极客DIY：廉价电视棒玩转GNSS-SDR，实现GPS实时定位

0×00 前言

GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。中文称做：全球卫星导航系统、全球导航卫星系统。

 

GNSS泛指全部的卫星导航系统，包括全球的、区域的和加强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的加强系统，如美国的WAAS（广域加强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星加强系统）等，还涵盖在建和之后要建设的其余卫星导航系统。

0×01 摘要

本文描述一种利用GNSS-SDR玩转身边无线信号的最廉价方式。因为这款产品是许多人共同努力的结果，没法一一罗列，在此仅说起一下此产品的先驱，V4L/DVB内核的开发人者Antti Palosaari，他发现基于 realtek瑞昱(也称螃蟹)RTL2832U 芯片的USB电视棒存在一种未公开的操做模式, 启用以后能够做为一种廉价的软件无线电的前端。这个重要功能是芯片容许设备向主机发送原生的I/Q采样信号，而后主机负责对DAB/DVB+/FM信号进行解调。这对GNSS软件接收器来讲是好消息，由于它覆盖了目标频率带宽。

参考规格说明书，RTL2832U可以以高达3.2 MSPS基带采样频率输出8位I/Q采样信号。不过，经测试发现无损的最高采样频率是2.8 MSPS。频率范围严重依赖于所用的调谐器。使用Elonics E4000调谐器的电视棒可能提供最宽的频率范围（64-1700MHz，而1100-1250MHz之间的存在采样盲区）。当超出规范使用时，调谐器能够覆盖50MHz-2.2GHz（包括盲区）。有关此设备兼容性的更多信息能够参考OsmocomSDR Wiki。

全球卫星导航系统（GNSS）Galileo-E1和GPS-L1链路的中心频率是 1575.42MHz，而E400调谐器芯片能够覆盖这个频段。咱们能够配置GNSS-SDR，把RTL2832U做为实时信号源，从而为搭建GPS-L1信号接收器提供一种低成本的选择（数十块）。关于GNSS-SDR这个新功能，本文将介绍操做细节以及一些性能测试。

0×02 OsmoSDR驱动

为支持realtek瑞昱RTL2832U芯片的电视棒，GNSS-SDR须要使用OsmoSDR GNU Radio数据源模块（source block）及其驱动。研究人员实现新的 GNSS-SDR数据源适配器，即其实是OsmoSDR上gr_hier_block2的类实例，而关联的GNSS-SDR 数据源名称为Osmosdr_Signal_Source。适配器的源码位于：

trunk/src/algorithms/signal_source/adapters/osmosdr_signal_source.h
trunk/src/algorithms/signal_source/adapters/osmosdr_signal_source.cc

经过包含如下头部文件，调用libgnuradio-osmosdr 函数库：

#include <osmosdr_api.h>
#include <osmosdr_source_c.h>

编译时增长GNSS-SDR对RTL2832U的支持是可选的，须要安装 OsmoSDR库。关于一步步构建的操做方法，请查阅位于trunk/README的GNSS-SDR 说明文档。

0×03 设置GNSS-SDR 开启GPS-L1实时模式

为了兼容 USB DVB-T设备，咱们必须在 GNSS-SDR配置文件(gnss-sdr.conf) 中选择 Osmosdr_Signal_Source做为信号源模块（SignalSource block）。此外，咱们也须要配置以下参数：

基带采样频率  //the baseband sampling frequency
射频中心频率  //the RF center frequency
射频增益（IF gain）  //the RF gain
自动增益控制（AGC） 模式 //the AGC operation

可正常接收 GPS-L1 C/A信号的有效配置以下：

[GNSS-SDR]
;######### GLOBAL OPTIONS ##################
GNSS-SDR.internal_fs_hz=2000000
;######### CONTROL_THREAD CONFIG ############
ControlThread.wait_for_flowgraph=false
;######### SIGNAL_SOURCE CONFIG ############
SignalSource.implementation=Osmosdr_Signal_Source
SignalSource.item_type=gr_complex
SignalSource.sampling_frequency=2000000
SignalSource.freq=1575420000
SignalSource.gain=60
SignalSource.AGC_enabled=true
SignalSource.enable_throttle_control=false

安全研究员建议把采样频率设为2 MSPS。在酷睿2四核Q9000处理器@2.66GHz主频和4G内存的硬件状况下，这一配置能够实现8个卫星信道的实时接收操做。此外，启用E4000的自动控制增益（AGC）能够得到最好效果。

0×04 RTL2832U振荡器精度和稳定性的问题

正如Michele Bavaro在他GNSS 博客上提到的， RTL2832U 电视棒所用晶体振荡器的精确度很是低。经过在两种设备（EzCap666和Generic P160）上的实验证明了这个问题。做者使用高精度的信号生成器在GPS-L1链路上产生未调制的载波信号，而后在捕获的信号中测量载波频率错误。在EzCap设备上产生的误差是80KHz，而在P160设备上产生的误差是14.8KHz。

本地晶体振荡器的的偏差会给GNSS接收器形成两种影响：

1.基带信号会偏移到一个中频（ Intermediate Frequency //IF //中高频;中高频中间频率; ），等同于压控振荡器的误差(VCO deviation)。也能够视为明显的多普勒频移。若是叠加的多普勒频移（实际的信号多普勒频移+偏移的中频）超过可辨识的多普勒搜索间距，信号识别便会失败。
2.因为模数转换器的采样时钟也要参考本地振荡器，因此采样频率也会出现误差。这个问题会影响追踪的延时锁相环（Delay Locked Loop DLL），由于配置文件中设置的理论采样时钟频率与实际的采样时钟频率存在误差。若是误差太大，追踪的延时锁相环（DLL）也会锁定失败。

多亏了GNSS-SDR的灵活性，安全研究员能够经过修改软件接收器配置来消除这两种负面影响。一方面，能够经过启用以下的频率转换FIR过滤器来使用信号调节模块（Signal Conditioner block ）抵消中频（IF）：

;######### SIGNAL_CONDITIONER CONFIG ############
SignalConditioner.implementation=Signal_Conditioner
DataTypeAdapter.implementation=Pass_Through
;######### INPUT_FILTER CONFIG ############
InputFilter.implementation=Freq_Xlating_Fir_Filter
InputFilter.input_item_type=gr_complex
InputFilter.output_item_type=gr_complex
InputFilter.taps_item_type=float
InputFilter.number_of_taps=5
InputFilter.number_of_bands=2
InputFilter.band1_begin=0.0
InputFilter.band1_end=0.85
InputFilter.band2_begin=0.90
InputFilter.band2_end=1.0
InputFilter.ampl1_begin=1.0
InputFilter.ampl1_end=1.0
InputFilter.ampl2_begin=0.0
InputFilter.ampl2_end=0.0
InputFilter.band1_error=1.0
InputFilter.band2_error=1.0
InputFilter.filter_type=bandpass
InputFilter.grid_density=16
InputFilter.sampling_frequency=2000000
InputFilter.IF=14821
;######### RESAMPLER CONFIG ############
Resampler.implementation=Pass_Through
Resampler.dump=false
Resampler.item_type=gr_complex

另外一方面，经过设置GNSS-SDR内部采样频率参数预计的采样时钟频率，能够测量和斟酌采样频率错误。

GNSS-SDR.internal_fs_hz=corrected_value
InputFilter.sampling_frequency=corrected_value
Resampler.sample_freq_in=corrected_value
Resampler.sample_freq_out=corrected_value

0×05 GPS有源天线

安全研究员使用带有陶瓷贴片天的低噪声放大器（Low Noise Amplifier LNA）天线做为有源GPS天线，从而下降总体的噪声。下图展现Garmin GA27C GPS天线，咱们能够看到在它的PCB板子上有块陶瓷贴片：

除去塑料壳的Garmin GA-27有源天线

为把天线链接到DVT-T电视棒上，安全研究员须要作一些硬件的修改：

1. 假设GPS天线配置了SMA链接器，为了让GPS天线可以与DVB-T电视棒对接，咱们须要本身制做射频（RF）电缆把SMA链接器转换成MCX链接器。
2. 须要使用Bias-T网络（Bias-T network）馈入（feed）低噪声放大器（LNA）。

0×06 性能测量及结论

为实时接收和处理GPS信号，安全研究员评估了两种不一样的配置。

第一种方法：安全研究员使用自制的20dB放大和过滤电路把DVB电视棒链接到有源贴片天线。增益模块（gain block）提供+5伏直流电压为有源天线内部的低噪声放大器（LNA）供电。

下图为DVB电视棒（generic P160）、低噪声放大器（LNA）和有源天线的组合：

使用外部LNA电路把通用P160 DVB-T电视棒链接到的GA-27天线

另外一种方法：安全研究员使用bias-T网络（standard bias-T network）把有源GPS天线与DVB电视棒的直接链接起来。此设置以下图所示：

使用bias-T网络把通用P160 DVB-T电视棒链接到GA-27天线

在这些实验中，安全研究员使用Dell XPS M1530笔记本，配置为：

Intel 酷睿2双核 T9300 CPU (Intel Core 2 Duo T9300 CPU)
内存：4 GB
操做系统：Ubuntu 12.04 
GNU Radio版本为3.6.0

本文撰写之时(SVN rev. 227)，在把RtlsdrSignalSource 的采样频率从2MSPS下降1MSPS状况下，上述设备能够支持4个卫星信道的实时操做。虽然支持的带宽有限，可是GNSS-SDR都可以经过上述两种配置获取、追踪、肯定位置。天线放置在CTTC（建筑群热时间常数简写）建筑的屋顶，并在实验过程一直保持固定。

Tracking.dump=true
Tracking.dump_filename=./tracking_ch_

在后续的分析处理中，研究人员使用Matlab脚本进行完整性检查（sanity check），脚本位置以下：

trunk/src/utils/matlab/gps_l1_ca_dll_pll_plot_sample.m

图片清楚地显示了GPS C/A导航信号。PLL和DLL鉴相器的输出很是杂乱。

追踪数据分析

最后，直接经过Google地图来描绘获取到的KMV位置文件，以下图所示。黄线代码表示10秒间隔内位置的变化，而红箭头表示天线实际所在的位置。此外，咱们也绘制了高度的变化状况。使用4颗卫星和很是低的采样频率-1.2MSPS，研究人员即可以估计位置的时间和速度时间曲线（Position Velocity and Time PVT），这里估计的定位偏差在200米范围内。

使用Google地图分析GNSS-SDR估算的位置

0×07 总结

总结这个初步的实验，研究人员得出结论，使用低成本的Realtek DVB-T电视棒实现GNSS定位是可行的。据称，这是GNSS软件接收器首次使用RTLSDR设备进行实时定位操做。这个里程碑可让咱们使用笔记本和极低成本的硬件获取GNSS服务的潜能。研究人员正在计划进一步测试和提高对RTLSDR设备的支持。

*原文地址：gnss-sdr.org