GPS伪卫星发射机的测试和技术研究_张禛君

GPS 系统导航定位精度依赖于观测到的可见星的 数目及其空间几何分布。然而，在某些地方，例如山谷 中的矿区、隧道、地铁和室内等，GPS 系统通常不能很 好地工作。在这些地方通常只有 3 颗或更少的可见星 可以被接收机跟踪，或是多于 3 颗卫星但卫星定位的 几何因子差，这就导致了定位精度大大降低［1］。伪卫 星定位 技 术 为 这 些 问 题 的 解 决 提 供 了 一 条 有 效 的 途径。
首先，测试伪卫星发射机 3 个模块的功能是否正 常。步骤为： 第 1 步，测试伪卫星的时钟模块，使用频 谱仪测试其晶振和时钟端口的输出频率是否正确； 第 2 步，测试伪卫星的基带 / 中频模块，使用示波器查看 伪卫星 C / A 码和载波的波形、伪卫星载波调制和 C / A 码相位的相关特性是否正确； 第 3 步，使用频谱仪测试 伪卫星射频输出端口和本振测试端口的频谱信息以及 伪卫星射频调制中的 I /Q 调制是否正确。
Abstract: The testing methods of a GPS pseudolite which is developed and set up on ourselves is emphasized． First of all，the principle，design and the core modules of the GPS pseudolite are introduced． Then，the testing method for every module of the GPS pseudolite is described，and the results of the testing are demonstrated． At last，the impact of the results on the pseudolite is summarized and analyzed． These results reveal that the design of the pseudolite reaches the designed specification and can play a key role in developing the GPS pseudolite positioning system in the next stage． Key words: GPS; pseudolite; testing
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制到载波，其数学表达式为
SL1 （ t） = Ac （ t） Ci （ t） Di （ t） cos（ ω1 t + φi ）
（ 1）
式中，SL1 （ t） 为 L1 波段上的已调制信号； Ac （ t） 为调制
于 L1 的 C / A 码振幅； Ci （ t） 为第 i 颗卫星的 C / A 码；
GPS 伪卫星的应用领域较专业，市场容量小，国内 外能够商业化提供伪卫星产品的公司也比较少，例如 芬兰的 SSF 公司、澳大利亚的 Locata 公司等。这些产 品价格昂贵，用户接口不多，设置的空间小，不利于伪 卫星技术的科学研究。在这样的情况下，本研究小组 独立自主研发了 GPS 伪卫星发射机。
1 GPS 伪卫星发射机设计简述
（ 1） 测试伪卫星的时钟模块。 该模块测试主要用来测试伪卫星晶振输出端口和 时钟输出端口的频率。经测试，得到晶振测试端口的 中心频率为 24. 000 MHz，时钟输出端口的中心频率为 10. 230 MHz。证明伪卫星晶振和时钟的中心频率是 正确的。 （ 2） 测试伪卫星的基带 /中频模块。 该模块用于查看伪卫星 C / A 码和载波的波形、伪 卫星载波调制和 C /A 码相位的相关特性是否正确。 首先使用示波器查看 C / A 码和载波的波形，如图 3（ a） 所示。图中可见 C / A 码波形呈方波状，载波波形 呈振幅变化的正弦波状，因此两种波形均正常。 为了查看伪卫星 BPSK 载波调制是否正确，把 C / A 码波形和载波波形同时放大，如图 3（ b） 所示，从图 中可以清晰地看出当 C / A 码跳变时，载波也相应地跳 变了 π 相位，说明载波波形随着 C / A 码的跳变而跳 变。这验证了载波 BPSK 调制正确（ 白色圈出处为跳 变处） 。载波相位的跳变相对 C / A 码的跳变，约有 4
其次，测试伪卫星发射机的信号是否可被接收机 顺利接收。步骤为： 采集伪卫星信号使用软件接收机 进行处理； 查看伪卫星信号输出的 C /A 码相位特性以 及射频的功率特性。 2． 4 测试过程和结果分析 2． 4． 1 伪卫星各模块的测试
对伪卫星各模块的测试包括： 时钟模块、基带 / 中 频模块和射频模块。
图 1 射频模块的工作流程图
天线模块主要功能是发射伪卫星信号。天线的极 化方 式 采 用 左 旋 圆 极 化，螺 旋 周 数 为 7 周，升 角 为 13. 0°； 辐射体半径为 3. 1 cm； 特征阻抗为 143. 20 Ω； 半功率波数为 39. 53。
综上所述，伪卫星发射机总体的工作流程为： 伪卫 星发射机采用频率 24 MHz 的晶振，经过频率合成器 产生频率为 10． 23 MHz 的系统时钟，为基带 / 中频模 块和射频模块提供时钟源输入。一方面，系统时钟输 入至基带 / 中频模块，该模块采用 FPGA 芯片产生导 航电文（ 导航电文目前采用内置生成的方式） 和 C / A 码，扩频后的数据码送入频率合成器进行 BPSK 调制， 生成频率为 16. 368 MHz 的中频信号； 另一方面，系统 时钟输入 至 RF 模 块，经 PLL 锁 相 环 后 生 成 稳 定 的 1559. 052 MHz 本振频率，然后调制码与本振频率混 频后产生 1575. 42 MHz 的射频并最终送入天线发射。 发射机的工作流程图如图 2 所示。
块提供外部时钟输入。伪卫星设计中的时钟模块采用
频率为 24 MHz 的晶振与 AD9851DDS 芯片合成输出
10. 23 MHz 的时钟频率。
基带 /中频模块主要功能为： 生成 C /A 码并将 C /
A 块 中 的 FPGA 生 成 C / A 码； 然 后 C / A 码 输 入 至 AD9854 频率合成芯片实现了数字基带到中频的上变 频与 BPSK 调制，得到已调制的中频。
GPS 伪卫星概念的出现比 GPS 早，在第一款 GPS 卫星发射之前，就曾在沙漠中使用安放在地面上的伪 卫星对 GPS 概念进行了实验。Klen 和 Parkinson 最早 提出伪卫星是 GPS 系统的有益补充，可以改善卫星的 几何特性，从而提高卫星导航的可用性［2］。
GPS 伪卫星可以发射类似于 GPS 的信号（ 因此称 为“伪卫星”） ，它采用的导航电文格式也基本一致。
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《测控技术》2012 年第 31 卷第 2 期
GPS 伪卫星发射机的测试和技术研究
张禛君1 ，徐洪亮1 ，战兴群1 ，王永泉2
（ 1． 上海交通大学 航空航天学院，上海 200240； 2． 上海华测导航技术有限公司，上海 200233）
摘要： 以一颗自主研发的 GPS 伪卫星为例，主要介绍了对于 GPS 伪卫星发射机的测试方法。首先介绍 了伪卫星发射机的原理与设计以及各个主要模块。随后，逐一描述了对这些模块所进行的测试方法，并 给出最终测试结果。最后，总结和分析了这些结果对伪卫星正常工作的影响。分析结果表明，该伪卫星的 设计，达到了设计指标，满足了实用需求，其测试和分析方式具有普适性，能够应用于一般伪卫星的测试。 关键词： GPS； 伪卫星； 测试 中图分类号： P228． 4 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 8829（ 2012） 02 － 0114 － 05
收稿日期： 2011 － 03 － 05 作者简介： 张禛君（ 1988—） ，男，硕士研究生，主要研究方向为 卫星导航定位。
GPS 系统在 L1 频段上所采用的信号频率为 1575. 42 MHz，而本文介绍的 GPS 伪卫星仍选用这一频率，以 确保 GPS 用户设备可以在尽可能小的改动下接收伪 卫星信 号，并 且 能 够 同 时 接 收 GPS 信 号 和 伪 卫 星 信号。
射频模块主要功能是采用超外差式上变频方式完 成中频上 变 频 至 射 频 的 工 作［3］。 射 频 模 块 主 要 由 锁 相频率合成器（ PLL） 、混频器和滤波器所组成。混频 器可以实现上变频的目的（ 即中频信号与本振信号混 合） 。该伪卫星采用 RF2480 芯片作为混频器，中频信 号的频率为 16. 368 MHz（ 即基准频率的 16 倍） ［3］。因 此，要使信号的频率为 1575. 42 MHz，在执行上变频之 前，需 要 产 生 频 率 为 1559. 052 MHz （ 即 基 础 频 率 的 1524 倍） 的本振信号。本振频率的生成方式为： 采用 锁相频率合成器实现倍频。这里锁相环频率合成器采 用 PCA1550A 芯片实现［2］。射频模块工作的流程如图 1 所示。滤波器采用通带为 1574 ～ 1577 MHz 的 GPS 专用滤波器 SAFSE1G57KA0T05。
本文介绍的 GPS 伪卫星发射机工作于 L1 频段， 使用与 GPS L1 相同的 1575. 42 MHz 频率。发射的信 号格式与 C / A 码兼容，能够被大多数 GPS 接收机接 收。其发射的信号包括两部分信息： C /A 码和导航 电文。
伪卫星信号发生器采用 BPSK 调制技术将信号调
GPS 伪卫星发射机的测试和技术研究
号是否可被接收机顺利接收。 2． 2 测试所使用的仪器
伪卫星测试主要使用的 4 种仪器为： 频谱分析仪、 GPS 导航信号模拟器、示波器和软件接收机。
频谱分析仪用于观察和记录某个指定频段内的信 号频谱，以查看伪卫星射频模块各输出信号的频率与 带宽大小是否达到标准。
GPS 导航信号模拟器是指模拟太空中所有可视 GPS 卫星的星座、GPS 卫星的运动状态和用户接收机 的运动状态，实时产生全功能的 GPS 卫 星 信 号 的 机 器。在本次测试中，导航信号模拟器的作用是： 使用其 输出的 GPS 卫星射频频谱与频谱分析仪输出的伪卫 星射频频谱进行比对，用以考察伪卫星射频频谱特性。