基于北斗三代多模式導(dǎo)航信號分析儀設(shè)計研究

摘要：

本文詳細(xì)闡述了基于北斗三代多模式導(dǎo)航衛(wèi)星信號質(zhì)量分析儀的設(shè)計。它利用下變頻模塊將天線接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)下變頻到中頻，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字電路，再傳入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到衛(wèi)星信號質(zhì)量的各項分析數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：

北斗三代;下變頻;數(shù)模轉(zhuǎn)換;信號處理

中圖分類號：

TN96.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0043-01

1概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在實施的自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式宣布建成投入使用。

目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍工市場、行業(yè)市場和大眾消費市場這三大領(lǐng)域。隨著技術(shù)水平的成熟及社會對衛(wèi)星導(dǎo)航認(rèn)知度的提升，衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用的范圍持續(xù)拓寬，與其他產(chǎn)業(yè)的融合度不斷增強?；诒倍啡栃l(wèi)星數(shù)據(jù)且兼容其他衛(wèi)星系統(tǒng)的多模式導(dǎo)航衛(wèi)星信號質(zhì)量分析的技術(shù)研究也日趨緊迫。該技術(shù)主要為測繪測量、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、位移監(jiān)測、移動測繪、機械控制等領(lǐng)域的用戶提供服務(wù)。

2硬件設(shè)計

衛(wèi)星信號質(zhì)量分析儀主要由下變頻模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及電源模塊等單元組成。其中，下變頻模塊外接GNSS接收天線，將天線輻射進(jìn)來的空間無線電信號經(jīng)過濾波、下變頻處理之后輸出指定頻段的中頻信號，然后通過射頻輸出端口接入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊;轉(zhuǎn)換模塊實時的將中頻信號進(jìn)行采集、計算、預(yù)處理，并將預(yù)處理結(jié)果上報數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理;數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計算處理，并通過LAN口將數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出上報上位機進(jìn)行處理及圖形化展示。

2.1下變頻模塊。該模塊主要功能是實現(xiàn)頻段內(nèi)空間信號的接收、放大及變頻濾波功能，最終在指定的中頻頻率輸出指定帶寬的信號。模塊內(nèi)置本振頻率源，可自行產(chǎn)生所需的本振信號，并可對外提供AD采樣時鐘和參考時鐘信號。模塊主要功能特點為：將工作頻帶內(nèi)信號下變頻到中頻頻率并可實現(xiàn)常規(guī)、低噪聲、低失真等模式，適用于多種工作場景，滿足用戶對不同指標(biāo)的側(cè)重。下變頻模塊包括射頻增益控制、預(yù)選濾波、二次變頻及中頻信號調(diào)理等功能單元。射頻信號進(jìn)入射頻接收模塊后，首先通過射頻增益控制部分進(jìn)行增益控制，以確定射頻接收模塊的增益、線性度和噪聲性能。前端增益控制電路采用多級開關(guān)放大級聯(lián)實現(xiàn)低噪聲模式以及兩種輔助增益模式。射頻輸入信號經(jīng)增益控制電路調(diào)理后進(jìn)入預(yù)選濾波電路。預(yù)選濾波器電路通過開關(guān)切換不同的濾波器選擇不同的通帶，抑制帶外信號，從而實現(xiàn)對鏡像頻率以及帶外信號的抑制，實現(xiàn)鏡頻信號的抑制以及防止中頻輸出受帶外信號影響而產(chǎn)生假響應(yīng)。預(yù)選濾波器后信號根據(jù)頻率不同，經(jīng)過相應(yīng)的放大器放大、混頻及濾波后得到一中頻信號。一中頻頻率再經(jīng)過一次混頻后得到二中頻信號。二中頻信號經(jīng)過濾波放大以及增益控制后輸出相應(yīng)幅度的中頻輸出信號。

2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊主要作用是實現(xiàn)空間無線電信號的采集及處理。該模塊采用高速四通道數(shù)據(jù)采集卡。片上集成了以AD9680為核心的四通道AD子卡。AD9680擁有雙通道、14位、1GSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可用于高達(dá)2GHz的寬帶模擬信號采樣。該模塊集成了以2片XC7VX690TFPGA為核心的信號處理中心作為實時處理器，實現(xiàn)FMC接口數(shù)據(jù)的采集、處理、以及PCIExpress總線接口的轉(zhuǎn)換。為了提高信號質(zhì)量，模塊板載溫補晶振，頻率精度可達(dá)0.2ppm。

在該模塊中，F(xiàn)PGA控制時鐘芯片產(chǎn)生SYSREF信號，發(fā)送到各個AD芯片，控制多片AD芯片同步。在其內(nèi)部，AD芯片接收微波組件發(fā)送的模擬信號，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在芯片內(nèi)部完成可配置數(shù)字下變頻后通過JESD204B傳輸?shù)紽PGA，在FPGA內(nèi)部完成數(shù)據(jù)處理。

2.3數(shù)據(jù)處理模塊。信號處理單元為該主機的核心處理單元，實時完成數(shù)據(jù)計算、處理工作，并協(xié)調(diào)各子模塊協(xié)同工作。同時，該單元可實時監(jiān)測整個主機各模塊的運行狀態(tài)并將設(shè)備的運行情況上報上位機。

3數(shù)據(jù)分析

3.1GNSS數(shù)據(jù)流解析。原始GNSS數(shù)據(jù)流是指以特定電文格式編碼得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，用以在分析儀實時測量及網(wǎng)絡(luò)RTK等實時動態(tài)高精度定位場合中傳輸實時觀測數(shù)據(jù)或差分改正數(shù)據(jù)，不同的應(yīng)用場合對電文格式的要求不盡相同，因此GNSS模塊將給出各種不同的電文格式。但是無論哪種應(yīng)用情況都需要對原始GNSS數(shù)據(jù)流進(jìn)行正確解碼以得到完整可靠的觀測數(shù)據(jù)。

3.2GNSS電文解碼。GNSS電文解碼采用MSM電文解碼方法，MSM電文的框架以及消息號和數(shù)據(jù)字段的定義規(guī)則使用RTCM3.1的標(biāo)準(zhǔn)，它對GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一組織，但是其他電文如參考站近似坐標(biāo)（1005、1006），天線描述信息（1007、1008），接收機和天線描述信息（1013），導(dǎo)航電文（1019、1020）等信息還是沿用RTCM3.1定義的電文。MSM1-7號電文有同樣的消息頭結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，用來傳輸消息類型、歷元時間、衛(wèi)星信號位圖表等內(nèi)容，因此對消息頭的正確解析是后續(xù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)塊和信號數(shù)據(jù)塊解析的關(guān)鍵。

4結(jié)語

基于北斗三代多模式導(dǎo)航信號分析儀可應(yīng)用于軍民用機場、陣地部隊、國家電網(wǎng)、場面監(jiān)控、野外探測等對衛(wèi)星導(dǎo)航精度、衛(wèi)星授時精度要求較高的領(lǐng)域和場所。對相關(guān)產(chǎn)業(yè)具有積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王建中，張光山，付存文.基于軟件無線電的ILS通信導(dǎo)航信號分析[J].信息與電腦，2019，（13）：167-168，171.

作者簡介：呂青懋（1982-），男，漢族，四川巴中，碩士，工程師，現(xiàn)單位四川九強通信科技有限公司，研究方向：遠(yuǎn)距離無線通信抗干擾，小型無人機信號檢測與反制等。