基于通用無(wú)線電外設(shè)的北斗信號(hào)仿真系統(tǒng)

劉舒豪, 尹 露, 鄧中亮, 林開欽

(1.中興通訊股份有限公司，南山 518057；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)并且獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間星座部包括35顆衛(wèi)星，主要是5顆地球靜止軌道(Geostationary Orbit，GEO)衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO)衛(wèi)星組成[1]。目前為止實(shí)現(xiàn)了中國(guó)國(guó)土及周邊區(qū)域的導(dǎo)航定位、授時(shí)、雙向報(bào)文通信服務(wù)能力。計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，向全球提供服務(wù)。隨著北斗系統(tǒng)組網(wǎng)以及覆蓋能力的不斷發(fā)展更新，北斗系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品已逐漸應(yīng)用于通信系統(tǒng)、天氣預(yù)報(bào)、車輛導(dǎo)航、地域測(cè)量等領(lǐng)域，并且在社會(huì)生產(chǎn)和人類生活方面，對(duì)北斗相關(guān)產(chǎn)品的需求也越來(lái)越大。同時(shí)在國(guó)家安全越來(lái)越重要的今天，為了減少對(duì)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的依賴，獨(dú)立發(fā)展自己國(guó)家的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)尤為重要[2-3]。

北斗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為B1、B2、B3三頻信號(hào)完整服務(wù)，在此方面優(yōu)于GPS，三頻導(dǎo)航的能力確保了信號(hào)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的健壯性，在高精度測(cè)量方面更具優(yōu)勢(shì)，高程精度定位能夠達(dá)到10m；在偽距和載波相位精度測(cè)量方面，北斗系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到GPS的水平，偽距測(cè)量精度可達(dá)到33cm，載波精度可達(dá)到2mm[4]。

我國(guó)的北斗系統(tǒng)才開始起步，北斗信號(hào)的測(cè)距碼與GPS的C/A碼的結(jié)構(gòu)有所不同，同時(shí)北斗采取的正交相移鍵控(Quadrature Phase-Shift Key-ing，QPSK)、二進(jìn)制偏移載波(Binary Offset Carri-er，BOC)、正交復(fù)用二進(jìn)制偏移載波(Quadrature Multiplexed BOC，QMBOC)等多種不同的調(diào)制方式。捕獲信號(hào)作為衛(wèi)星信號(hào)接收的關(guān)鍵，北斗接收機(jī)用到的許多關(guān)鍵技術(shù)都是借鑒的GPS接收機(jī)的，北斗捕獲算法與GPS和伽利略系統(tǒng)的捕獲算法基本是一致的[5]。

通用軟件無(wú)線電外圍設(shè)備(Universal Software Radio Peripheral，USRP)是一種低成本并且充分吸收了軟件無(wú)線電思想的軟件無(wú)線電設(shè)備，能夠方便靈活地對(duì)信號(hào)的頻率、帶寬、采樣速率等特性進(jìn)行變更。它的設(shè)計(jì)目的是想讓計(jì)算機(jī)具有和高帶寬的無(wú)線電設(shè)備一樣的功能。它可以充當(dāng)一個(gè)射頻前端，將產(chǎn)生的北斗仿真信號(hào)從基帶調(diào)制到固定的高頻點(diǎn)發(fā)射[6]。

本文主要根據(jù)北斗信號(hào)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)Matlab的編碼產(chǎn)生北斗二號(hào)衛(wèi)星的B1I信號(hào)和北斗三號(hào)衛(wèi)星的B1C信號(hào)，最后用接收機(jī)對(duì)產(chǎn)生的仿真信號(hào)進(jìn)行接收驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)北斗信號(hào)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

1 北斗信號(hào)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

北斗衛(wèi)星的信號(hào)為三頻信號(hào)，包括B1、B2、B3這3個(gè)頻段的信號(hào)，本文主要對(duì)B1信號(hào)進(jìn)行研究，B1信號(hào)的I、Q兩路都采取將測(cè)距碼和導(dǎo)航電文正交擴(kuò)頻調(diào)制在載波上的調(diào)制方式。

1.1 載波

衛(wèi)星的基準(zhǔn)時(shí)鐘源可產(chǎn)生不同的信號(hào)載波頻率，B1信號(hào)的載波頻率為1561.09MHz，調(diào)制方式為QPSK，右旋圓極化，CDMA的復(fù)用方式。

B1信號(hào)的表達(dá)式如下[7]：

(1)

式中，j表示衛(wèi)星編號(hào)；A表示信號(hào)幅度；C表示信號(hào)測(cè)距碼；D表示數(shù)據(jù)碼；f表示載波頻率；φ表示載波初始相位。I、Q分別表示同相、正交支路，I支路內(nèi)容為開放服務(wù)；Q支路內(nèi)容為授權(quán)服務(wù)，暫未公開。

1.2 測(cè)距碼

測(cè)距碼本質(zhì)上是一種偽隨機(jī)噪聲(Pseudo Random Noise，PRN)碼，它具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性。北斗信號(hào)采取擴(kuò)頻通信，所有衛(wèi)星的發(fā)射頻段都是同一頻點(diǎn)，如果不加以區(qū)別，接收機(jī)將無(wú)法分辨不同編號(hào)的衛(wèi)星。因此，接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)航電文上調(diào)制的獨(dú)特的測(cè)距碼便能準(zhǔn)確區(qū)分出各顆衛(wèi)星的編號(hào)。CB1I、CB2I分別為B1I、B2I信號(hào)的測(cè)距碼，碼速率為2.046Mchip/s，碼長(zhǎng)為2046[8]。

具有工程量小、施工方便、節(jié)約勞動(dòng)力的特點(diǎn)，在電力條件不能滿足的情況下，該方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。但該方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

2個(gè)線性序列G1、G2模二加產(chǎn)生Gold碼后，截短一碼片即可組成CB1I、CB2I，G1、G2序列本質(zhì)上是一種m序列，它們都是由11級(jí)線性移位寄存器生成的。兩者生成的多項(xiàng)式分別為：

G1(x)=1+x+x7+x8+x9+x10+x11

(2)

G2(x)= 1+x+x2+x3+x4+x5+

x8+x9+x11

(3)

其中，G1序列初始相位為01010101010；G2序列初始相位為01010101010。

CB1I和CB2I測(cè)距碼的發(fā)生器如圖1所示。

圖1 CB1I和CB2I測(cè)距碼發(fā)生器Fig.1 CB1I and CB2I ranging code generators

為了區(qū)分不同的衛(wèi)星編號(hào)，根據(jù)圖1可以對(duì)G2序列不同的抽頭進(jìn)行模二加操作，可達(dá)到實(shí)現(xiàn)G2序列不同相位偏移的目的。然后與G1序列模二加可以生成不同衛(wèi)星的測(cè)距碼，通過(guò)上述操作該生成器可生成37種不同的測(cè)距碼來(lái)區(qū)分每一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

因?yàn)镻RN碼有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，因此接收機(jī)能有效地剝離測(cè)距碼以獲得有用的衛(wèi)星信息。不同衛(wèi)星的測(cè)距碼的互相關(guān)特性很小，可以說(shuō)幾乎沒(méi)有，但測(cè)距碼的自相關(guān)特性幾乎為1。所以接收機(jī)可以先預(yù)產(chǎn)生所有衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的測(cè)距碼，保存在本地接收機(jī)，當(dāng)接收到衛(wèi)星信號(hào)后，將該衛(wèi)星信號(hào)和所有測(cè)距碼一一進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到碼相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的自相關(guān)特性幾乎為1的測(cè)距碼，此測(cè)距碼對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星編號(hào)即對(duì)應(yīng)發(fā)送該衛(wèi)星信號(hào)的衛(wèi)星編號(hào)。

1.3 導(dǎo)航電文

MEO/IGSO衛(wèi)星的B1I和B2I信號(hào)負(fù)責(zé)播發(fā)D1導(dǎo)航電文，而GEO衛(wèi)星的B1I和B2I信號(hào)負(fù)責(zé)播發(fā)D2導(dǎo)航電文。

2 北斗信號(hào)的調(diào)制與發(fā)射

北斗衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)由載波、偽隨機(jī)碼和數(shù)據(jù)碼共同組成。發(fā)射的時(shí)候，首先用數(shù)據(jù)碼去調(diào)制偽隨機(jī)碼，展寬數(shù)據(jù)碼的頻譜，再用新生成的數(shù)據(jù)碼去調(diào)制載波，讓導(dǎo)航信號(hào)以頻率較高的載波信號(hào)發(fā)射出去。在接收機(jī)部分，先從信號(hào)中剝離載波，再將偽隨機(jī)碼剝離，即先將高頻信號(hào)下變頻到中頻，再用本地預(yù)先產(chǎn)生并保存的測(cè)距碼去解擴(kuò)中頻衛(wèi)星信號(hào)，得到衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)碼。最后根據(jù)星歷參數(shù)表，將解擴(kuò)得到的數(shù)據(jù)碼轉(zhuǎn)換為定位參數(shù)，完成定位，北斗信號(hào)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 北斗信號(hào)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Schematic of Beidou signal structure block

2.1 北斗信號(hào)的產(chǎn)生

在對(duì)整體信號(hào)模塊進(jìn)行編輯前，先進(jìn)行參數(shù)初始化模塊，讀取參數(shù)。首先將中頻、采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置。包括獲取星上設(shè)備時(shí)延差，表示基準(zhǔn)設(shè)備時(shí)延和信號(hào)時(shí)延的差值；讀取北斗衛(wèi)星星歷參數(shù)，用于導(dǎo)航定位時(shí)坐標(biāo)等參數(shù)的計(jì)算；然后進(jìn)行CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)以及BCH(15,11,1)糾錯(cuò)編碼加交織。

初始化模塊準(zhǔn)備就緒后，對(duì)測(cè)距碼模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)中國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星辦公室發(fā)布的空間信號(hào)接口控制文件，對(duì)測(cè)距碼進(jìn)行編碼產(chǎn)生G1、G2序列。將G1序列和G2序列抽頭模二加之后生成北斗信號(hào)的測(cè)距碼。

接下來(lái)對(duì)北斗信號(hào)的導(dǎo)航電文進(jìn)行編碼，根據(jù)控制文件公布的D1、D2導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)，對(duì)D1、D2導(dǎo)航電文的幀結(jié)構(gòu)及每一幀對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行定義編碼。

最后將信號(hào)調(diào)制到高頻點(diǎn)，并構(gòu)建多普勒頻移計(jì)算模塊，對(duì)多普勒頻移進(jìn)行計(jì)算，最終生成B1I和B1C信號(hào)，生成的部分信號(hào)展示如圖3所示。

圖3 北斗信號(hào)生成圖Fig.3 Beidou signal generation diagram

圖3中，生成300s的衛(wèi)星信號(hào)，B1I信號(hào)、B1C信號(hào)兩者載波頻率分別為1561.098MHz和1575.42MHz，采樣頻率取為5714280Hz，顯示了星載參考時(shí)鐘、方位角、海拔高度等星歷參數(shù)，后續(xù)會(huì)對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，利用接收機(jī)對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 北斗信號(hào)的發(fā)射

SDR程序?yàn)樵诠P記本電腦上利用高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)編輯的通信模塊，C語(yǔ)言編寫的SDR程序能夠較好地滿足SDR系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性。因?yàn)椴煌耐庠O(shè)會(huì)用到不同的驅(qū)動(dòng)模塊，采用UHD來(lái)驅(qū)動(dòng)USRP外設(shè)，并且調(diào)用系統(tǒng)接口和內(nèi)核。GPP和USRP是通過(guò)高速接口USB3.0連接的，它的理論傳輸速度為500Mbit/s，能夠很好地滿足系統(tǒng)吞吐量的需求，不會(huì)因?yàn)榻涌谒俣榷拗普麄€(gè)系統(tǒng)的性能[10-11]。USRP中首先工作的是FPGA模塊，F(xiàn)PGA包括了數(shù)字上變頻(DUC)和發(fā)送控制2個(gè)模塊，并且FPGA具有較快的處理速度，發(fā)送控制模塊是用來(lái)控制整個(gè)USRP的接發(fā)行為的，DUC模塊的主要任務(wù)是將電腦傳輸過(guò)來(lái)的基帶數(shù)據(jù)上變頻到中頻。接著經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，將數(shù)字域信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬域信號(hào)，再經(jīng)過(guò)低通濾波器使得信號(hào)變得平滑。最后用得到的中頻模擬域數(shù)據(jù)和晶振產(chǎn)生的信號(hào)相乘，則可以將中頻信號(hào)調(diào)制到固定的頻點(diǎn)，并使用功率放大器放大后發(fā)射。使用USRP設(shè)備將電腦產(chǎn)生的北斗信號(hào)二進(jìn)制基帶數(shù)據(jù)當(dāng)作衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射，USRP硬件與電腦的連接圖和發(fā)射示意圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 USRP實(shí)際連接圖Fig.4 Schematic of USRP actual connection

圖5 北斗信號(hào)發(fā)射圖Fig.5 Schematic of Beidou signal transmission

3 實(shí)驗(yàn)仿真與驗(yàn)證

3.1 多普勒頻移仿真

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備組成圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)備組成圖
Fig.6 Schematic of system equipment

首先在電腦端通過(guò)Matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，產(chǎn)生預(yù)期的北斗B1I信號(hào)，接下來(lái)將產(chǎn)生的北斗信號(hào)以二進(jìn)制文件的形式在USRP上進(jìn)行調(diào)制后，通過(guò)USRP的天線將射頻信號(hào)發(fā)射出去，最后通過(guò)北斗接收機(jī)接收該仿真信號(hào)并進(jìn)行驗(yàn)證。

分別對(duì)北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星進(jìn)行了多普勒頻移仿真，其中PRN#2衛(wèi)星信號(hào)多普勒頻移如圖7所示。

圖7 PRN#2衛(wèi)星信號(hào)多普勒頻移Fig.7 PRN#2 satellite signal Doppler shift

3.2 仿真信號(hào)的驗(yàn)證

GNSS接收機(jī)對(duì)仿真系統(tǒng)生成并發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行接收，仿真時(shí)間設(shè)定為2018年5月3日5：59：42，實(shí)際測(cè)量時(shí)間為2018年6月7日10：52：38開始，根據(jù)經(jīng)緯度選取一個(gè)點(diǎn)為初始位置，以該初始位置為參考，仿真信號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡半徑設(shè)置為10km，時(shí)間為接收機(jī)位置的TTR時(shí)間減去自動(dòng)參考時(shí)間，仿真信號(hào)沿著圓周做運(yùn)動(dòng)，速度可由時(shí)間和運(yùn)動(dòng)距離決定，信號(hào)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式如圖8所示。

圖8 仿真信號(hào)設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Setting trajectory of the simulated signal

在實(shí)際情況下，用USRP發(fā)射仿真系統(tǒng)生成的信號(hào)，用接收機(jī)接收并顯示信號(hào)的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可以看到，仿真信號(hào)能良好地按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，但是由于接收機(jī)從開機(jī)啟動(dòng)時(shí)搜索衛(wèi)星會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)，根據(jù)設(shè)定的速度，仿真信號(hào)已經(jīng)沿著圓周走過(guò)了62.8km，而開始時(shí)接收機(jī)沒(méi)有收到仿真信號(hào)。故當(dāng)接收機(jī)收到仿真信號(hào)后，軌跡會(huì)呈現(xiàn)為從初始的位置沿著直線到達(dá)初次接收到仿真信號(hào)的位置，所以開始階段的軌跡有所偏差(見圖9)。后續(xù)仿真接收結(jié)果基本符合設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，由此可見仿真系統(tǒng)產(chǎn)生了良好的仿真信號(hào)。

圖9 仿真信號(hào)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 Actual trajectory of the simulated signal

4 結(jié)論

本文分析了北斗衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和介紹了信號(hào)的各部分結(jié)構(gòu)，使用Matlab定義并編碼產(chǎn)生了研究較多的北斗二號(hào)的B1I信號(hào)和研究較少的北斗三號(hào)的B1C信號(hào)?；赨SRP對(duì)信號(hào)進(jìn)行了發(fā)射，最終通過(guò)接收信號(hào)來(lái)驗(yàn)證仿真系統(tǒng)是否產(chǎn)生了可用的仿真信號(hào)，由此完成一套完整的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。