基于樹莓派的軟件無線電體制GPS信號模擬器

李振華 劉劍光 廖有幸

摘要：本文以樹莓派嵌入式系統(tǒng)板作為運(yùn)算處理核心，構(gòu)建了軟件無線電體制的GPS信號模擬器。通過使用OpenMP并行計(jì)算加速技術(shù)，提高了基帶信號的產(chǎn)生效率，實(shí)現(xiàn)了12通道基帶GPS信號的實(shí)時產(chǎn)生和傳輸；通過使用Web動態(tài)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了跨平臺的設(shè)備遠(yuǎn)程控制管理。并且利用北斗星通天璇 C200-AT導(dǎo)航接收機(jī)對模擬器輸出信號進(jìn)行了測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能和輸出信號的有效性。

關(guān)鍵詞：GPS模擬器；樹莓派；軟件無線電；OpenMP

中圖分類號：TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0090-03

1 引言

GPS信號模擬器能夠直接產(chǎn)生具備解調(diào)定位性能的衛(wèi)星導(dǎo)航信號。對導(dǎo)航接收機(jī)來說，GPS信號模擬器產(chǎn)生的導(dǎo)航信號與衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號無異。通過跟蹤解調(diào)，接收機(jī)能夠按照GPS信號模擬器的設(shè)定輸出期望的定位結(jié)果。GPS信號模擬器在導(dǎo)航接收機(jī)和導(dǎo)航干擾裝備研發(fā)測試、導(dǎo)航系統(tǒng)仿真研究等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。近年來，隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，利用軟件算法替代傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)極大提高了無線電系統(tǒng)的功能和靈活性，同時簡化了無線電系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，降低了成本。本文圍繞GPS信號模擬器的工作原理，利用樹莓派嵌入式系統(tǒng)板作為運(yùn)算處理中心，利用OpenMP技術(shù)提高運(yùn)算效率，利用Web技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制管理，構(gòu)建了軟件無線電體制的GPS信號模擬器，實(shí)現(xiàn)了12通道的L1頻點(diǎn)CA碼信號實(shí)時產(chǎn)生，并進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

2 組成原理

GPS信號模擬器的主要功能是根據(jù)設(shè)定的時間和位置信息，結(jié)合對應(yīng)的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，實(shí)時產(chǎn)生并調(diào)制形成對應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航射頻信號。本文中的GPS信號模擬器采用軟件無線電的體制構(gòu)建，由軟件計(jì)算產(chǎn)生輸出信號的基帶波形，再通過DA和射頻調(diào)制電路形成射頻信號。系統(tǒng)在硬件上主要由兩部分組成：樹莓派嵌入式系統(tǒng)板和DA發(fā)射板，如圖1所示。

樹莓派嵌入式系統(tǒng)板主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信和基帶GPS信號的產(chǎn)生。樹莓派系統(tǒng)板采用三代“B+”型號，運(yùn)行嵌入式linux系統(tǒng)，具有一顆4核心的ARM A53處理器，1GB內(nèi)存容量，4個USB2.0接口，WiFi接口以及百兆以太網(wǎng)接口。樹莓派系統(tǒng)板運(yùn)行nginx web服務(wù)器程序，模擬器的位置、時間等工作參數(shù)通過編寫的Web服務(wù)頁面經(jīng)行設(shè)定。樹莓派系統(tǒng)板通過WiFi或有線以太網(wǎng)接口連接互聯(lián)網(wǎng)，從FTP站點(diǎn)自動下載所需星歷數(shù)據(jù)。樹莓派系統(tǒng)板上的基帶信號產(chǎn)生程序根據(jù)獲得的參數(shù)設(shè)定，計(jì)算產(chǎn)生包括所有可見衛(wèi)星在內(nèi)的導(dǎo)航信號的基帶數(shù)據(jù)，并通過USB接口發(fā)送給DA發(fā)射板。

DA發(fā)射板主要負(fù)責(zé)基帶導(dǎo)航數(shù)據(jù)的接收、DA變換以及射頻調(diào)制，產(chǎn)生所需頻點(diǎn)的射頻導(dǎo)航信號。DA發(fā)射板主要由USB接口電路、FPGA、DAC、本振、正交調(diào)制器、濾波器、放大器組成。USB接口電路接收基帶信號數(shù)據(jù)；FPGA對基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，并通過計(jì)數(shù)采樣點(diǎn)的方式產(chǎn)生秒脈沖（PPS）信號；DAC芯片將FPGA緩沖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號；濾波器對鏡像頻率進(jìn)行抑制；本振產(chǎn)生GPS L1頻點(diǎn)的載波信號；正交調(diào)制器將基帶信號調(diào)制到載波上； 放大器對射頻信號的增益進(jìn)行調(diào)整。

3 信號的產(chǎn)生

導(dǎo)航信號的產(chǎn)生分為基帶信號產(chǎn)生和射頻信號產(chǎn)生兩部分。射頻信號產(chǎn)生只是利用調(diào)制器進(jìn)行了簡單的頻譜搬移，而基帶信號產(chǎn)生包含了星歷參數(shù)提取、GPS時間計(jì)算、衛(wèi)星位置計(jì)算、偽距計(jì)算、多普勒頻率計(jì)算、導(dǎo)航電文生成、偽碼生成、基帶調(diào)制等諸多環(huán)節(jié)，是模擬器信號產(chǎn)生的關(guān)鍵。

基帶信號的產(chǎn)生完全由軟件在樹莓派Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)。軟件采用C語言編程開發(fā)。軟件主要的工作流程如圖2。軟件采多線程方式工作，同時運(yùn)行數(shù)據(jù)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)發(fā)送線程。數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程按100ms時間步進(jìn)不斷計(jì)算衛(wèi)星位置，刷新信號相位、導(dǎo)航電文等基帶調(diào)制參數(shù)，產(chǎn)生一個個100ms基帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，并將數(shù)據(jù)塊寫入緩存。數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程計(jì)算每個采樣點(diǎn)對應(yīng)的信號相位和電文bit，每100ms刷新信號多普勒頻率相位和導(dǎo)航電文幀，每30s重新計(jì)算可見星，刷新產(chǎn)生數(shù)據(jù)的衛(wèi)星列表。發(fā)送線程根據(jù)緩存數(shù)據(jù)的狀態(tài)按照設(shè)定的數(shù)據(jù)包大小，將數(shù)據(jù)通過USB設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送。

基帶信號的產(chǎn)生需要按照采樣率計(jì)算每一個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)值，并同時計(jì)算所有可見衛(wèi)星的導(dǎo)航信號。通常情況下地面任一地點(diǎn)、任一時刻的GPS可見星數(shù)量都在8至12顆，因此基帶信號的產(chǎn)生涉及大量計(jì)算工作。樹莓派嵌入式系統(tǒng)板雖然具備一顆4核心的ARM A53處理器，但處理性能仍然較低，在傳統(tǒng)的串行運(yùn)算流程下無法實(shí)現(xiàn)基帶信號的實(shí)時產(chǎn)生，導(dǎo)致USB數(shù)據(jù)傳輸斷流，無法實(shí)現(xiàn)期望的GPS信號。為了解決這一問題，本文采用OpenMP并行計(jì)算編程技術(shù)，對基帶信號的產(chǎn)生進(jìn)行加速。

OpenMP是一種基于共享存儲的多處理器系統(tǒng)或多核處理器系統(tǒng)并行編程模型。它提供了一套與平臺無關(guān)的編譯指導(dǎo)語句、庫函數(shù)和環(huán)境變量，能夠以線程為基礎(chǔ)對串行程序進(jìn)行并行化處理。OpenMP并行程序以一個主線程開始執(zhí)行，在需要并行處理時創(chuàng)建多個子線程并行執(zhí)行，當(dāng)程序并行執(zhí)行結(jié)束后，各個子線程將終止，而主線程將繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的代碼。

基帶信號產(chǎn)生的并行加速處理可以利用OpenMP技術(shù)從橫向縱向兩個層面進(jìn)行。橫向?qū)用?，并行?jì)算所有可見衛(wèi)星的基帶信號，相當(dāng)于同時開啟多個計(jì)算線程且每個計(jì)算線程對應(yīng)一顆可見衛(wèi)星的信號計(jì)算?？v向?qū)用妫谛盘柡下废嗉訒r將基帶信號的產(chǎn)生按時間先后關(guān)系劃分成若干段，并行開啟多個線程，每個線程負(fù)責(zé)其中一段信號的計(jì)算。部分算法示意如圖3所示。

4 網(wǎng)絡(luò)控制

樹莓派系統(tǒng)板運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，能夠提供豐富的網(wǎng)絡(luò)支撐。本文中的GPS信號模擬器通過Web技術(shù)進(jìn)通信實(shí)現(xiàn)控制管理功能。系統(tǒng)中利用nginx軟件建立Web服務(wù)器，采用HTML、PHP、JavaScript、AJAX技術(shù)構(gòu)建動態(tài)Web服務(wù)頁面。使用者通過瀏覽器訪問模擬器控制網(wǎng)頁，設(shè)定時間、位置等信息并提交頁面；服務(wù)器端利用PHP解釋器解析提交的信息，提取出設(shè)定的時間日期；然后通過Linux系統(tǒng)Shell腳本自動在互聯(lián)網(wǎng)上下載對應(yīng)的GPS星歷文件；之后調(diào)用基帶信號產(chǎn)生程序，同時將時間、位置、星歷文件以調(diào)用參數(shù)的形式傳遞；基帶信號產(chǎn)生程序?qū)崟r產(chǎn)生信號波形并發(fā)送給DA發(fā)射板；基帶信號產(chǎn)生程序的工作狀態(tài)通過AJAX技術(shù)動態(tài)反饋給用戶控制頁面。

Web構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)控制方式賦予了模擬器控制極大的靈活性。Web技術(shù)具有跨平臺的獨(dú)特優(yōu)勢，具備網(wǎng)頁瀏覽能力的設(shè)備都可以通過訪問網(wǎng)頁的方式接入信號模擬器，控制管理設(shè)備的工作?？梢酝ㄟ^WiFi方式方便的使用PC、平板電腦、智能手機(jī)等終端對模擬器進(jìn)行管理控制。

5 測試結(jié)果

GPS信號模擬器輸出的信號利用北斗星通天璇C200-AT導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，C200-AT接收機(jī)能夠正確識別所產(chǎn)生的導(dǎo)航信號，接收機(jī)能夠正確定位到所設(shè)定的位置坐標(biāo)，證明模擬器輸出信號有效工作正常。如圖4所示。

6 結(jié)語

本文以樹莓派嵌入式系統(tǒng)板作為運(yùn)算控制核心，利用OpenMP并行運(yùn)算加速、AJAX動態(tài)web頁面等技術(shù)構(gòu)建了軟件無線電體制GPS信號模擬器，實(shí)現(xiàn)了GPS系統(tǒng)L1 CA碼信號的模擬產(chǎn)生，并利用北斗星通天璇C200-AT導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行了測試驗(yàn)證。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、管控方式靈活的特點(diǎn)，可以用于導(dǎo)航接收機(jī)研發(fā)測試、導(dǎo)航干擾裝備研發(fā)測試、導(dǎo)航系統(tǒng)仿真研究等領(lǐng)域。

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Abstract：This paper constructs the GPS signal simulator under the software defined radio architecture by using the Raspberry-Pi embedded system board as the core of operation processing. With OpenMP parallel compute acceleration technology， the generating efficiency of baseband signal is improved， the real-time generation and transmission of 12-channel baseband GPS signal is realized， and the remote control management of this simulator is realized through the use of web dynamic interaction technology. And using the C200-AT navigation receiver to test the output signal of the simulator， the test results verify the function of the simulator and the validity of the output signal.

Key words：GPS signal simulator； Raspberry-PI； software defined radio； OpenMP