衛星導航信號多通道隔離轉換測量顯示系統的設計實(shí)現

0   引言

全球定位系統（GPS）是以導航衛星為基礎進(jìn)行高精度無(wú)線(xiàn)電測時(shí)和測距的定位系統，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(shí)間信息^[1-2]。本文基于BD/GPS 衛星導航信號設計并實(shí)現了一種衛星信號多通道隔離轉換測量顯示系統。該系統使用BD/GPS 偽衛星信號發(fā)生器提供單一穩定的信號源，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據[3]，并通過(guò)板卡集成的PCI 總線(xiàn)送至電腦上位機，上位機通過(guò)開(kāi)發(fā)程序的方式完成BD/GPS 衛星信號由不可見(jiàn)至視覺(jué)的轉變。

1   系統概述

系統工作時(shí)，先由1 個(gè)BD/GPS 偽衛星信號發(fā)生器給系統提供單一路穩定的BD/GPS 衛星信號，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 衛星信號無(wú)損轉換為相互獨立且相等的四路BD/GPS 衛星信號并輸出到衛星信號接收解析模塊；衛星信號解析模塊從輸入的四路BD/GPS 信號中提取出衛星號、通道號以及輸入信號強度等信息，通過(guò)PCI 總線(xiàn)上傳至PC 上位機進(jìn)行顯示[3]。PC 端采用C/C++ 語(yǔ)言編寫(xiě)顯示軟件，將解析出的信息采用柱狀圖的形式直觀(guān)顯示在PC 界面上。

2   系統硬件設計與實(shí)現

本系統的實(shí)現主要依靠BD/GPS 偽衛星信號發(fā)生器、射頻功率分配模塊、衛星信號接收解析模塊和PC端上位機顯示模塊。

2.1 BD/GPS偽衛星信號發(fā)生器

為保證信號的穩定性及結果的準確性，系統采用BD/GPS 偽衛星信號發(fā)生器作為衛星信號。偽衛星信號發(fā)生器可以在多種環(huán)境（包括室內環(huán)境）下模擬導航衛星的各種參數，且可以實(shí)時(shí)調整信號強度，其標準配置軟件為顯控軟件。顯控軟件實(shí)時(shí)生成對應于用戶(hù)設定載體軌跡的導航電文和觀(guān)測數據（偽距、多普勒等），并將數據發(fā)送給偽衛星信號發(fā)生器，實(shí)現對信號發(fā)生器的控制及操作；同時(shí)以圖形化界面及文本窗口顯示數學(xué)仿真軟件生成觀(guān)測數據和導航電文。

2.2 射頻功率分配模塊

該模塊的外形設計為一個(gè)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(jìn)行固定，并通過(guò)PXI 的J1 接口和機箱連接和固定；功分器固定在底板上，實(shí)現一分四的射頻功率分配；對外接口采用SMA 接頭，通過(guò)前面板和外部連接。功分器采用無(wú)源改進(jìn)型微帶四等分功分器，基于傳統功分器理論，通過(guò)引入λ2 微帶傳輸線(xiàn)，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(lái)自信號功分模塊的4 路衛星信號，經(jīng)內部多模定位模塊UM220 和FPGA 處理后提取出衛星號、通道號以及輸入信號強度等信息，并通過(guò)PXI/PCI 總線(xiàn)上傳至上位機軟件，上位機軟件將這些信息以數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(gè)衛星接收通道，兼容GPS L1、BD2-B1，同時(shí)擴展了NMEA-0183 格式，以便于使用該格式傳輸北斗二代的數據。該協(xié)議可以輸出衛星號、通道號，通過(guò)FPGA 片內程序解析出信號強度、時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、速度等導航指標^[1-2]。

通過(guò)長(cháng)期的測試和驗證，發(fā)現該模塊的精度、穩定性和可靠性都較高。為了提高系統的集成度，有效提高空間資源利用率，板卡設計時(shí)將4 個(gè)相同的UM220NV 多模定位模塊集成在一塊電路板上，組成一個(gè)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場(chǎng)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，從而提高程序的運行效率。信號解析模塊的主要處理功能分為3 個(gè)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據），打包后通過(guò)PCI 總線(xiàn)發(fā)送給上位機顯示單元。第2 部分是和PCI9052 之間局部總線(xiàn)的控制時(shí)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(xiàn)的接口時(shí)序控制，以實(shí)現PCI 擴展總線(xiàn)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(xiàn)連接圖；右上角主要是和4 個(gè)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 數據接口的連接關(guān)系圖。

圖2 信號解析模塊應用電路

2.3.3 總線(xiàn)轉換芯片PCI9052

PCI9052 是PLX 公司開(kāi)發(fā)的服從PCI 協(xié)議的從模式接口芯片，它能夠實(shí)現ISA 總線(xiàn)到PCI 總線(xiàn)的平滑轉換，將較為復雜的PCI 總線(xiàn)轉換為相對簡(jiǎn)單的用戶(hù)本地接口。，符合PCI2.1 規范，完全兼容PXI 總線(xiàn)協(xié)議。它可作為PCI 總線(xiàn)目標設備實(shí)現基本的傳送要求，有5 個(gè)局部地址空間和4 個(gè)局部設備片選信號，局部總線(xiàn)與PCI 總線(xiàn)時(shí)鐘相互獨立運行。通過(guò)配置EEPROM 的內容可以將PCI9052 設定為ISA 接口模式，通過(guò)8 位或16 位內存或I/O映射可直接使PCI 總線(xiàn)與ISA 總線(xiàn)相連，從而將ISA 總線(xiàn)快速轉換到PCI 總線(xiàn)上。

3   系統軟件設計與實(shí)現

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(gè)GPS/ 北斗定位模塊，可根據需要分別發(fā)送控制命令和參數提取命令。在數據協(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)送的數據和接收的數據都按照編址方式進(jìn)行傳輸。FPGA 將導航數據解析后，通過(guò)PCI 總線(xiàn)上傳至電腦上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[3,6]。板卡集成PCI9052 模塊，按照標準的PCI2.1 規范進(jìn)行驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，能夠自動(dòng)檢測硬件，并進(jìn)行端口初始化和數據的讀寫(xiě)（板卡上電，初始化完成后，會(huì )自動(dòng)發(fā)送上行數據）。它具有自保護功能，當驅動(dòng)程序被破壞后，板卡或計算機端不能進(jìn)行正常的數據讀寫(xiě)時(shí)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(yǔ)言編寫(xiě)上位機顯示軟件，該軟件的主要功能是通過(guò)PCI 接口采集信號接收解析模塊上傳的數據，經(jīng)過(guò)處理后將數據以可視化界面形式顯示出來(lái)^[6]。顯示軟件支持同時(shí)采集3 塊信號接收解析模塊的數據，軟件左側12 通道同時(shí)顯示，每個(gè)通道以不同顏色的柱狀圖代表信號強度，同時(shí)在柱狀圖上端以數字形式顯示信號實(shí)時(shí)強度，這樣可以同時(shí)對信號進(jìn)行定性和定量分析；軟件右側對基準通道（通道1）實(shí)際接收到的各個(gè)衛星信號的強度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。。

4   平臺搭建與測試分析

所設計的BD/GPS 衛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(gè)獨立測試系統。實(shí)驗測試方案是采用3U PXI 機箱構建一個(gè)測試系統。該系統包括主控板卡、射頻功率分配模塊、衛星信號接收解析模塊和上位機顯示模塊；衛星導航信號通過(guò)BD/GPS 天線(xiàn)輸入到射頻功率分配模塊后，轉換成多路后輸入到衛星信號接收解析模塊，在主控板卡上采用例程程序對其進(jìn)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(mǎn)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(dòng)時(shí)3塊板均無(wú)干擾，此處無(wú)干擾指每塊板接3 個(gè)通道，其余一個(gè)通道未見(jiàn)干擾信號，見(jiàn)表1。

2）熱插拔（首次啟動(dòng)后）在-65 dBm 下每塊板接3 個(gè)通道，余下的1 個(gè)通道的干擾信號小于5 個(gè)信噪比（在誤差允許范圍內）。見(jiàn)表2。

3）在-58/-65 dBm 時(shí)，啟動(dòng)3 塊測試板，同一測試板的4 個(gè)通道的信號在誤差范圍內保持一致。見(jiàn)表3。

測試數據說(shuō)明，衛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星信號轉換為無(wú)損耗且相互隔離的四路衛星信號, 上位機顯示模塊能夠將解析后的衛星信號實(shí)時(shí)顯示。

5   結束語(yǔ)

本文設計并實(shí)現了一種衛星導航信號多通道隔離轉換測量顯示系統。該系統能將單一路的衛星信號轉換為無(wú)損失且相互隔離的4 路信號，實(shí)現了多路衛星信號的解析和實(shí)時(shí)顯示，能真實(shí)還原實(shí)際導航衛星的狀態(tài)數據，為相關(guān)科研工作提供了有力支撐。

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）