用于測試的 GNSS 模擬器

    新開發(fā)的 GPS/GNSS 產(chǎn)品需要進(jìn)行廣泛的測試，對于支持 GNSS/GPS 的設(shè)備的開發(fā)人員來說，能夠每次都以相同的方式可靠地測試設(shè)備將減少開發(fā)時間、提高產(chǎn)品可靠性并提高性能。更具成本效益。 GNSS 信號的可靠采集、不斷變化的環(huán)境中的一致跟蹤和設(shè)備性能都是 GPS 設(shè)備測試的關(guān)鍵因素。
    GPS 模擬器為開發(fā)人員提供了許多優(yōu)勢。明顯的是方便性，并且能夠在實驗室或辦公室的范圍內(nèi)將原始射頻衛(wèi)星信號直接重播到 GPS 設(shè)備中，而無需冒險到戶外，這顯然使測試變得更加容易。
    傳統(tǒng) GPS/GNSS 模擬器擁有專用資源來模擬 GPS 星座和信號，并利用昂貴的高端矢量信號發(fā)生器來模擬這些信號。這導(dǎo)致了獨(dú)立的、有時是多個機(jī)柜裝滿了機(jī)架安裝測試設(shè)備來模擬測試 GPS 產(chǎn)品的場景。隨著 SDR 的進(jìn)步，這可以縮減為 3U 系統(tǒng)。
    SDR 將現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 與高性能和靈活的無線電相結(jié)合，使得在連接到 SDR 的商用現(xiàn)成 (COTS) 機(jī)器上運(yùn)行不同的仿真程序成為可能。高頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了基于軟件定義無線電 (SDR) 的模擬器的興起，該模擬器具有內(nèi)部處理器和軟件定義無線電 (SDR) 功能。該架構(gòu)允許使用高度靈活和可擴(kuò)展的架構(gòu)來模擬數(shù)百顆衛(wèi)星或不同的射頻環(huán)境。
    用于 GNSS/GPS 模擬的 SDR
    軟件定義無線電 (SDR) 包括無線電前端 (RFE)，借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（或用于傳輸?shù)?DAC）將 RF 信號數(shù)字化，以及多個獨(dú)立通道，以及數(shù)字后端，其中具有數(shù)字信號處理 (DSP) 功能的 FPGA。在高端 SDR 中，每個接收 (Rx) 或發(fā)送 (Tx) 通道獨(dú)立工作，允許跨各種頻率進(jìn)行復(fù)雜的多輸入多輸出 (MIMO) 操作，這些操作也通過精密時鐘板同步。該系統(tǒng)可配置為具有先進(jìn)觸發(fā)和無線電性能的射頻和數(shù)字接收器、發(fā)射器、收發(fā)器、脈沖發(fā)生器、波形發(fā)生器和（解）調(diào)制器。
    SDR 能夠在較寬的調(diào)諧范圍內(nèi)接收和傳輸信號，并且可以具有高達(dá) 3 GHz 的瞬時帶寬，并在 3 GHz 帶寬內(nèi)具有多個 DSP 通道，從而可以使用單個無線電鏈在不同頻率下運(yùn)行。
    由于靈活性，SDR 很容易集成到新的和傳統(tǒng)的國防和通信系統(tǒng)中。它們尤其能夠降低雷達(dá)、GPS/GNSS、頻譜監(jiān)控等不同系統(tǒng)中所需的基于硬件的組件的復(fù)雜性和數(shù)量。這是由于 SDR 能夠在軟件中嵌入各種信號處理算法，包括波形生成、存儲、調(diào)制、加密、下變頻和上變頻。
    SDR 具有可重新配置的 RFE，允許將同一平臺用于不同的應(yīng)用，因為它可以在無線電頻譜的各個頻段上運(yùn)行。例如，不同的 GPS 和 GNSS 應(yīng)用在 L1 頻段運(yùn)行，而其他應(yīng)用則可以在 L2、E5、E1、E6 等頻段運(yùn)行。復(fù)雜性的整體降低可以節(jié)省空間和成本，并縮短上市時間和供應(yīng)鏈問題。通常，SDR 主要使用 C++ 和 Python 進(jìn)行編碼，代碼的復(fù)雜性取決于預(yù)期用途和集成。 GNU Radio 是一個的軟件開發(fā)工具包，它提供了與軟件定義無線電和信號處理系統(tǒng)結(jié)合使用的信號處理塊。
    為了設(shè)計和開發(fā)基于 GNSS 的產(chǎn)品，必須以詳細(xì)的格式模擬整個 GNSS 信號傳輸和接收場景。它由兩個不同的部分組成：
    個負(fù)責(zé)合成 GNSS 衛(wèi)星發(fā)出的信號（衛(wèi)星軌道和坐標(biāo)系、星歷數(shù)據(jù)生成、代碼生成、信號調(diào)制、噪聲模擬、衰減、大氣效應(yīng)和多徑、欺騙和干擾等）。
    第二部分負(fù)責(zé)GNSS接收器本身（解調(diào)、信號采集、跟蹤、星歷數(shù)據(jù)解碼和位置計算以及抗干擾和防欺騙等）。以下頻率主要用于商業(yè)產(chǎn)品：GPS L1和L5、GLonASS G1和G2、北斗B1和B2以及伽利略E1和E2。
    基本的 SDR GPS 接收器

    GPS 接收器的典型 RFE 包括天線、放大器、本地振蕩器 (LO)、混頻器和負(fù)責(zé)將下變頻模擬信號采樣為適合信號處理的數(shù)字格式的 ADC。使用軟件例程處理基帶樣本以生成接收器位置信息，如下圖 1 所示。

    圖 1：基本 SDR GPS 接收器的框圖。 （Per Vices）
    捕獲過程的目的是識別某顆衛(wèi)星是否可見。如果衛(wèi)星可見，捕獲算法將確定信號的載波頻率和代碼相位的粗略值。由于硬件實現(xiàn)簡單，傳統(tǒng) GPS 接收器采用串行搜索采集。如今，使用更高效的基于快速傅立葉變換 (FFT) 的采集算法，例如并行碼相位搜索采集，可以為多頻率和星座 GNSS 接收器實現(xiàn)多個（> 100）相關(guān)器。基于 SDR 的模擬器可以利用 DSP 的 FPGA 所提供的靈活性，促進(jìn)這些算法的進(jìn)一步開發(fā)。
    然后將控制權(quán)移交給跟蹤算法（圖 1 中的第 3 階段），該算法用于跟蹤載波多普勒和代碼偏移的變化（由于衛(wèi)星和接收器之間的視距動態(tài)），并解調(diào)來自特定衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。大多數(shù)商業(yè)接收器采用二階鎖相環(huán) (PLL)，但是，為了改進(jìn)信號跟蹤性能，特別是在低信噪比 (SNR) 和動態(tài)條件下，開發(fā)了算法（基于三階 PLL 和/或卡爾曼濾波器），正在進(jìn)行。通過使用基于SDR的模擬器，可以減少測試和驗證這些新開發(fā)算法的開發(fā)時間。
    成功跟蹤后，導(dǎo)航和星歷數(shù)據(jù)將被解碼。星歷是一組數(shù)據(jù)/表格，提供過去和未來給定日期天體（恒星、行星、衛(wèi)星）的位置。為了執(zhí)行接收器位置計算，您需要計算衛(wèi)星位置，該位置基于星歷數(shù)據(jù)中存在的衛(wèi)星軌道信息并參考開普勒軌道元素，它描述了衛(wèi)星軌道平面相對于另一個天體的位置。在計算組偽距之后可以計算接收器位置。 GPS 位置計算常用的方法是基于二乘法。SDR 可用于使用軟件例程執(zhí)行所有上述功能，并且可以更新或微調(diào)必要的參數(shù)以獲得解決方案。
    在 SDR 中，天線、RFE 和 ADC/DAC 是仍以硬件實現(xiàn)的部件。這些組件輸出包含數(shù)字化導(dǎo)航數(shù)據(jù)的比特流，然后將其作為輸入提供。從這一點(diǎn)開始，幾乎每個操作都是通過軟件實現(xiàn)來執(zhí)行的，其中一些操作可能對于其相當(dāng)苛刻的實時要求至關(guān)重要。如果代碼架構(gòu)設(shè)計良好且方便，這種靈活、模塊化和開放的接收器不僅可以用于固定和計算位置、速度和時間（PVT），還可以用于評估 GNSS 性能。它還允許開發(fā)和測試用于導(dǎo)航信號接收的新算法，包括測試未來信號以預(yù)測未來性能和特性。要求限度（如果有的話）硬件重新配置是SDR接收機(jī)的主要優(yōu)勢。這顯著降低了接收機(jī)開發(fā)、維護(hù)和增強(qiáng)的成本。
    由于傳統(tǒng)的硬件接收器已經(jīng)在軟件中實現(xiàn)了PVT算法，因此硬件和軟件接收器之間的主要區(qū)別在于采集、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)步驟。在傳統(tǒng)接收器中，這些操作由特定硬件執(zhí)行，經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計和優(yōu)化以實現(xiàn)它們，并且需要重新設(shè)計或更換才能使用新信號。 SDR 通過集成高性能 FPGA 和 DSP 針對復(fù)雜算法進(jìn)行了優(yōu)化，從而可以更快地采集、解調(diào)以及 GNSS 跟蹤和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理。