码，对中频数据进行捕获仿真测试分析，如图8所示。

图8　软件接收机捕获

因为中频信号直接连接采集模块，所以仿真结果中噪声较弱，而相关峰与噪声基底相比显然较高，表明捕获到伪卫星信号[8]。

通过普通商业接收机UBLOX接收射频发射的信号，如图9所示。图9中接收机捕获跟踪到了26号伪卫星信号，并且信号功率为44 dB，满足理论要求，说明了整个设计方案的可行性。

图9　UBLOX接收机捕获跟踪

5结束语

本文通过DSP+FPGA平台完成了GPS伪卫星信号发射器的设计，由DSP实时生成导航电文，FPGA完成信号调制，最终生成中频信号；并设计射频模块，将20.42 MHz混频到1 575.42 MHz。通过频谱仪查看中频、射频信号，波峰明显；用商用接收机能实现对伪卫星的捕获跟踪，证明了伪卫星信号发射器的可靠性,为伪卫星定位系统的研究和设计奠定了基础。

参考文献

[1]宋倩,张波,李署坚.地面伪卫星组网布设技术研究[J].计算机测量与控制,2013,21(3):743-746.

[2]王晓辉,战兴群,翟传润,等.伪卫星增强GPS定位技术及现状分析[J].测绘科学,2009,34(3):11-13.

[3]王亚宾,战兴群,徐洪亮,等.伪卫星室内导航定位系统研究和设计[J].计算机测量与控制,2012,20(3):793-796.

[4]吴静,常青,吴今培,等.高动态GPS信号模拟器卫星星历产生方法研究[J].无线电工程,2004,34(5):42-44.

[5]刘妍君.一种GPS伪卫星基带设计与实现[J].现代导航,2014,6(3):179-182.

[6]李实,翟传润,张虹,等.基于DSP的GPS伪卫星中频信号源的实现[J].微计算机信息,2007,23(11-2):178-180.

[7]毛振华,站兴群,徐洪亮.低成本单频伪卫星基带/中频设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(4):875-877.

[8]张禛君,徐洪亮,站兴群,等.GPS伪卫星发射机的测试和技术研究[J].测控技术,2012,31(42):114-118.

黄桂男，(1988—)，硕士生。主要研究方向：信号处理、卫星导航。

纪元法男，(1975—)，博士，教授。主要研究方向：信号处理、卫星导航。

作者简介

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61162007，61271284，61362005)；广西自然科学基金资助项目(2013GXNSFA019004,PF140909)；广西无线宽带通信与信号处理重点实验室主任基金资助项目(GXKL0614102)；广西研究生教育创新计划资助项目。

收稿日期：2015-12-24

中图分类号TP228.4

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0068-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.19

引用格式：黄桂,纪元法,孙希延.基于GPS导航系统的伪卫星信号发射器设计[J].无线电工程,2016,46(3):68-70.