摘 要 ：文中基于軟件無線電架構(gòu)設(shè)計了一套 GPS 信號控制系統(tǒng)。系統(tǒng)用于輔助無人機操控教學，為無人機教學區(qū)域內(nèi)提供指定的 GPS 環(huán)境，即“無 GPS”環(huán)境與“偽 GPS”環(huán)境。學生在不同的 GPS 環(huán)境中進行操控無人機的訓(xùn)練，幫助他們掌握在復(fù)雜電磁環(huán)境中操控無人機的技能。經(jīng)實測驗證，系統(tǒng)能夠控制指定區(qū)域的 GPS 電磁環(huán)境，具備輔助無人機操控教學的功能。

0 引 言

近年來，我國無人機產(chǎn)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(shè)了無人機相關(guān)專業(yè)。在專業(yè)建設(shè)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 [1-2]。

隨著無線產(chǎn)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(shè)“無人機反制”設(shè)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(fù)雜。復(fù)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(zāi)害 [3-4]。這不僅會造成財產(chǎn)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(xùn)練時，應(yīng)引入在復(fù)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(yīng)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(shè)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(nèi)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(shè)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。

（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(shù)據(jù)。其中，“偽 GPS”信號的算法設(shè)計、數(shù)據(jù)制作由 GPS 模擬器完成 ；寬帶噪聲信號的算法設(shè)計、數(shù)據(jù)制作以及兩種波形的調(diào)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(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)的接口。GNU Radio 提供圖形化設(shè)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(shè)計的方式進行，程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括 ：GPS 波形部署、信號處理、硬件平臺參數(shù)配置以及人機交互。GPS 信號控制系統(tǒng)的程序流圖設(shè)計如圖 2 所示。

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(jié)構(gòu)如圖 3 所示。本設(shè)計中，Hack RF 將軟件平臺生成的數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)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。

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(shè)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。

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(guān)鍵技術(shù)是控制區(qū)域內(nèi)終端設(shè)備接收到的 GPS 信號。GPS 信號包括載波、測距碼以及導(dǎo)航電文，民用 GPS 信號的相關(guān)信息是公開的，其信號結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。其中，載波信號的頻率為 1 575.42 MHz ；調(diào)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(dǎo)航電文包含衛(wèi)星星歷、時鐘修正、歷書等重要信息 [5-10]。

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(shè)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(diào)出位置信息，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)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(diào)制方式、C/A 碼序列、導(dǎo)航電文等信息公開的特點，仿造與 GPS 信號結(jié)構(gòu)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(yù)設(shè)位置”信息。在指定區(qū)域內(nèi)，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(diào)出位置信息為系統(tǒng)“預(yù)設(shè)位置”的坐標，系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端解調(diào)出的 GPS 信息是“錯誤的信息”[11-12]。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

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

3.1 波形設(shè)計

3.1.1 寬帶噪聲波形設(shè)計

寬帶噪聲信號波形由 GUN Radio 流圖設(shè)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(shù)據(jù) ；“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 GUIFrequency Sink”模塊中觀測，如圖 7 所示。

3.1.2 偽 GPS 信號波形設(shè)計

“偽 GPS 信號”的波形設(shè)計由 GPS 模擬器（gps-sdr-sim）和 GUN Radio 共同設(shè)計生成。“gps-sdr-sim”負責產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù) ；GNU Radio 負責基帶數(shù)據(jù)引入流圖中的無線電系統(tǒng)。

“gps-sdr-sim”是開源的 GPS 數(shù)據(jù)仿真器，能根據(jù)星歷文件、預(yù)設(shè)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(shù)據(jù)，生成“偽導(dǎo)航電文”；偽導(dǎo)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(dǎo)航數(shù)據(jù)”；模擬器一次能模擬多個 GPS 衛(wèi)星的偽數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)型數(shù)據(jù)，成為通用硬件平臺 HackRF 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。

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(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX5864 將數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號 ；

（2）射頻收發(fā)器 MAX2837 將模擬基帶信號調(diào)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(shè)置單刀三擲開關(guān) 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(shù)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。

3.3 功率放大器設(shè)計

方案中的功率放大器模塊為自主設(shè)計，射頻鏈路如圖 4所示。HMC472 是數(shù)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(shè)計中衰減值設(shè)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。

4 系統(tǒng)驗證

本文設(shè)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(jīng)緯度信息以及地圖位置信息來驗證系統(tǒng)功能，測試結(jié)果如下 ：

（1）正常 GPS 環(huán)境下，終端 GPS 衛(wèi)星搜索結(jié)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(shù)學院”。

（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(jié)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”。

（3）GPS 信號控制系統(tǒng)提供“偽 GPS”環(huán)境，系統(tǒng)“預(yù)設(shè)位置”編輯為“南岳衡山風景區(qū)”，終端 GPS 衛(wèi)星搜索結(jié)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)”。

由以上驗證可知，本文設(shè)計的 GPS 信號控制系統(tǒng)可在覆蓋區(qū)域內(nèi)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(shè)計成功。

5 結(jié) 語

我團隊設(shè)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(gòu)和設(shè)計原理。經(jīng)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(shè)計及相關(guān)技術(shù)也可以應(yīng)用于 GPS 信號模擬、無人機反制等相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計開發(fā)，具有良好的拓展性。

審核編輯 ：李倩