卫星导航信号多通道隔离转换测量显示系统的设计实现

作者：周海力，蒋哲，刘新宁（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）时间：2021-07-23 来源：电子产品世界收藏

编者按：设计并实现了一种BD/GPS卫星导航信号多通道隔离转换测量显示系统。该系统将一路输入的BD/GPS信号通过功分器转换为等量的四路隔离输出信号，经FPGA解析后实时显示在电脑屏幕上，为BD/GPS信号的使用提供直观的数据基础。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202107/427104.htm

0 引言

全球定位系统（GPS）是以导航卫星为基础进行高精度无线电测时和测距的定位系统，在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的坐标以及精确的时间信息^[1-2]。本文基于BD/GPS卫星导航信号设计并实现了一种卫星信号多通道隔离转换测量显示系统。该系统使用BD/GPS伪卫星信号发生器提供单一稳定的信号源，利用功分器将一路输入信号能量分成多路相等的输出信号能量，这些输出信号由自主研发生产的BD/GPS信号解析板卡解析成固定格式的数据[3]，并通过板卡集成的PCI 总线送至电脑上位机，上位机通过开发程序的方式完成BD/GPS 卫星信号由不可见至视觉的转变。

1 系统概述

系统工作时，先由1 个BD/GPS 伪卫星信号发生器给系统提供单一路稳定的BD/GPS 卫星信号，该信号提供给射频功率分配模块。射频功率分配模块将输入的一路BD/GPS 卫星信号无损转换为相互独立且相等的四路BD/GPS 卫星信号并输出到卫星信号接收解析模块；卫星信号解析模块从输入的四路BD/GPS 信号中提取出卫星号、通道号以及输入信号强度等信息，通过PCI 总线上传至PC 上位机进行显示[3]。PC 端采用C/C++ 语言编写显示软件，将解析出的信息采用柱状图的形式直观显示在PC 界面上。

2 系统硬件设计与实现

本系统的实现主要依靠BD/GPS 伪卫星信号发生器、射频功率分配模块、卫星信号接收解析模块和PC端上位机显示模块。

2.1 BD/GPS伪卫星信号发生器

为保证信号的稳定性及结果的准确性，系统采用BD/GPS 伪卫星信号发生器作为卫星信号。伪卫星信号发生器可以在多种环境（包括室内环境）下模拟导航卫星的各种参数，且可以实时调整信号强度，其标准配置软件为显控软件。显控软件实时生成对应于用户设定载体轨迹的导航电文和观测数据（伪距、多普勒等），并将数据发送给伪卫星信号发生器，实现对信号发生器的控制及操作；同时以图形化界面及文本窗口显示数学仿真软件生成观测数据和导航电文。

2.2 射频功率分配模块

该模块的外形设计为一个标准的3U PXI 板卡，该板卡主要包括底板、功分器、对外接口三部分。底板主要是对功分器进行固定，并通过PXI 的J1 接口和机箱连接和固定；功分器固定在底板上，实现一分四的射频功率分配；对外接口采用SMA 接头，通过前面板和外部连接。功分器采用无源改进型微带四等分功分器，基于传统功分器理论，通过引入λ2 微带传输线，增加两输出端口间的距离，从而提高电路布局的灵活性，改善功分器的性能。功分器工作频率为（1 559~1 577）MHz，覆盖GPS L1（1 575.42±1.023）MHz 和BD2 B1（1 559.052~1 591.788）MHz 频段。

2.3 信号接收解析模块

信号接收解析模块接收来自信号功分模块的4 路卫星信号，经内部多模定位模块UM220 和FPGA处理后提取出卫星号、通道号以及输入信号强度等信息，并通过PXI/PCI 总线上传至上位机软件，上位机软件将这些信息以数字柱状图的形式显示在界面上。其基本框架如图1 所示。

图1 信号接收解析模块功能框图

2.3.1 多模定位模块UM220

多模定位模块主要采用的是兼容GPS 和北斗二代定位功能的UM220NV，该模块有多达24 个卫星接收通道，兼容GPS L1、BD2-B1，同时扩展了NMEA-0183 格式，以便于使用该格式传输北斗二代的数据。该协议可以输出卫星号、通道号，通过FPGA片内程序解析出信号强度、时间、经纬度、高度、速度等导航指标^[1-2]。

通过长期的测试和验证，发现该模块的精度、稳定性和可靠性都较高。为了提高系统的集成度，有效提高空间资源利用率，板卡设计时将4 个相同的UM220NV 多模定位模块集成在一块电路板上，组成一个多路信号接收模块。

2.3.2FPGA处理器EP2C5Q208

信号接收解析模块采用现场可编程逻辑阵列（FPGA）作为核心处理器，选用的芯片型号是Altera公司的EP2C5Q208，其具有丰富的I/O 管脚，可以灵活进行I/O 配置，逻辑资源丰富，提供程序并行处理功能，从而提高程序的运行效率。信号解析模块的主要处理功能分为3 个部分，第1 部分是处理4 块多模定位模块上的信息（包括指令和返回的数据），打包后通过PCI 总线发送给上位机显示单元。第2 部分是和PCI9052 之间局部总线的控制时序，以保证PCI 接口能够正常通信。第3 部分是背板及主控PCI 扩展性能总线的接口时序控制，以实现PCI 扩展总线的功能。

详细设计方案如图2 所示。图中左上角主要是PCI地址线连接图；右上角主要是和4 个BD/GPS 模块连接图；左下角主要是PCI 接口的控制接口连接关系；右下角主要是PCI 数据接口的连接关系图。

图2 信号解析模块应用电路

2.3.3 总线转换芯片PCI9052

PCI9052 是PLX 公司开发的服从PCI 协议的从模式接口芯片，它能够实现ISA 总线到PCI 总线的平滑转换，将较为复杂的PCI 总线转换为相对简单的用户本地接口。，符合PCI2.1 规范，完全兼容PXI 总线协议。它可作为PCI 总线目标设备实现基本的传送要求，有5 个局部地址空间和4 个局部设备片选信号，局部总线与PCI 总线时钟相互独立运行。通过配置EEPROM 的内容可以将PCI9052 设定为ISA 接口模式，通过8 位或16 位内存或I/O映射可直接使PCI 总线与ISA 总线相连，从而将ISA 总线快速转换到PCI 总线上。

3 系统软件设计与实现

3.1 信号接收解析模块软件

信号接收解析模块能够控制4 个GPS/ 北斗定位模块，可根据需要分别发送控制命令和参数提取命令。在数据协议方面，主要采用分层编址协议，分为板卡地址（PCI 地址）、模块地址两层，发送的数据和接收的数据都按照编址方式进行传输。FPGA 将导航数据解析后，通过PCI 总线上传至电脑上位机进行实时显示[3,6]。板卡集成PCI9052 模块，按照标准的PCI2.1 规范进行驱动程序的开发，能够自动检测硬件，并进行端口初始化和数据的读写（板卡上电，初始化完成后，会自动发送上行数据）。它具有自保护功能，当驱动程序被破坏后，板卡或计算机端不能进行正常的数据读写时能够报警，并自行重新加载程序并恢复^[6]。图3 展示了信号接收解析模块FPGA 的软件处理流程。

部分源代码如下：

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 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 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 process;

3.2 上位机显示模块

采用C/C++ 语言编写上位机显示软件，该软件的主要功能是通过PCI 接口采集信号接收解析模块上传的数据，经过处理后将数据以可视化界面形式显示出来^[6]。显示软件支持同时采集3 块信号接收解析模块的数据，软件左侧12 通道同时显示，每个通道以不同颜色的柱状图代表信号强度，同时在柱状图上端以数字形式显示信号实时强度，这样可以同时对信号进行定性和定量分析；软件右侧对基准通道（通道1）实际接收到的各个卫星信号的强度进行实时显示。。

4 平台搭建与测试分析

所设计的BD/GPS 卫星导航信号解析模块可以作为单板插入到PXI 机箱或CPCI 机箱中，也可以多板卡构成一个独立测试系统。实验测试方案是采用3U PXI 机箱构建一个测试系统。该系统包括主控板卡、射频功率分配模块、卫星信号接收解析模块和上位机显示模块；卫星导航信号通过BD/GPS 天线输入到射频功率分配模块后，转换成多路后输入到卫星信号接收解析模块，在主控板卡上采用例程程序对其进行测试[7]。测试机箱原理如图4 所示。

为了验证产品的功能是否满足要求，用3 块解析卡做了如下测试。

1）1 号板和3 号板在-65 dBm，且首次启动时3块板均无干扰，此处无干扰指每块板接3 个通道，其余一个通道未见干扰信号，见表1。