基于软件无线电的GPS信号控制系统设计

2022-10-19吕晓蕊

物联网技术 2022年10期

唐正，吕晓蕊，李鹏

（1.湖北交通职业技术学院交通信息学院，湖北武汉 430079；2.武汉铁路职业技术学院铁道通信与信号学院，湖北武汉 430205）

0 引言

近年来，我国无人机产业发展迅猛。伴随无人机市场的扩大，我国大专院校陆续开设了无人机相关专业。在专业建设方面，高职院校着重无人机组装、维护以及操作等技能的培养，将学生培养成为合格的无人机“飞手”是无人机专业重要的人才培养方向。

随着无线产品的使用越来越多，在某些区域甚至还出现了违规架设“无人机反制”设备的情况。这些因素致使无人机作业时所处的电磁环境越来越复杂。复杂的电磁环境会影响无人机的通信，致使无人机无法顺利接收GPS信号。失去GPS信号的无人机易被非法捕获，还会发生坠机并引发次生灾害。这不仅会造成财产损失，还会对公共秩序带来威胁。因此，无人机“飞手”学员在校接受无人机操控训练时，应引入在复杂GPS环境下操控无人机的教学环节，帮助学员合理应对无人机作业时GPS信号不正常的情况，避免事故发生。

本文设计了一套GPS信号控制系统，系统基于软件无线电理念开发，硬件部分包括通用硬件平台Hack RF和功率放大器模块；软件部分主要使用GNU Radio。系统能在无人机操控教学区域内提供2种GPS环境：（1）“无GPS”环境；（2）“伪GPS” 环境。系统集成度高、操作简单，能有效帮助无人机专业学生提高操控无人机的实战能力。

1 系统介绍

本文设计的GPS信号控制系统框架如图1所示，系统分为基带波形单元和信号发射单元2部分。

图1 GPS信号控制系统功能框架

（1）基带波形单元生成宽带噪声信号和“伪GPS”信号等2种波形的基带数据。其中，“伪GPS”信号的算法设计、数据制作由GPS模拟器完成；宽带噪声信号的算法设计、数据制作以及两种波形的调用由GNU Radio完成。

（2）信号发射单元由Hack RF和功率放大器模块组成，实现数模转换、上变频、增益控制以及功率放大等功能。

1.1 GNU Radio 介绍

GNU Radio是一个开源的软件无线电软件平台，由C++语言和Python语言混合编写而成。该平台提供了通信系统常用的信号源模块、信号处理模块以及与通用软件无线电硬件外设的接口。GNU Radio提供图形化设计界面，降低了软件算法开发难度。本系统的软件开发以流图设计的方式进行，程序实现的功能包括：GPS波形部署、信号处理、硬件平台参数配置以及人机交互。GPS信号控制系统的程序流图设计如图2所示。

图2 系统的程序流图设计

1.2 Hack RF 介绍

Hack RF是软件无线电的通用硬件平台，工作频段为30 MHz ～ 6 GHz，最大采样率为 20 MS/s。模块支持半双工通信，其硬件结构如图3所示。本设计中，Hack RF将软件平台生成的数字基带信号转换为模拟信号，对模拟信号进行上变频、放大以及增益控制，信号输出给功率放大器模块。

图3 Hack RF硬件结构

1.3 功率放大器模块介绍

功率放大器模块将Hack RF输出的射频信号进行功率放大，其射频链路设计如图4所示。模块工作频率为1 575.42 MHz，载频放大增益为 30.5 dB，输出信号功率为34.5 dBm。

图4 功放模块射频链路

2 系统原理

GPS信号控制系统在指定区域提供多种GPS环境，关键技术是控制区域内终端设备接收到的GPS信号。GPS信号包括载波、测距码以及导航电文，民用GPS信号的相关信息是公开的，其信号结构如图5所示。其中，载波信号的频率为1 575.42 MHz；调制方式是BPSK；测距码为C/A码，用于卫星多址、卫星信号捕获、测距以及提高系统的抗干扰能力；导航电文包含卫星星历、时钟修正、历书等重要信息。

图5 民用GPS信号结构

2.1 “无GPS”原理

系统向指定区域辐射中心频率为1 575.42 MHz的宽带噪声信号，噪声信号带宽为GPS民用通信带宽2.046 MHz，功率远远大于终端设备接收的正常GPS信号功率。GPS信号被淹没于宽带噪声之中，接收机无法解调出位置信息，系统覆盖区域内的终端如同进入“无GPS信号”区域。

2.2 “伪GPS”原理

系统利用民用GPS信号的载频、调制方式、C/A码序列、导航电文等信息公开的特点，仿造与GPS信号结构完全相同的“伪GPS”信号。“伪GPS”信号包含的位置信息是系统“预设位置”信息。在指定区域内，系统在1 575.42 MHz载频上辐射“伪GPS信号”，以功率优势压制真实GPS信号，无人机获取功率更强、信噪比更优的“伪GPS信号”，并解调出位置信息为系统“预设位置”的坐标，系统覆盖区域内的终端解调出的GPS信息是“错误的信息”。

3 系统方案设计

系统实物如图6所示。设计分为3部分：波形设计、Hack RF配置以及功率放大器模块设计。

图6 GPS信号控制系统实物

3.1 波形设计

3.1.1 宽带噪声波形设计

宽带噪声信号波形由GUN Radio流图设计生成：程序流图中的“Noise Source”是噪声源模块，该模块装载高斯白噪声算法，输出高斯白噪声基带数据；“Low Pass Filter”是低通滤波器模块，该模块被用来限制高斯白噪声信号的带宽。宽带噪声基带信号的波形、带宽等信息在“Qt GUI Frequency Sink”模块中观测，如图7所示。

图7 宽带噪声基带

3.1.2 伪GPS信号波形设计

“伪GPS信号”的波形设计由GPS模拟器（gps-sdr-sim）和GUN Radio共同设计生成。“gps-sdr-sim”负责产生基带数据；GNU Radio负责基带数据引入流图中的无线电系统。

“gps-sdr-sim”是开源的 GPS 数据仿真器，能根据星历文件、预设位置坐标等信息计算出系统运行所需的扩频码相位、载波相位、电离层延迟、对流层延迟、多普勒频移等数据，生成“伪导航电文”；伪导航电文序列与伪随机序列进行“模二加”运算，得到一个卫星的“伪导航数据”；模拟器一次能模拟多个GPS卫星的伪数据，并将它们按时序封装成帧，以“BIN文件”保存下来。

程序流图中的“File Source”模块将“BIN文件”引入软件无线电系统，“IChar To Complex”模块将“BIN文件”中的字符型数据转换为复数型数据，成为通用硬件平台Hack RF可识别的基带信号。同样，“伪GPS信号”的波形、带宽等信息可在“Qt GUI Frequency Sink”模块中观测，如图 8所示。

图8 “伪GPS”基带

3.2 Hack RF 配置

Hack RF的配置在程序流图中的“osmocom Sink”模块中完成。该模块不仅将基带波形单元生成的基带数据发送给Hack RF，还对Hack RF的信号频率、射频增益、功率放大器选择等进行配置。本系统中的Hack RF工作于发射模式，主要工作流程如下：

（1）模数转换器MAX5864将数字基带信号转换为模拟基带信号；

（2）射频收发器MAX2837将模拟基带信号调制到频率为2.6 GHz的中频信号，并对中频信号提供0～47 dB的增益控制；

（3）混频器RFFC5072将中频信号变频到载波频率1 575.42 MHz ；

（4）通过设置单刀三掷开关SKY13317，混频器输出的信号送给放大器MGA-81563进行放大，放大器增益为12.4 dB。

由于射频放大芯片MGA-81563的输出P1dB压缩点为14.8 dBm，为保证输出信号的线性指标，配置射频收发器MAX2837中的数控增益单元为33 dB，最终Hack RF输出载波信号功率为4 dBm，如图9所示。

图9 Hack RF输出载波信号

3.3 功率放大器设计

方案中的功率放大器模块为自主设计，射频链路如图4所示。HMC472是数控射频衰减器，受单片机控制，负责功放模块的增益控制，本设计中衰减值设置为7.5 dB；MGA-31289是宽带射频放大器，在1 575.42 MHz频段提供18 dB增益；AFT27S012N是功率LDMOS，增益为20 dB。模块采用功率回退方案，在功率放大器AFT27S012N的P1dB压缩点为41 dBm的情况下，输出载波信号功率为34.5 dBm，如图10所示。