基于USRP平台的GPS软件接收机设计与实现

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基于USRP 平台的GPS 软件接收机设计与实现
摘要: 详细介绍采用USRP 实现GPS 软件接收机的设计与实现过程。分析GPS 软件接收机的基本组成模块及相关理论问题，并
搭建试验系统。通过对实测数据的分析，证明基于USRP 平台的GPS 软件接收机的可行性。
关键词: GPS 软件接收机; USRP; 捕获; 跟踪; 定位
收稿日期: 2012-06-04
基金项目: 国家自然科学基金( 41074025) ; 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金( PF2011-3) ; 高等学校博士学
科点专项科研基金( 20110141120046)
作者简介: 张鹏( 1976—) ，男，河南开封人，博士，讲师，主要研究方向为室内定位、软件接收机、传感器网络、压缩感知。
一、研究背景和意义
随着社会不断发展，基于位置服务的需求备受
关注，能否精确地确定用户的位置，在位置服务中
起着至关重要的作用。目前，GPS 已经成为在室外
环境下获取位置的首要选择，给定位、导航等领域
带来了革命性的变革［1］。同时，Galileo、GLONASS
及我国的北斗卫星系统也陆续投入使用，全球导航
卫星系统( global navigation satellite system，GNSS)
已经初步成型。多星座并存的GNSS 系统给人们带
来了更好的服务，但是其多星座、多制式、多频带的
特点也对接收机提出了更高的要求。
传统的商用接收机大多采用专用集成电路技
术( application specific integrated circuit，ASIC) ，其
计算能力强，且批量生产的成本较低，但是无法进
行算法的升级，不具备可扩展性，产品更新换代的
时间也较长。随着软件无线电思想的出现和技术
的发展，软件接收机技术被Dennis Akos 系统地阐述
并首先应用于GPS 接收机中［2］。软件接收机充分
利用了软件无线电的思想，将数字信号处理模块全
部以软件形式实现，从而最大限度地满足了人们在
研发接收机的过程中对灵活性的要求。
但是，软件接收机仍然需要部分硬件的支持，
而硬件部分需要实现的最重要的功能就是将模拟
信号变换为数字信号。对于GNSS 系统而言，射频
信号的频率一般在GHz 的数量级，根据奈奎斯特采
样定律的要求，模拟数字变换器( analog-to-digital
converter，ADC) 的采样速率要高于信号最高频率的
两倍，当前主流的商用ADC 无法满足要求。因此在
针对软件接收机的研究中，大多借助于中频采样的
方式，即首先将射频信号下变频到适当的中频频
段，然后在中频频段将信号进行数字化。由于中频
信号的信号频率相对较低，商用ADC 的采样指标均
能够满足要求，通常将能够完成以上功能的设备称
为中频采样器［3］。
本文介绍了采用通用软件无线电外设( universal
software radio peripheral，USRP) 实现中频采样器的
功能。USRP 充分吸收了软件无线电的思想，能够
灵活地变更信号的带宽、频率、采样速率。理论上，
采用USRP 能够适用于GNSS 系统中的任何一种制
式。本文以GPS 信号为例，介绍了采用USRP 实现
GPS 软件接收机的详细过程，分析了软件接收机的
基本组成模块，并采用实测数据评估了基于USRP
实现软件接收机的有效性。
二、系统实现
本文研究的GPS 软件接收机系统主要由USRP
设备和位于计算机中的软件处理模块两大部分
组成。
USRP 是科研领域较为通用的软件无线电平
台，主要由子板和母板组成，如图1 所示。根据GPS
的频率特点，本设计选择了型号为DBSRX 的子板。
DBSRX 可以处理的射频信号频率范围为800 MHz
～ 2． 4 GHz，涵盖了GNSS 系统所有制式的信号频
段。在本设计中，DBSRX 的主要功能是将处于L1
频段的GPS 信号通过混频操作将射频信号下变频
2012 年 第11 期 张 鹏，等: 基于 USRP 平台的 GPS 软件接收机设计与实现 55
到中频频段，以便于母板上的ADC 进行采样。
图1 USRP 的母板( 左) 和子板DBSRX( 右)
USRP 母板主要的功能是将处于中频频段的模
拟信号通过ADC 变换为数字信号，并将得到的数字
中频数据通过USB 接口传递给位于计算机中的
GPS 软件处理模块，母板的信号处理流程如图2
所示。
图2 FPGA 母板的信号处理流程
ADC 后端的FPGA 主要实现以下两个主要
功能:
1) 数字下变频。由于经过ADC 采样之后得到
的数字中频信号的频率仍然偏高，所以通过数字下
变频操作，将数字中频信号的频率进一步降低，为
后续的数字信号处理减小负担。
2) 由于USRP 母板上ADC 的采样频率是每秒
64 MB 个采样点，但是GPS 信号的有效带宽只有
1 MB，64 MB 的采样率会产生大量的数据，给后面的
数据处理带来巨大的负担。所以FPGA 的另一个重
要的任务是根据应用的实际需求，完成减采样过程
( 又称为采样点抽取) ，并实现了与减采样过程配合
使用的CIC 滤波器以及半带滤波器［4］。
USRP 将经过FPGA 处理后的信号通过USB 接
口传递给计算机中的软件处理模块进行后续处理。
三、软件处理模块
软件接收机中的软件处理模块包括3 个部分: 捕
获、跟踪和定位［5］。捕获和跟踪的详细过程如图3
所示。
图3 软件处理模块示意图
1． 信号捕获
信号捕获是为了识别出隐藏在接收信号中的
卫星信号。信号捕获算法首先在本地复制与卫星
C /A 码相同的本地C /A 码，通过不断改变本地C /A
码的相位，与接收信号进行相关运算。由于C /A 码
具有强自相关性，相关运算结果大于某个门槛就认
为实现了卫星的捕获，而此时对应的本地C /A 码的
相位就是对卫星的C /A 码相位的粗略估计值。又
由于卫星始终处于高速运动中，受到多普勒效应的
影响，接收到的卫星信号的载波频率值也会在一定
的区间内发生变化，所以信号捕获过程必须在不同
的载波频率上进行尝试，信号捕获过程本质上是一个
二维搜索过程。最终，信号捕获算法会将捕获到的卫
星信号对应的C/A 码相位的粗略估计值和载波频率
值作为初始参数，提交给后续的信号跟踪阶段［6］。
常用的信号捕获算法主要有串行捕获和并行
捕获两种。并行算法充分利用了傅立叶变换的特
性，把时域信号转换到频域中，将时域中的相关运
算转换到频域中的乘法运算，大大减小了计算量，
本文在研究中也采用了并行捕获方法。
2． 信号跟踪
在跟踪阶段，以捕获阶段获得的卫星载波频率
56 测 绘 通 报 2012 年 第11 期
和码相位的粗略估计值为初始值，通过跟踪环路逐
步精化对这两个参数的估计值，解调出导航电文。
跟踪环路通常由载波跟踪环和码跟踪环组成，
两种环路均采用闭环反馈的形式。载波跟踪环的
主要目的是实现输入信号载波的剥离，以得到解调
后的信号。码跟踪环的目的是实现解扩频，将用于
实现扩频操作的C /A 码剥离，最终得到导航电文。
在载波跟踪环中，首先根据捕获过程中输出的
载波频率值在本地复制同样频率的载波。将本地
复制载波与输入信号进行混频，以剥离输入信号中
的载波。并根据载波的剥离效果进一步调整本地
复制载波的参数，以达到最好的载波跟踪效果。载
波跟踪环通常采用相位锁定环路( PLL) 的形式。
在码跟踪环中，通常会复制3 份不同相位的C /
A 码，分别称为超前码( early) 、即时码( prompt) 和滞
后码( late) ，并分别用字母E、P 和L 来表示。将这3
份不同相位的C /A 码分别与输入信号进行相关操
作，并将即时码的相关结果与超前码和滞后码的相
关结果进行比较，就可以较为精确地确定相关结果
的最大值。图3 中的IE、QE、IP、QP、IL、QL
分别表示
本地复现的超前码、即时码和滞后码与输入信号进
行相关操作操作后得到的相关结果的同相分量和
正交分量。码跟踪环通常采用延迟锁定环路( DLL)
的形式来实现。
无论是载波跟踪环路还是码跟踪环路，都包含
有环路鉴相器和环路滤波器。环路鉴相器的主要
作用是用来计算接收信号与本地复制信号之间的
相位差异，并将相位差异反馈给本地复制信号进行
相应的调整。环路滤波器通常是一个低通滤波器，
其目的在于降低环路中的噪声，使滤波结果能够真
实反映滤波器输入信号的相位变化情况。
通常，载波环鉴相器主要利用了IP
和QP
的信
息。本文选择二象限反正切函数的方法来计算载
波相位差异，即
e = arctan QP
I ( ) P
( 1)
载波跟踪环会根据载波环鉴相器输出的相位
差异来调整本地载波，使得相位差异的值在零附近
晃动。
在码相位跟踪环中，选择了非相干超前减滞后
幅值法作为计算相位差的依据，相位差的计算公
式为
δcp = 12
( E － L) = 12
( I2
E + Q2 槡E － I2
L + Q2 槡L
) ( 2)
码跟踪环会根据计算出的相位差作为本地C /
A 码的相位调整依据，尽量使超前码与输入信号的
相关结果与滞后码与输入信号的相关结果相等，实
现精确跟踪。
3． 定位
定位模块根据跟踪模块输出的导航电文和精
化后的码相位数据来确定位置。从导航电文中可
以获取卫星的实时位置，从码相位测量值可以直接
得到伪距观测值。借助于最小二乘的方法就可以
完成定位。理论上，通过对载波跟踪环输出的频率
值进行多普勒积分能够得到载波相位的测量值，从
而实现更加精确的定位。
四、实测数据分析
本节给出了基于USRP 的软件接收机的实际测
试结果。测试时间是2012 年4 月20 日，地点在武
汉大学测绘学院楼顶。试验中用到的主要设备如
下: 一台安装有DBSRX 子板的USRP 设备，增益为
29 dB 的诺瓦泰有源天线GPS-702GG，以及型号为
X8AIN 的华硕笔记本电脑，试验环境如图4 所示。
图4 试验环境
在试验过程中，最多可以检测并捕捉到9 颗卫
星，图5 显示了第30 号卫星的捕获效果。较为显著
的尖峰能量值给后续的跟踪过程提供了很大的
便利。
图5 30 号卫星的捕获图
2012 年 第11 期 张 鹏，等: 基于 USRP 平台的 GPS 软件接收机设计与实现 57
跟踪过程以捕获到的30 号卫星的C/A 码和对应的
实时频率测量值为初始值，启动跟踪过程。图6 给出
了由实测数据得到的从启动到实现稳定跟踪的效果。
图6 30 号卫星的跟踪效果图
图6 中由CE、CP
和CL
指示的曲线分别对应着
用本地复制的超前码、即时码和滞后码与输入信号
求相关的幅值随时间变化的情况。从图6 中可以清
楚地看到，初始值并不精确，导致跟踪过程开始时
出现振荡的现象，但在载波跟踪环和码跟踪环的联
合作用下，经过一段时间的跟踪后，即时码与输入
信号的相关结果CP
能够始终维持在最大值。
通过捕获模块的准确获取和跟踪环的稳定工
作，可以顺利地获取卫星的导航电文。以30 号卫星
为例，图7 为解调出的导航电文。由于已经实现了
稳定的跟踪，I 路输出的就是导航电文( 如图7( a)
所示) ，与I 路正交的Q 路则只输出了噪声信号( 如
图7( b) 所示) 。
图7 导航电文的输出显示
在定位阶段，采用最小二乘的方法来进行位置
解算，每秒钟输出一个位置解算值，图8 中的白色点
给出了实际的未经差分运算的单点定位结果。经
计算，定位结果的误差小于4 m( 2σ) 。本研究未涉
及电离层、钟差等各种误差模型的改正。
图8 定位结果
五、结束语
本文介绍了采用USRP 实现软件接收机的具体
过程，分析了涉及的相关理论问题，并采用实测数
据验证了系统的可行性。基于USRP 的软件接收机
平台，可以灵活地设定接收信号的增益、带宽、频
率、采样速率，以及调制和扩频方式，不仅适用于
GPS 软件接收机，也可以用于其他制式的GNSS 软
件接收机，还可以用于室内定位等领域的研究，有
着广泛的应用前景。
参考文献:
［1］ KAPLAN E D． Understanding GPS: Principles and Applications
［M］． 2nd ed． ［S． l． ］: Artech House
Inc． ，2006．
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58 测 绘 通 报 2012 年 第11 期
续表2
序号类别监测对象主要监测成果主要统计成果
3
地表
覆盖
变化
地表覆盖
区域地表覆盖时态数据( 图) 、区域地表覆盖
度时态数据( 趋势图)
区域地表覆盖年变化率统计
植被覆盖度
区域植被覆盖度时态数据( 图) 、区域植被覆
盖度时态数据( 趋势图)
区域植被覆盖度变化率统计
4
生态
环境
变化
水体变化河流、湖泊、海岸线、水库等水体时态数据水体变化趋势统计
湿地变化区域湿地时态数据( 分布图) 湿地变化趋势统计
沙漠变迁区域沙漠时态数据( 分布图) 沙漠变迁趋势统计
地表沉降
城市地表沉降时态数据、矿区地表沉降时态
数据
地表沉降趋势统计
自然灾害变形监测时态数据变形趋势统计
露天采掘场区域露天采掘场时态数据( 分布图) 露天采掘场趋势统计
尾矿库区域尾矿库时态数据( 分布图) 尾矿库趋势统计
退耕还林
退耕还林、还草、植树造林、坡耕地时态数据
( 趋势图)
退耕还林趋势统计
五、结束语
无论是测绘，还是地理国情监测，其成果实现
的技术方法、所采用的技术手段大经相同，但成果
形式和内容有着一定的区别，尤其是地理国情监测
的成果形式更加灵活、内容更加丰富、范围更加广
泛。因此，地理国情监测技术体系构建的核心任
务，就是要围绕这一点，规范成果的形式、内容和相
关指标，历练成果实现的技术规范和工程化标准，
并使地理国情监测趋于业务化，以形成满足政府、
行业和社会公众不同需求的成果形式，不断完善测
绘地理信息的内涵和体系建设，提升测绘地理信息
行业的保障和服务能力。
参考文献:
［1］ 中国国家标准化管理委员会． GB/T 14911—2008 测绘
基本术语［S］． 北京: 中国标准出版社，2008．
［2］ 徐德明． 监测地理国情服务科学发展［N］． 人民日报，
2011-03-29．
［3］ 陈卫青． 浙江省地理国情监测试点成果通过验收［N］．
中国测绘报， 2012-02-03．
［4］ 郭仁忠，陈学业． 数字城市测绘体系初探［J］． 测绘通
报， 2010( 6) : 1-4．
［5］ 刘锐，陈毓龄． RS 和GIS 技术在土地利用动态监测中
的应用［J］． 测绘通报， 2011( 5) : 76-79．
［6］ 狄琳． 建立新国家地理格网服务地理国情监测初
探［J］． 测绘通报， 2011( 12) :
櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂
1-2．
( 上接第58 页)
［2］ AKOS D． A Software Radio Approach to Global Navigation
Satellite Receiver Design［D］． Athens: Ohio University，
1997．
［3］ ABIDI A A． The Path to the Software -Defined Radio
Receiver［J］． IEEE Journal of Solid-State Circuits，
2007，42( 5) : 954-966．
［4］ 杨小牛，楼才艺，徐建良． 软件无线电技术与应用［M］．
北京: 北京理工大学出版社， 2010 年．
［5］ 谢钢． GPS 原理与接收机设计［M］． 北京: 电子工业出
版社， 2009．
［6］ 汪伟，于建成，李国鹏． 一种GPS 软件接收机微弱信号
捕获方法［J］． 测绘通报， 2011( 1) :
12-14．
( 上接第73 页)
［2］ 李一军，周浩． 知识表示与类比推理的一体化研究［J］．
决策与决策支持系统， 1996( 2) : 55-56．
［3］ 刘霖． 论推类与传统类比推理［J］． 湘潭师范学院学
报: 社会科学版， 2007， 29( 1) : 1-3．
［4］ 倪鼎夫． 关于类比推理及其形式的探讨［J］． 形式逻辑
研究， 1984( 8) : 49-51．
［5］ 赵海云，何宗宜，左伟，等． 关联规则挖掘及其在房产
测量中的应用［J］． 测绘通报， 2009( 2) : 50-53．
［6］ 赵海云． 建筑构造空间属性与公摊测量的关系研
究［C］∥地籍与房产测量专业综合学术论文集． 广
州: 广州地图出版社，2008．
80 测 绘 通 报 2012 年 第11 期】
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