Bachelor's Thesis

GPS signal emulator using SDR

Final Thesis 4.4 MB Appendix 90.7 kB

Author of thesis: Bc. Šimon Zvončák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Reviewer: Ing. Anna Kubánková, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design and implementation of a laboratory GPS signal emulator for the L1 civil band using Software Defined Radio (SDR). To overcome earlier frequency instability issues, the USRP B205mini-i platform with a temperature-compensated oscillator (TCXO) was utilized. The main contribution is a custom Python GUI application that fully automates I/Q sample generation, navigation message (RINEX) filtering, and data streaming via the GNU Radio API. The emulator supports both static position simulation and complex dynamic scenarios, integrating the OSRM interface for realistic road network trajectories. The system's functionality was successfully verified by over-the-air transmission to a commercial smartphone. Tests confirmed reliable position acquisition (fix) and the emulator's ability to spoof the receiver using precise dynamic trajectories and extreme speeds.

Keywords:

GPS, SDR, USRP, emulator, spoofing, GNU Radio, RINEX, OSRM, L1, Python, dynamic navigation.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: 1) V práci uvádíte, že pro přenos signálu koaxiálním kabelem chybělo hardwarové vybavení. Jaké konkrétní hardwarové prvky by bylo nutné doplnit pro realizaci tohoto scénáře? 2) Jaká omezení má použitý nástroj gps-sdr-sim z pohledu simulace realistických signálů? 3) Pomocí jakého nástroje by se mohly realizovat vámi zmíněné možnosti rozšíření navrženého systému v kapitole 5.2? 4) Jaké je praktické využití řešení?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Telecommunication and Information Systems (BPC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. (předseda)
prof. Mgr. Pavel Rajmic, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Petr Dejdar, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Karásek, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Pavelka (člen)
Ing. Alžbeta Kostelanská (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Student pracoval na bakalářské práci systematicky po celý semestr, pravidelně konzultoval a samostatně reagoval na technické problémy spojené se stabilitou SDR platformy, generováním GPS signálu a ověřením na komerčním přijímači.
Cílem práce byl návrh a realizace laboratorního emulátoru GPS signálu pomocí SDR, což se studentovi podařilo. Autor prokázal porozumění fyzické vrstvě L1, struktuře navigační zprávy i formátu RINEX. Výsledná aplikace v Pythonu (využívající gps-sdr-sim a GNU Radio) nabízí přehledné grafické rozhraní pro generování statických i dynamických scénářů. Kladně hodnotím použití mapového rozhraní pro tvorbu realistických trajektorií. Funkčnost celého řetězce byla úspěšně ověřena vynucením fiktivní polohy na komerčním telefonu.
K práci mám několik technických připomínek. Vzhledem k legislativním omezením v pásmu GNSS mohl autor detailněji navrhnout bezpečný měřicí řetězec pro kabelové propojení (útlumové články, oddělení DC složky). V textu dále chybí přesnější kvantifikace výstupního výkonu, dosahu, frekvenční stability a podrobnější zpracování automatizovaného logování NMEA/UBX dat z testovaného přijímače. Tyto výtky však nesnižují vysokou kvalitu dosažených výsledků.
Formální úprava práce je na dobré úrovni, text je čitelný a logicky strukturovaný. Místy se sice objevují drobné překlepy a méně formální vyjadřování, popis vývoje od blokových schémat po finální aplikaci je však srozumitelný a vhodně doplněný o relevantní grafické přílohy a ukázky kódu. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Anna Kubánková, Ph.D.

V rámci bakalářské práci student vytvořil funkční systém umožňující generování a vysílání GPS signálu, implementoval vlastní GUI aplikaci a ověřil funkčnost na komerčním přijímači. Kladně hodnotím integraci mapových podkladů OSRM. Cíle práce jsou z větší části splněné. Za drobný nedostatek považuji chybějící podrobnější analýzu a popis scénáře využívajícího pro přenos signálu koaxiální kabel.
Struktura práce je logická a jednotlivé kapitoly na sebe navazují. Formální zpracování práce je na vysoké úrovni. Drobnou výtku mám k některým použitým tvrzením bez dostatečné opory v naměřených datech, například o vytvoření „plně funkční alternativy ke komerčním hardwarovým simulátorům“. Citace jsou v textu používány korektně a literatura pokrývá hlavní oblasti řešené problematiky.
Výsledný systém je prakticky využitelný pro laboratorní demonstrace a základní testování GPS. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou A-92 bodů. Topics for thesis defence:
  1. V práci uvádíte, že pro přenos signálu koaxiálním kabelem chybělo hardwarové vybavení. Jaké konkrétní hardwarové prvky by bylo nutné doplnit pro realizaci tohoto scénáře?
  2. Jaká omezení má použitý nástroj gps-sdr-sim z pohledu simulace realistických signálů?
  3. Pomocí jakého nástroje by se mohly realizovat vámi zmíněné možnosti rozšíření navrženého systému v kapitole 5.2?
Points proposed by reviewer: 92

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová