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摘要：文中基于軟件無線電架構設計了一套 GPS 信號控制系統。系統用于輔助無人機操控教學，為無人機教學區域內提供指定的 GPS 環境，即“無 GPS”環境與“偽 GPS”環境。學生在不同的 GPS 環境中進行操控無人機的訓練，幫助他們掌握在復雜電磁環境中操控無人機的技能。經實測驗證，系統能夠控制指定區域的 GPS 電磁環境，具備輔助無人機操控教學的功能。

0 引言

近年來，我國無人機產業發展迅猛。伴隨無人機市場的擴大，我國大專院校陸續開設了無人機相關專業。在專業建設方面，高職院校著重無人機組裝、維護以及操作等技能的培養，將學生培養成為合格的無人機“飛手”是無人機專業重要的人才培養方向 [1-2]。

隨著無線產品的使用越來越多，在某些區域甚至還出現了違規架設“無人機反制”設備的情況。這些因素致使無人機作業時所處的電磁環境越來越復雜。復雜的電磁環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，還會發生墜機并引發次生災害 [3-4]。這不僅會造成財產損失，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練時，應引入在復雜 GPS 環境下操控無人機的教學環節，幫助學員合理應對無人機作業時 GPS 信號不正常的情況，避免事故發生。

本文設計了一套 GPS 信號控制系統，系統基于軟件無線電理念開發，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。系統能在無人機操控教學區域內提供 2 種 GPS 環境：（1）“無 GPS”環境；（2）“偽 GPS”環境。系統集成度高、操作簡單，能有效幫助無人機專業學生提高操控無人機的實戰能力。

1 系統介紹

本文設計的 GPS 信號控制系統框架如圖 1 所示，系統分為基帶波形單元和信號發射單元 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 種波形的基帶數據。其中，“偽 GPS”信號的算法設計、數據制作由 GPS 模擬器完成；寬帶噪聲信號的算法設計、數據制作以及兩種波形的調用由 GNU Radio 完成。

（2）信號發射單元由 Hack RF 和功率放大器模塊組成，實現數模轉換、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的接口。GNU Radio 提供圖形化設計界面，降低了軟件算法開發難度。本系統的軟件開發以流圖設計的方式進行，程序實現的功能包括：GPS 波形部署、信號處理、硬件平臺參數配置以及人機交互。GPS 信號控制系統的程序流圖設計如圖 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，其硬件結構如圖 3 所示。本設計中，Hack RF 將軟件平臺生成的數字基帶信號轉換為模擬信號，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 系統原理

GPS 信號控制系統在指定區域提供多種 GPS 環境，關鍵技術是控制區域內終端設備接收到的 GPS 信號。GPS 信號包括載波、測距碼以及導航電文，民用 GPS 信號的相關信息是公開的，其信號結構如圖 5 所示。其中，載波信號的頻率為 1 575.42 MHz ；調制方式是 BPSK ；測距碼為 C/A碼，用于衛星多址、衛星信號捕獲、測距以及提高系統的抗干擾能力；導航電文包含衛星星歷、時鐘修正、歷書等重要信息 [5-10]。

2.1 “無 GPS”原理

系統向指定區域輻射中心頻率為 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，接收機無法解調出位置信息，系統覆蓋區域內的終端如同進入“無 GPS 信號”區域。

2.2 “偽 GPS”原理

系統利用民用 GPS 信號的載頻、調制方式、C/A 碼序列、導航電文等信息公開的特點，仿造與 GPS 信號結構完全相同的“偽 GPS”信號。“偽 GPS”信號包含的位置信息是系統“預設位置”信息。在指定區域內，系統在 1 575.42 MHz 載頻上輻射“偽 GPS 信號”，以功率優勢壓制真實 GPS 信號，無人機獲取功率更強、信噪比更優的“偽 GPS 信號”，并解調出位置信息為系統“預設位置”的坐標，系統覆蓋區域內的終端解調出的 GPS 信息是“錯誤的信息”[11-12]。

3 系統方案設計

系統實物如圖 6 所示。設計分為 3 部分：波形設計、Hack RF 配置以及功率放大器模塊設計

3.1 波形設計

3.1.1 寬帶噪聲波形設計

寬帶噪聲信號波形由 GUN Radio 流圖設計生成：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據；“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 信號波形設計

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

“gps-sdr-sim”是開源的 GPS 數據仿真器，能根據星歷文件、預設位置坐標等信息計算出系統運行所需的擴頻碼相位、載波相位、電離層延遲、對流層延遲、多普勒頻移等數據，生成“偽導航電文”；偽導航電文序列與偽隨機序列進行“模二加”運算，得到一個衛星的“偽導航數據”；模擬器一次能模擬多個 GPS 衛星的偽數據，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，“IChar To Complex”模塊將“BIN 文件”中的字符型數據轉換為復數型數據，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據發送給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。本系統中的 Hack RF 工作于發射模式，主要工作流程如下：

（1）模數轉換器 MAX5864 將數字基帶信號轉換為模擬基帶信號；

（2）射頻收發器 MAX2837 將模擬基帶信號調制到頻率為 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）通過設置單刀三擲開關 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，配置射頻收發器MAX2837 中的數控增益單元為 33 dB，最終 Hack RF 輸出載波信號功率為 4 dBm，如圖 9 所示。

3.3 功率放大器設計

方案中的功率放大器模塊為自主設計，射頻鏈路如圖 4所示。HMC472 是數控射頻衰減器，受單片機控制，負責功放模塊的增益控制，本設計中衰減值設置為 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 系統驗證

本文設計的 GPS 信號控制系統通過“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 環境、“無 GPS”環境以及“偽 GPS”環境等。通過終端的“GPS 工具”和“地圖工具”讀取 GPS 衛星狀態、經緯度信息以及地圖位置信息來驗證系統功能，測試結果如下：

（1）正常 GPS 環境下，終端 GPS 衛星搜索結果和位置信息如圖 11 所示：GPS 工具顯示搜索到 GPS 衛星 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“湖北交通職業技術學院”。

（2）GPS 信號控制系統提供“無 GPS 信號”環境，終端上的 GPS 衛星搜索結果和位置信息如圖 12 所示：GPS 工具顯示搜索到 GPS 衛星 0 顆，無定位坐標；地圖工具顯示“定位失敗”。

（3）GPS 信號控制系統提供“偽 GPS”環境，系統“預設位置”編輯為“南岳衡山風景區”，終端 GPS 衛星搜索結果和位置信息如圖 13 所示：GPS 工具顯示搜索到 GPS 衛星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”。