基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器設(shè)計(jì)

黃　桂，紀(jì)元法，孫希延

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器設(shè)計(jì)

黃桂，紀(jì)元法，孫希延

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

摘要偽衛(wèi)星技術(shù)能夠增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度，并能夠進(jìn)行單獨(dú)定位。偽衛(wèi)星信號發(fā)射器是實(shí)現(xiàn)偽衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)，通過對偽衛(wèi)星信號的研究，設(shè)計(jì)了基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的單體偽衛(wèi)星信號發(fā)射器，并對其性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器能夠?qū)崟r(shí)產(chǎn)生偽衛(wèi)星信號，并且信號頻譜與理論相符，能夠被接收機(jī)捕獲跟蹤，滿足實(shí)際使用需求。

關(guān)鍵詞GPS；偽衛(wèi)星；信號頻譜；捕獲跟蹤

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中的任何一種系統(tǒng)，都在一些特殊場合下無法滿足定位要求[1]。例如，在飛機(jī)進(jìn)場方面，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)在垂直方向的定位精度并不能滿足飛機(jī)的精確著陸；在城市中對車輛監(jiān)控導(dǎo)航方面，GNSS由于受到可見星數(shù)目的限制，并不能滿足連續(xù)定位的要求。為了彌補(bǔ)GNSS存在的局限性，偽衛(wèi)星定位技術(shù)作為一種解決方案得到了積極的研究[2]。

國內(nèi)偽衛(wèi)星產(chǎn)品較少，基于此，利用DSP和FPGA硬件平臺設(shè)計(jì)了GPS單體偽衛(wèi)星信號發(fā)射器基帶模塊，能夠?qū)崟r(shí)生成數(shù)據(jù)信息(D碼)，保證信號的連續(xù)性；設(shè)計(jì)了相應(yīng)的射頻模塊，實(shí)現(xiàn)信號的上變頻。偽衛(wèi)星信號最終可以被接收機(jī)捕獲跟蹤，說明了偽衛(wèi)星發(fā)射器的可用性。

1GSP偽衛(wèi)星信號發(fā)射器整體方案

GPS偽衛(wèi)星信號發(fā)射器主要包括基帶模塊和射頻模塊,設(shè)計(jì)流程如圖1所示[3]。主控站通過FPGA的FIFO將星歷參數(shù)注入DSP，DSP實(shí)時(shí)編寫D碼，并將D碼返回給FPGA；同時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生偽碼以及載波，并將偽碼與D碼擴(kuò)頻后的信號調(diào)制到載波上，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到20.42 MHz的模擬中頻信號；最后經(jīng)過射頻上變頻為1 575.42 MHz，并從天線發(fā)射出去[4]。

圖1　偽衛(wèi)星發(fā)射器設(shè)計(jì)流程

2基帶模塊設(shè)計(jì)

2.1C/A碼發(fā)生器設(shè)計(jì)

CA碼發(fā)生器由FPGA實(shí)現(xiàn)：① 將CA碼表存入FPGA的內(nèi)核ROM中；② 通過碼頻率控制字k的累加改變碼NCO值，當(dāng)碼NCO值溢出時(shí)輸出碼表中的一個碼片值；③ 將碼NCO置零，重新累加碼頻率控制字，當(dāng)碼NCO值溢出時(shí)輸出下一個碼片值[5]。C/A碼生成如圖2所示。

圖2　C/A碼生成

對于碼頻率控制字，根據(jù)FPGA累加器的大小可以得到溢出值為：236=68 719 476 736。

由于FPGA時(shí)鐘頻率是62 MHz ，C/A碼速率是1.023 MHz，所以每個時(shí)鐘累加的碼頻率控制字為：

2.2載波發(fā)生器設(shè)計(jì)

載波信號發(fā)生器同樣由FPGA實(shí)現(xiàn)：① 將正余弦波形相位的幅值存入FPGA的IP核中；② 通過載波頻率控制字k的累加改變載波NCO值；③ 當(dāng)載波NCO值溢出時(shí)，輸出一個相位幅值。載波信號生成如圖3所示。

圖3　載波信號

對于載波頻率控制字，由于基帶信號頻率為20.42 MHz，每個時(shí)鐘累加的載波頻率控制字為：

2.3D碼編寫與存儲

D碼的編寫由DSP實(shí)時(shí)完成，并通過乒乓操作的方法存儲到FPGA中，導(dǎo)航電文存儲如圖4所示[6]。

圖4　D碼存儲

① 在FPGA中定義2個300 bit的寄存器buff1和buff2，并分別預(yù)先存儲300 bit的D碼；

② FPGA計(jì)算時(shí)鐘個數(shù)，20 ms到來時(shí)，將buff1寄存器中的1 bit D碼與CA碼進(jìn)行擴(kuò)頻處理，并由DSP響應(yīng)FPGA發(fā)出的中斷請求計(jì)算D碼比特?cái)?shù)；

③ FPGA時(shí)鐘計(jì)數(shù)到6 s，將buff2的D碼傳給buff1，然后重新計(jì)算時(shí)鐘個數(shù)，循環(huán)步驟②中的操作；

④ FPGA時(shí)鐘計(jì)算到下一個3 s，DSP開始生成下一幀D碼，然后傳給buff2，循環(huán)步驟③ 中的操作。

2.4信號調(diào)制設(shè)計(jì)

信號調(diào)制設(shè)計(jì)中C/A碼與D碼異或相加實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，擴(kuò)頻結(jié)果navc與載波進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出20.42 MHz的模擬中頻信號。信號調(diào)制波形如圖5所示。

圖5　信號調(diào)制

3射頻模塊設(shè)計(jì)

本文采用超外差方式設(shè)計(jì)射頻模塊[7]。設(shè)計(jì)中選擇ADRF6755射頻芯片，參考時(shí)鐘首先通過配置得到鑒相鑒頻器的參考信號，其次與分頻器的結(jié)果相比較，然后轉(zhuǎn)換成可以改變壓控振蕩器值的電壓，最后和中頻信號混頻生成射頻信號。

鑒相頻鑒器的參考信號頻率為：

fPFD=fREIN×[(1+D)/(R×(1+T))]。

式中，fREIN為參考時(shí)鐘；D為倍頻器位；R為分頻比；T為R/2分頻器位。

分頻器的N分頻值為：

N=(2RFDIV×LO)/fPFD=INT+FRAC/225。

式中，LO為本振頻率；RFDIV為寄存器設(shè)置位；INT為整數(shù)分頻；FRAC為小數(shù)分頻。

由此可知，根據(jù)相關(guān)寄存器的配置得到分頻器的分頻比。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文從3個方面對偽衛(wèi)星信號發(fā)射器進(jìn)行測試，首先是測試基帶模塊產(chǎn)生的中頻信號；其次測試經(jīng)過上變頻后的射頻信號；最后從接收機(jī)端測試信號的捕獲跟蹤性能。

4.1中頻信號測試

采用頻譜儀測試中頻信號，出現(xiàn)了明顯的波峰，如圖6所示。信號中心頻率為20.42 MHz，主瓣上的能量較大，旁瓣能量逐漸減少，與理論相符。

圖6　中頻信號

4.2射頻信號測試

采用頻譜儀測試射頻信號，如圖7所示。經(jīng)過射頻后得到的頻率是1 575.42 MHz，與GPS的L1頻點(diǎn)相同，信號可以被GPS接收機(jī)接收，滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖7　射頻信號

4.3接收機(jī)測試

本文的偽衛(wèi)星選用26號CA碼，對中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲仿真測試分析，如圖8所示。

圖8　軟件接收機(jī)捕獲

因?yàn)橹蓄l信號直接連接采集模塊，所以仿真結(jié)果中噪聲較弱，而相關(guān)峰與噪聲基底相比顯然較高，表明捕獲到偽衛(wèi)星信號[8]。

通過普通商業(yè)接收機(jī)UBLOX接收射頻發(fā)射的信號，如圖9所示。圖9中接收機(jī)捕獲跟蹤到了26號偽衛(wèi)星信號，并且信號功率為44 dB，滿足理論要求，說明了整個設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖9　UBLOX接收機(jī)捕獲跟蹤

5結(jié)束語

本文通過DSP+FPGA平臺完成了GPS偽衛(wèi)星信號發(fā)射器的設(shè)計(jì)，由DSP實(shí)時(shí)生成導(dǎo)航電文，F(xiàn)PGA完成信號調(diào)制，最終生成中頻信號；并設(shè)計(jì)射頻模塊，將20.42 MHz混頻到1 575.42 MHz。通過頻譜儀查看中頻、射頻信號，波峰明顯；用商用接收機(jī)能實(shí)現(xiàn)對偽衛(wèi)星的捕獲跟蹤，證明了偽衛(wèi)星信號發(fā)射器的可靠性,為偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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黃桂男，(1988—)，碩士生。主要研究方向：信號處理、衛(wèi)星導(dǎo)航。

紀(jì)元法男，(1975—)，博士，教授。主要研究方向：信號處理、衛(wèi)星導(dǎo)航。

作者簡介

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61162007，61271284，61362005)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013GXNSFA019004,PF140909)；廣西無線寬帶通信與信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金資助項(xiàng)目(GXKL0614102)；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目。

收稿日期：2015-12-24

中圖分類號TP228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0068-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.19

引用格式：黃桂,紀(jì)元法,孫希延.基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星信號發(fā)射器設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(3):68-70.