原标题：使用SDR作为 GPS/GNSS模拟器

　　编者按：这是关于GPS/GNSS模拟器中软件定义无线电的三部分系列文章的第一篇文章。

　　第1部分：关于GPS和用于推进信号技术，卫星系统和信号，架构和现代化工作的各种技术

　　第2部分：GPS模拟器，软件定义的无线电架构及其与模拟器的集成

　　第 3 部分：使用 SDR 和 GPS 信号示例进行测试

　　全球定位系统(GPS)，最初称为授时和测距导航系统(NAVSTAR)，最初于1978年作为军事导航系统开发，并于1993年达到全面运行能力，系统中有24颗卫星。后来，由俄罗斯(GLONASS)、欧盟(伽利略)和中国(北斗)开发的下一代GPS III和系统，统称为GNSS(全球导航卫星系统)，扩大了全球卫星导航的潜力。卫星导航已经根深蒂固地存在于我们的生活和运营中，从谷歌地图等应用程序到资产跟踪、物流、飞机着陆等，没有它就无法运行。

　　GPS的最新发展和新星座的加入提高了PNT(位置导航和授时)的准确性，使用诸如卫星增强系统(SBAS)，地面增强系统(GBAS)，差分GNSS(DGNSS)，实时运动学定位的精确点定位(PPP-RTK)和多星座接收器等技术。通过使用接收机自主完整性监控(RAIM)等反欺骗措施，可以进一步增强信号完整性，同时通过使用微机电系统(MEMS)和低成本惯性导航系统(INS)增强GNSS，确保更好的连续性。 这些进步中的大多数都是通过改进采集跟踪和位置计算算法中的信号处理技术实现的。

　　将GNSS接收机添加和集成到原始设备制造商(OEM)设备和无线电子设备中需要广泛的测试和测量(T&M)，并在开发和认证过程中进行设置。在传统的GPS接收器中，GPS信号的采集和跟踪都由专用硬件处理。在基于软件的GPS接收器或软件无线电(SDR)中，信号使用模数转换器(ADC)进行数字化。然后使用软件例程和算法处理数字化的输入信号。该软件可以执行典型的GNSS功能，如信号采集和跟踪，导航数据提取和位置计算，更重要的是，可以方便地更改参数，并且可以调整接收器以适应不同的条件。 SDR被许多人吹捧为无线通信和射频解决方案的未来。

　　卫星导航在各种产品中的应用呈指数级增长，基于GNSS的产品变得更加复杂，因此需要在各种场景和环境下的设计、开发和认证阶段进行广泛的测试。

　　SDR 正在成为射频 (RF) 设备功能和能力开发测试和测量的宝贵资源。这些无线电系统特别吸引人，因为它们能够通过软件和/或现场可编程门阵列(FPGA)IP核进行升级，从而为测试与测量工程师提供扩展的灵活性、功能和成本效益。在设计和开发阶段对基于GNSS的产品进行广泛的测试势在必行，因为任何错误修复起来都可能代价高昂，并且在搜索和救援等紧急情况下可能是致命的。将基于SDR的全球导航卫星系统模拟器纳入测试制度可能是有益的。

　　所有关于 GPS/GNSS 卫星系统和信号

　　GPS卫星系统由三个部分组成：空间段，控制段和用户段。空间段由半同步轨道上的GPS卫星组成，这些卫星排列在六个轨道平面上，每个平面上有四颗卫星。这些卫星的平均轨道高度为地球表面上方20，200公里，在大约11小时58分钟内完成一个轨道。该系统的设计使得在地球表面的任何时候都可以看到至少五颗卫星，并清楚地看到天空。目前，有32颗NAVSTAR GPS卫星在轨，并且该星座不断更换和升级，其中一些卫星作为紧急情况的备用卫星。

　　地面/控制部分由地面站组成，这些地面站跟踪卫星，监控其传输，分析数据并与星座通信。这包括监控站、主控制站和地面天线，它们提供计时、完整性和跟踪传输、时钟、状态和轨道。用户部分包括所有GPS用户，由专门设计用于接收，解码和处理GPS卫星信号的接收器组成，这些接收器位于手机和专用地面控制站中，以及飞机，海上船舶和运动中的陆地车辆中。

　　每颗GPS卫星都携带几个高精度的原子钟，并传输在精确已知时间开始的代码。为了进行测量，GPS采用到达时间(TOA)范围的概念来确定用户的位置。进行测量以计算卫星/空间飞行器(SV)在已知位置传输的信号到达用户接收器所需的时间。接收器通过测量从已知位置从多个GPS卫星广播的信号的传播时间来执行位置计算。GPS接收机的位置是通过三边测量计算的，这是定位未知位置的传统、最简单、最准确的方法。

　　GPS由两个级别的服务组成，即精确定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。PPS 是一种精确的定位、速度和计时服务，仅供授权用户使用。使用清除/采集代码(C / A代码)的SPS是一种不太准确的导航服务，主要用于民用应用，可供L1频率的所有用户使用。

　　GPS卫星发射两个载波频率，称为L1，主要频率为1575.42 MHz，L2，次要频率为1227.6 MHz。GPS信号使用直接序列扩频(DSSS)技术传输，采用两种不同的测距码作为扩频功能。卫星广播的这些代码使GPS接收器能够测量信号的传输时间，从而确定卫星与用户之间的距离。导航消息提供数据以计算信号传输时每颗卫星的位置。根据此信息，使用适当的算法计算用户位置坐标和用户时钟偏移。 通常需要同时看到四颗卫星，以便接收器求解三维定位的方程。

　　作为GPS现代化工作的一部分，GPS信号中包括了几个新信号，例如L1C，L2C和L5(1176.45 MHz)，以提高所有用户的准确性和完整性，同时保持与现有GPS设备的向后兼容性。L5信号以比当前民用GPS信号更高的功率传输，并且具有更宽的带宽。C/A 代码由时钟速率为 1.023 MHz 的 1023 位伪随机噪声 (PRN) 序列组成，每 1 毫秒重复一次。为每个GPS卫星分配一个不同的PRN代码，并从一组称为黄金代码的两个代码中选择。序列的低互相关性势在必行，因为GPS接收器必须使用相关技术同时区分来自多达12颗卫星的信号。

　　导航消息包含 GPS 接收器用于优化卫星信号采集并执行位置计算和其他导航参数的信息。50 Hz 导航消息叠加在 P (Y) 代码和 C/A 代码上。导航消息的窄带宽确保了解调器输入端的高SNR比，并相应地降低了导航消息中出现位错误的概率。每颗GPS卫星都有四个原子钟，这些原子钟根据世界各地的GPS控制站的时间标准进行校准。这导致 GPS 系统中的三个段使用的内部参考时间，称为 GPS 时间。然而，将原子钟放置在GPS接收器中并不具有成本效益，因此需要使用标准晶体振荡器。因此 接收器时钟相对于卫星具有时钟偏移，导致位置测量不准确。幸运的是，来自第四颗卫星的时间测量有助于解决接收器时钟偏移误差。

　　GNSS包括GPS(美国)和GPS现代化，GLONASS(俄罗斯)，伽利略(欧洲)，北斗(中国)和各种增强系统，如SBAS，GBAS，QuasiZenth(日本)等。来自额外卫星的信号的可用性提高了GNSS导航解决方案的连续性、准确性和效率。额外的卫星和信号可以提高特定位置的卫星可用性并提高可靠性。为了理解可用的卫星导航信号数量，以下是SEPTENTRIO(型号AsteRx-m2a UAS)等现代接收器可以支持的GNSS频率列表;全球定位系统：L1，L2。格洛纳斯：L1，L2。伽利略：E1，E5b。北斗：B1、B2。SBAS：EGNOS、WAAS、GAGAN、MSAS、SDMC(L1)和QZSS：L1、L2。下图显示了 GNSS 信号的一些频率：

　　GNSS 信号的不同频率(来源： 每台虎钳

　　GPS和GNSS系统是商业和国防所有应用的重要组成部分。这些系统部署在大量设备上，因此需要确保所有设备在部署之前按预期运行。软件定义无线电提供了性能和灵活性的完美结合，帮助 GPS/GNSS 制造商测试现有设备，并能够适应跨多种频率测试新方法。这些 SDR 可用于仿真射频环境、测试 GPS/GNSS 发射器的特定功率阈值和噪声，以及确保为 GPS/GNSS 设计的接收器按预期运行。

　　穆罕默德·乌斯曼博士 在巴基斯坦拉合尔工程技术大学获得BE(电气工程)，在英国曼彻斯特大学获得硕士和博士学位。他在巴基斯坦私营企业和公共部门研究机构的电子设计、软件开发、通信、项目管理和航空航天产品开发领域拥有超过二十八(28)年的经验。他的研究兴趣包括基于GNSS(全球导航卫星系统)的遥感，基于GPS的双基地SAR(合成孔径雷达)和GNSS/GPS信号处理。