GPS探空儀通信系統的設計與實(shí)現

　　引言

　　在眾多的高空探測手段中，GPS探空儀作為一種新型的探測手段，具有全球覆蓋、費用低廉、探測精度高、垂直分辨率高等特點(diǎn)，越來(lái)越被氣象、水利、民航等業(yè)務(wù)部門(mén)廣泛地應用，具有巨大的市場(chǎng)需求。因此，開(kāi)發(fā)GPS探空儀具有良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　GPS探空儀的通信系統設計就是將GPS探空儀實(shí)時(shí)探測的溫度、濕度、壓力和GPS定位數據經(jīng)過(guò)編碼和數字調制，經(jīng)功率放大器放大為數字射頻信號后從空中傳回接收機，接收機對收到的信號進(jìn)行解調和解碼處理后再傳送至計算機進(jìn)行數據處理。

　　通信系統的設計與實(shí)現

　　本通信系統由發(fā)射部分和接收部分組成，工作方式為單工。發(fā)射部分由發(fā)射模塊和發(fā)射天線(xiàn)組成，接收部分由接收天線(xiàn)、室外云臺、電纜保護器、低噪聲放大器、30米饋線(xiàn)和接收模塊組成。其系統框圖如圖1所示。

　　天線(xiàn)設計

　　天線(xiàn)是通信系統的重要組成部分。在高空中，由于風(fēng)速較大和風(fēng)向不確定，發(fā)射天線(xiàn)采用1/4λ柔軟電纜制成的全向天線(xiàn)，接收電平波動(dòng)較小，其增益約為-3 dBi，長(cháng)度約為17.7cm(使用前必須嚴格測試其駐波比，根據駐波情況適當增減長(cháng)度)。經(jīng)過(guò)GPS探空儀多次放飛試驗證明，采用1/4λ柔軟電纜制成的發(fā)射天線(xiàn)，既能收到很好的接收效果，又能節約大量的成本。

　　接收天線(xiàn)采用波束寬度比較寬(水平面波瓣寬度為65o，垂直面波瓣寬度為53o)，增益達10dBi的八木定向天線(xiàn)。由于GPS探空儀在升空過(guò)程中具有方位不確定性，因此，接收天線(xiàn)必須帶伺服跟蹤機構。采用八木天線(xiàn)目的就是降低伺服跟蹤的復雜度，減少設備量。

　　實(shí)際應用中，由于接收天線(xiàn)較輕、波束寬度較寬，因此，選用了云臺作為伺服跟蹤機構。云臺解碼器控制室外云臺旋轉，與計算機之間的通訊采用RS-485電平，支持長(cháng)線(xiàn)傳輸，采用PELCO-D協(xié)議。圖2為室外云臺的控制過(guò)程示意圖。

　　發(fā)射、接收模塊

　　在發(fā)射、接收模塊設計中，采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片進(jìn)行數據傳輸是一個(gè)很好的選擇，具有成本小、集成度高、易實(shí)現等特點(diǎn)。從工作頻率和接收靈敏度等方面考慮，本設計采用Chipcon公司的CC1020芯片，調制方式為GFSK。CC1020是一種理想的單片可編程RF收發(fā)芯片，專(zhuān)用于低功率和低電壓類(lèi)無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品，特別應用于窄帶系統，通過(guò)編程使其工作在300~1000MHz。它集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、GFSK調制解調、可編程控制等多種功能，主要工作參數能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變。