基于軟件無線電的GPS信號控制系統(tǒng)設計

唐 正，呂曉蕊，李 鵬

（1.湖北交通職業(yè)技術學院 交通信息學院，湖北 武漢 430079；2.武漢鐵路職業(yè)技術學院 鐵道通信與信號學院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

近年來，我國無人機產業(yè)發(fā)展迅猛。伴隨無人機市場的擴大，我國大專院校陸續(xù)開設了無人機相關專業(yè)。在專業(yè)建設方面，高職院校著重無人機組裝、維護以及操作等技能的培養(yǎng)，將學生培養(yǎng)成為合格的無人機“飛手”是無人機專業(yè)重要的人才培養(yǎng)方向。

隨著無線產品的使用越來越多，在某些區(qū)域甚至還出現(xiàn)了違規(guī)架設“無人機反制”設備的情況。這些因素致使無人機作業(yè)時所處的電磁環(huán)境越來越復雜。復雜的電磁環(huán)境會影響無人機的通信，致使無人機無法順利接收GPS信號。失去GPS信號的無人機易被非法捕獲，還會發(fā)生墜機并引發(fā)次生災害。這不僅會造成財產損失，還會對公共秩序帶來威脅。因此，無人機“飛手”學員在校接受無人機操控訓練時，應引入在復雜GPS環(huán)境下操控無人機的教學環(huán)節(jié)，幫助學員合理應對無人機作業(yè)時GPS信號不正常的情況，避免事故發(fā)生。

本文設計了一套GPS信號控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于軟件無線電理念開發(fā)，硬件部分包括通用硬件平臺Hack RF和功率放大器模塊；軟件部分主要使用GNU Radio。系統(tǒng)能在無人機操控教學區(qū)域內提供2種GPS環(huán)境：（1）“無GPS”環(huán)境；（2）“偽GPS” 環(huán)境。系統(tǒng)集成度高、操作簡單，能有效幫助無人機專業(yè)學生提高操控無人機的實戰(zhàn)能力。

1 系統(tǒng)介紹

本文設計的GPS信號控制系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)分為基帶波形單元和信號發(fā)射單元2部分。

圖1 GPS信號控制系統(tǒng)功能框架

（1）基帶波形單元生成寬帶噪聲信號和“偽GPS”信號等2種波形的基帶數據。其中，“偽GPS”信號的算法設計、數據制作由GPS模擬器完成；寬帶噪聲信號的算法設計、數據制作以及兩種波形的調用由GNU Radio完成。

（2）信號發(fā)射單元由Hack RF和功率放大器模塊組成，實現(xiàn)數模轉換、上變頻、增益控制以及功率放大等功能。

1.1 GNU Radio 介紹

GNU Radio是一個開源的軟件無線電軟件平臺，由C++語言和Python語言混合編寫而成。該平臺提供了通信系統(tǒng)常用的信號源模塊、信號處理模塊以及與通用軟件無線電硬件外設的接口。GNU Radio提供圖形化設計界面，降低了軟件算法開發(fā)難度。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)以流圖設計的方式進行，程序實現(xiàn)的功能包括：GPS波形部署、信號處理、硬件平臺參數配置以及人機交互。GPS信號控制系統(tǒng)的程序流圖設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的程序流圖設計

1.2 Hack RF 介紹

Hack RF是軟件無線電的通用硬件平臺，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，其硬件結構如圖3所示。本設計中，Hack RF將軟件平臺生成的數字基帶信號轉換為模擬信號，對模擬信號進行上變頻、放大以及增益控制，信號輸出給功率放大器模塊。

圖3 Hack RF硬件結構

1.3 功率放大器模塊介紹

功率放大器模塊將Hack RF輸出的射頻信號進行功率放大，其射頻鏈路設計如圖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信號控制系統(tǒng)在指定區(qū)域提供多種GPS環(huán)境，關鍵技術是控制區(qū)域內終端設備接收到的GPS信號。GPS信號包括載波、測距碼以及導航電文，民用GPS信號的相關信息是公開的，其信號結構如圖5所示。其中，載波信號的頻率為1 575.42 MHz；調制方式是BPSK；測距碼為C/A碼，用于衛(wèi)星多址、衛(wèi)星信號捕獲、測距以及提高系統(tǒng)的抗干擾能力；導航電文包含衛(wèi)星星歷、時鐘修正、歷書等重要信息。

圖5 民用GPS信號結構

2.1 “無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，噪聲信號帶寬為GPS民用通信帶寬2.046 MHz，功率遠遠大于終端設備接收的正常GPS信號功率。GPS信號被淹沒于寬帶噪聲之中，接收機無法解調出位置信息，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內的終端如同進入“無GPS信號”區(qū)域。

2.2 “偽GPS”原理

系統(tǒng)利用民用GPS信號的載頻、調制方式、C/A碼序列、導航電文等信息公開的特點，仿造與GPS信號結構完全相同的“偽GPS”信號。“偽GPS”信號包含的位置信息是系統(tǒng)“預設位置”信息。在指定區(qū)域內，系統(tǒng)在1 575.42 MHz載頻上輻射“偽GPS信號”，以功率優(yōu)勢壓制真實GPS信號，無人機獲取功率更強、信噪比更優(yōu)的“偽GPS信號”，并解調出位置信息為系統(tǒng)“預設位置”的坐標，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內的終端解調出的GPS信息是“錯誤的信息”。

3 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)實物如圖6所示。設計分為3部分：波形設計、Hack RF配置以及功率放大器模塊設計。

圖6 GPS信號控制系統(tǒng)實物

3.1 波形設計

3.1.1 寬帶噪聲波形設計

寬帶噪聲信號波形由GUN Radio流圖設計生成：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據；“Low Pass Filter”是低通濾波器模塊，該模塊被用來限制高斯白噪聲信號的帶寬。寬帶噪聲基帶信號的波形、帶寬等信息在“Qt GUI Frequency Sink”模塊中觀測，如圖7所示。

圖7 寬帶噪聲基帶

3.1.2 偽GPS信號波形設計

“偽GPS信號”的波形設計由GPS模擬器（gps-sdr-sim）和GUN Radio共同設計生成?！癵ps-sdr-sim”負責產生基帶數據；GNU Radio負責基帶數據引入流圖中的無線電系統(tǒng)。

“gps-sdr-sim”是開源的 GPS 數據仿真器，能根據星歷文件、預設位置坐標等信息計算出系統(tǒng)運行所需的擴頻碼相位、載波相位、電離層延遲、對流層延遲、多普勒頻移等數據，生成“偽導航電文”；偽導航電文序列與偽隨機序列進行“模二加”運算，得到一個衛(wèi)星的“偽導航數據”；模擬器一次能模擬多個GPS衛(wèi)星的偽數據，并將它們按時序封裝成幀，以“BIN文件”保存下來。

程序流圖中的“File Source”模塊將“BIN文件”引入軟件無線電系統(tǒng)，“IChar To Complex”模塊將“BIN文件”中的字符型數據轉換為復數型數據，成為通用硬件平臺Hack RF可識別的基帶信號。同樣，“偽GPS信號”的波形、帶寬等信息可在“Qt GUI Frequency Sink”模塊中觀測，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據發(fā)送給Hack RF，還對Hack RF的信號頻率、射頻增益、功率放大器選擇等進行配置。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）模數轉換器MAX5864將數字基帶信號轉換為模擬基帶信號；

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

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

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

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

圖9 Hack RF輸出載波信號

3.3 功率放大器設計

方案中的功率放大器模塊為自主設計，射頻鏈路如圖4所示。HMC472是數控射頻衰減器，受單片機控制，負責功放模塊的增益控制，本設計中衰減值設置為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壓縮點為41 dBm的情況下，輸出載波信號功率為34.5 dBm，如圖10所示。

圖10 功率放大器模塊輸出載波信號

4 系統(tǒng)驗證

本文設計的GPS信號控制系統(tǒng)通過“GPS工具”和“地圖工具”來驗證其功能，其中地圖工具使用“高德地圖”。實驗中，將終端分別放置于正常GPS環(huán)境、“無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)、經緯度信息以及地圖位置信息來驗證系統(tǒng)功能，測試結果如下：

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

圖11 正常GPS環(huán)境下的衛(wèi)星搜索結果和位置信息

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

圖12 “無GPS”環(huán)境下衛(wèi)星搜索結果和位置信息

（3）GPS信號控制系統(tǒng)提供“偽GPS”環(huán)境，系統(tǒng)“預設位置”編輯為“南岳衡山風景區(qū)”，終端GPS衛(wèi)星搜索結果和位置信息如圖13所示：GPS工具顯示搜索到GPS衛(wèi)星12顆；GPS 定位坐標為 27° 15.9033′N，112° 43.1158′E；地圖工具顯示當前位置為“南岳衡山風景區(qū)”。

圖13 “偽GPS”環(huán)境下衛(wèi)星搜索結果和位置信息

由以上驗證可知，本文設計的GPS信號控制系統(tǒng)可在覆蓋區(qū)域內使終端處于“無GPS”狀態(tài) ；也可以使終端接收到“偽GPS”信號，并解析出錯誤的位置信息。驗證表明，系統(tǒng)設計成功。

5 結 語

我團隊設計了一套基于軟件無線電的GPS信號控制系統(tǒng)，文中詳細介紹了系統(tǒng)的架構和設計原理。經驗證，系統(tǒng)能提供指定的GPS環(huán)境，對無人機操控教學具有輔助作用。另外，本設計及相關技術也可以應用于GPS信號模擬、無人機反制等相關領域的設計開發(fā)，具有良好的拓展性。