衛(wèi)星導航信號多通道隔離轉換測量顯示系統(tǒng)的設計實現(xiàn)

0   引言

全球定位系統(tǒng)（GPS）是以導航衛(wèi)星為基礎進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確的坐標以及精確的時間信息^[1-2]。本文基于BD/GPS 衛(wèi)星導航信號設計并實現(xiàn)了一種衛(wèi)星信號多通道隔離轉換測量顯示系統(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，上位機通過開發(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)星信號無損轉換為相互獨立且相等的四路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度等信息，通過PCI 總線上傳至PC 上位機進行顯示[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)硬件設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)的實現(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)定性及結果的準確性，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（包括室內環(huán)境）下模擬導航衛(wèi)星的各種參數(shù)，且可以實時調整信號強度，其標準配置軟件為顯控軟件。顯控軟件實時生成對應于用戶設定載體軌跡的導航電文和觀測數(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)學仿真軟件生成觀測數(shù)據(jù)和導航電文。

2.2 射頻功率分配模塊

該模塊的外形設計為一個標準的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行固定，并通過PXI 的J1 接口和機箱連接和固定；功分器固定在底板上，實現(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度等信息，并通過PXI/PCI 總線上傳至上位機軟件，上位機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24 個衛(wèi)星接收通道，兼容GPS L1、BD2-B1，同時擴展了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 片內程序解析出信號強度、時間、經(jīng)緯度、高度、速度等導航指標^[1-2]。

通過長期的測試和驗證，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，板卡設計時將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 擴展性能總線的接口時序控制，以實現(xiàn)PCI 擴展總線的功能。

詳細設計方案如圖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系；右下角主要是PCI 數(shù)據(jù)接口的連接關系圖。

圖2 信號解析模塊應用電路

2.3.3 總線轉換芯片PCI9052

PCI9052 是PLX 公司開發(fā)的服從PCI 協(xié)議的從模式接口芯片，它能夠實現(xiàn)ISA 總線到PCI 總線的平滑轉換，將較為復雜的PCI 總線轉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 總線目標設備實現(xiàn)基本的傳送要求，有5 個局部地址空間和4 個局部設備片選信號，局部總線與PCI 總線時鐘相互獨立運行。通過配置EEPROM 的內容可以將PCI9052 設定為ISA 接口模式，通過8 位或16 位內存或I/O映射可直接使PCI 總線與ISA 總線相連，從而將ISA 總線快速轉換到PCI 總線上。

3   系統(tǒng)軟件設計與實現(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)都按照編址方式進行傳輸。FPGA 將導航數(shù)據(jù)解析后，通過PCI 總線上傳至電腦上位機進行實時顯示[3,6]。板卡集成PCI9052 模塊，按照標準的PCI2.1 規(guī)范進行驅動程序的開發(fā)，能夠自動檢測硬件，并進行端口初始化和數(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)）。它具有自保護功能，當驅動程序被破壞后，板卡或計算機端不能進行正常的數(shù)據(jù)讀寫時能夠報警，并自行重新加載程序并恢復^[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 上位機顯示模塊

采用C/C++ 語言編寫上位機顯示軟件，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度，同時在柱狀圖上端以數(shù)字形式顯示信號實時強度，這樣可以同時對信號進行定性和定量分析；軟件右側對基準通道（通道1）實際接收到的各個衛(wèi)星信號的強度進行實時顯示。。

4   平臺搭建與測試分析

所設計的BD/GPS 衛(wèi)星導航信號解析模塊可以作為單板插入到PXI 機箱或CPCI 機箱中，也可以多板卡構成一個獨立測試系統(tǒng)。實驗測試方案是采用3U PXI 機箱構建一個測試系統(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顯示模塊；衛(wèi)星導航信號通過BD/GPS 天線輸入到射頻功率分配模塊后，轉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對其進行測試[7]。測試機箱原理如圖4 所示。

為了驗證產(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）。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保持一致。見表3。

測試數(shù)據(jù)說明，衛(wèi)星導航信號接收解析模塊的設計符合要求，能在誤差允許范圍內能夠將一路衛(wèi)星信號轉換為無損耗且相互隔離的四路衛(wèi)星信號, 上位機顯示模塊能夠將解析后的衛(wèi)星信號實時顯示。

5   結束語

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

參考文獻：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）