0   引言

全球定位系統(tǒng)（GPS）是以導(dǎo)航衛(wèi)星為基礎(chǔ)進(jìn)行高精度無線電測時和測距的定位系統(tǒng)，在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)以及精確的時間信息^[1-2]。本文基于BD/GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種衛(wèi)星信號多通道隔離轉(zhuǎn)換測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用BD/GPS 偽衛(wèi)星信號發(fā)生器提供單一穩(wěn)定的信號源，利用功分器將一路輸入信號能量分成多路相等的輸出信號能量，這些輸出信號由自主研發(fā)生產(chǎn)的BD/GPS 信號解析板卡解析成固定格式的數(shù)據(jù)[3]，并通過板卡集成的PCI 總線送至電腦上位機(jī)，上位機(jī)通過開發(fā)程序的方式完成BD/GPS 衛(wèi)星信號由不可見至視覺的轉(zhuǎn)變。

1   系統(tǒng)概述

系統(tǒng)工作時，先由1 個BD/GPS 偽衛(wèi)星信號發(fā)生器給系統(tǒng)提供單一路穩(wěn)定的BD/GPS 衛(wèi)星信號，該信號提供給射頻功率分配模塊。射頻功率分配模塊將輸入的一路BD/GPS 衛(wèi)星信號無損轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)立且相等的四路BD/GPS 衛(wèi)星信號并輸出到衛(wèi)星信號接收解析模塊；衛(wèi)星信號解析模塊從輸入的四路BD/GPS 信號中提取出衛(wèi)星號、通道號以及輸入信號強(qiáng)度等信息，通過PCI 總線上傳至PC 上位機(jī)進(jìn)行顯示[3]。PC 端采用C/C++ 語言編寫顯示軟件，將解析出的信息采用柱狀圖的形式直觀顯示在PC 界面上。

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠BD/GPS 偽衛(wèi)星信號發(fā)生器、射頻功率分配模塊、衛(wèi)星信號接收解析模塊和PC端上位機(jī)顯示模塊。

2.1 BD/GPS偽衛(wèi)星信號發(fā)生器

為保證信號的穩(wěn)定性及結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用BD/GPS 偽衛(wèi)星信號發(fā)生器作為衛(wèi)星信號。偽衛(wèi)星信號發(fā)生器可以在多種環(huán)境（包括室內(nèi)環(huán)境）下模擬導(dǎo)航衛(wèi)星的各種參數(shù)，且可以實(shí)時調(diào)整信號強(qiáng)度，其標(biāo)準(zhǔn)配置軟件為顯控軟件。顯控軟件實(shí)時生成對應(yīng)于用戶設(shè)定載體軌跡的導(dǎo)航電文和觀測數(shù)據(jù)（偽距、多普勒等），并將數(shù)據(jù)發(fā)送給偽衛(wèi)星信號發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)對信號發(fā)生器的控制及操作；同時以圖形化界面及文本窗口顯示數(shù)學(xué)仿真軟件生成觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文。

2.2 射頻功率分配模塊

該模塊的外形設(shè)計(jì)為一個標(biāo)準(zhǔn)的3U PXI 板卡，該板卡主要包括底板、功分器、對外接口三部分。底板主要是對功分器進(jìn)行固定，并通過PXI 的J1 接口和機(jī)箱連接和固定；功分器固定在底板上，實(shí)現(xiàn)一分四的射頻功率分配；對外接口采用SMA 接頭，通過前面板和外部連接。功分器采用無源改進(jìn)型微帶四等分功分器，基于傳統(tǒng)功分器理論，通過引入λ2 微帶傳輸線，增加兩輸出端口間的距離，從而提高電路布局的靈活性，改善功分器的性能。功分器工作頻率為（1 559~1 577）MHz，覆蓋GPS L1（1 575.42±1.023）MHz 和BD2 B1（1 559.052~1 591.788）MHz 頻段。

2.3 信號接收解析模塊

信號接收解析模塊接收來自信號功分模塊的4 路衛(wèi)星信號，經(jīng)內(nèi)部多模定位模塊UM220 和FPGA 處理后提取出衛(wèi)星號、通道號以及輸入信號強(qiáng)度等信息，并通過PXI/PCI 總線上傳至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件將這些信息以數(shù)字柱狀圖的形式顯示在界面上。其基本框架如圖1 所示。

圖1 信號接收解析模塊功能框圖

2.3.1 多模定位模塊UM220

多模定位模塊主要采用的是兼容GPS 和北斗二代定位功能的UM220NV，該模塊有多達(dá)24 個衛(wèi)星接收通道，兼容GPS L1、BD2-B1，同時擴(kuò)展了NMEA-0183 格式，以便于使用該格式傳輸北斗二代的數(shù)據(jù)。該協(xié)議可以輸出衛(wèi)星號、通道號，通過FPGA 片內(nèi)程序解析出信號強(qiáng)度、時間、經(jīng)緯度、高度、速度等導(dǎo)航指標(biāo)^[1-2]。

通過長期的測試和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該模塊的精度、穩(wěn)定性和可靠性都較高。為了提高系統(tǒng)的集成度，有效提高空間資源利用率，板卡設(shè)計(jì)時將4 個相同的UM220NV 多模定位模塊集成在一塊電路板上，組成一個多路信號接收模塊。

2.3.2 FPGA處理器EP2C5Q208

信號接收解析模塊采用現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）作為核心處理器，選用的芯片型號是Altera公司的EP2C5Q208，其具有豐富的I/O 管腳，可以靈活進(jìn)行I/O 配置，邏輯資源豐富，提供程序并行處理功能，從而提高程序的運(yùn)行效率。信號解析模塊的主要處理功能分為3 個部分，第1 部分是處理4 塊多模定位模塊上的信息（包括指令和返回的數(shù)據(jù)），打包后通過PCI 總線發(fā)送給上位機(jī)顯示單元。第2 部分是和PCI9052 之間局部總線的控制時序，以保證PCI 接口能夠正常通信。第3 部分是背板及主控PCI 擴(kuò)展性能總線的接口時序控制，以實(shí)現(xiàn)PCI 擴(kuò)展總線的功能。

詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。圖中左上角主要是PCI地址線連接圖；右上角主要是和4 個BD/GPS 模塊連接圖；左下角主要是PCI 接口的控制接口連接關(guān)系；右下角主要是PCI 數(shù)據(jù)接口的連接關(guān)系圖。

圖2 信號解析模塊應(yīng)用電路

2.3.3 總線轉(zhuǎn)換芯片PCI9052

PCI9052 是PLX 公司開發(fā)的服從PCI 協(xié)議的從模式接口芯片，它能夠?qū)崿F(xiàn)ISA 總線到PCI 總線的平滑轉(zhuǎn)換，將較為復(fù)雜的PCI 總線轉(zhuǎn)換為相對簡單的用戶本地接口。，符合PCI2.1 規(guī)范，完全兼容PXI 總線協(xié)議。它可作為PCI 總線目標(biāo)設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求，有5 個局部地址空間和4 個局部設(shè)備片選信號，局部總線與PCI 總線時鐘相互獨(dú)立運(yùn)行。通過配置EEPROM 的內(nèi)容可以將PCI9052 設(shè)定為ISA 接口模式，通過8 位或16 位內(nèi)存或I/O映射可直接使PCI 總線與ISA 總線相連，從而將ISA 總線快速轉(zhuǎn)換到PCI 總線上。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 信號接收解析模塊軟件

信號接收解析模塊能夠控制4 個GPS/ 北斗定位模塊，可根據(jù)需要分別發(fā)送控制命令和參數(shù)提取命令。在數(shù)據(jù)協(xié)議方面，主要采用分層編址協(xié)議，分為板卡地址（PCI 地址）、模塊地址兩層，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)都按照編址方式進(jìn)行傳輸。FPGA 將導(dǎo)航數(shù)據(jù)解析后，通過PCI 總線上傳至電腦上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示[3,6]。板卡集成PCI9052 模塊，按照標(biāo)準(zhǔn)的PCI2.1 規(guī)范進(jìn)行驅(qū)動程序的開發(fā)，能夠自動檢測硬件，并進(jìn)行端口初始化和數(shù)據(jù)的讀寫（板卡上電，初始化完成后，會自動發(fā)送上行數(shù)據(jù)）。它具有自保護(hù)功能，當(dāng)驅(qū)動程序被破壞后，板卡或計(jì)算機(jī)端不能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)讀寫時能夠報(bào)警，并自行重新加載程序并恢復(fù)^[6]。圖3 展示了信號接收解析模塊FPGA 的軟件處理流程。

部分源代碼如下：

cnt_111_pro:process(reset_all,clk40M)

begin

if reset_all=’0’ then

cnt_111<=x”0000000”;

elsif rising_edge(clk40M) then

i f cnt_111= x ”9896800” t h e n - -

x”2625A00”

cnt_111<=x”0000000”;

else

cnt_111<=cnt_111+1;

end if;

end if;

end process;

cnt_112_pro:process(reset_all,clk40M)

begin

if reset_all=’0’ then

cnt_112<=x”0000000”;

elsif rising_edge(clk40M) then

i f cnt_112=x”2625A00” t h e n - -

x”2625A00”

cnt_112<=x”0000000”;

else

cnt_112<=cnt_112+1;

end if;

end if;

end process;

led1_pro: process(reset_all,clk40M)----LED is test

FPGA is work corrent or not

begin

if reset_all=’0’ then

led1<=’0’;

elsif rising_edge(clk40M) then

if gps_state_01=’0’ then

if cnt_111<=x”007625A00” then

led1<=’1’;

else

led1<=’0’;

end if;

else

if cnt_112<=x”001A25A00” then

led1<=’1’;

else

led1<=’0’;

end if;

end if;

end if;

end process;

3.2 上位機(jī)顯示模塊

采用C/C++ 語言編寫上位機(jī)顯示軟件，該軟件的主要功能是通過PCI 接口采集信號接收解析模塊上傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)以可視化界面形式顯示出來^[6]。顯示軟件支持同時采集3 塊信號接收解析模塊的數(shù)據(jù)，軟件左側(cè)12 通道同時顯示，每個通道以不同顏色的柱狀圖代表信號強(qiáng)度，同時在柱狀圖上端以數(shù)字形式顯示信號實(shí)時強(qiáng)度，這樣可以同時對信號進(jìn)行定性和定量分析；軟件右側(cè)對基準(zhǔn)通道（通道1）實(shí)際接收到的各個衛(wèi)星信號的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時顯示。。

4   平臺搭建與測試分析

所設(shè)計(jì)的BD/GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信號解析模塊可以作為單板插入到PXI 機(jī)箱或CPCI 機(jī)箱中，也可以多板卡構(gòu)成一個獨(dú)立測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試方案是采用3U PXI 機(jī)箱構(gòu)建一個測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控板卡、射頻功率分配模塊、衛(wèi)星信號接收解析模塊和上位機(jī)顯示模塊；衛(wèi)星導(dǎo)航信號通過BD/GPS 天線輸入到射頻功率分配模塊后，轉(zhuǎn)換成多路后輸入到衛(wèi)星信號接收解析模塊，在主控板卡上采用例程程序?qū)ζ溥M(jìn)行測試[7]。測試機(jī)箱原理如圖4 所示。

為了驗(yàn)證產(chǎn)品的功能是否滿足要求，用3 塊解析卡做了如下測試。

1）1 號板和3 號板在-65 dBm，且首次啟動時3塊板均無干擾，此處無干擾指每塊板接3 個通道，其余一個通道未見干擾信號，見表1。

2）熱插拔（首次啟動后）在-65 dBm 下每塊板接3 個通道，余下的1 個通道的干擾信號小于5 個信噪比（在誤差允許范圍內(nèi)）。見表2。

3）在-58/-65 dBm 時，啟動3 塊測試板，同一測試板的4 個通道的信號在誤差范圍內(nèi)保持一致。見表3。

測試數(shù)據(jù)說明，衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收解析模塊的設(shè)計(jì)符合要求，能在誤差允許范圍內(nèi)能夠?qū)⒁宦沸l(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為無損耗且相互隔離的四路衛(wèi)星信號, 上位機(jī)顯示模塊能夠?qū)⒔馕龊蟮男l(wèi)星信號實(shí)時顯示。

5   結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號多通道隔離轉(zhuǎn)換測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將單一路的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為無損失且相互隔離的4 路信號，實(shí)現(xiàn)了多路衛(wèi)星信號的解析和實(shí)時顯示，能真實(shí)還原實(shí)際導(dǎo)航衛(wèi)星的狀態(tài)數(shù)據(jù)，為相關(guān)科研工作提供了有力支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李柏渝.高性能衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)模擬信道關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙:國防科技大學(xué),2011.

[2] 徐福祥.衛(wèi)星工程[M].北京:中國宇航出版社,2004.

[3] 王廣運(yùn),郭秉義,李洪濤.差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,1998.

[4] 王軍旗,朱振華,王天亮.衛(wèi)星多通道遙測選通電路抗串?dāng)_設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(11):65-66,69.

[5] 羅映紅,張博.傳輸線端接阻抗對線間串?dāng)_的影響研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009(4):120-122,127.

[6] 魯豫.北斗/GPS雙模軟件接收機(jī)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016.

[7] 曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）