GPS探空儀通信系統的設計與實現

　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，越來越被氣象、水利、民航等業務部門廣泛地應用，具有巨大的市場需求。因此，開發GPS探空儀具有良好的經濟效益和社會效益。

　　GPS探空儀的通信系統設計就是將GPS探空儀實時探測的溫度、濕度、壓力和GPS定位數據經過編碼和數字調制，經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行解調和解碼處理后再傳送至計算機進行數據處理。

　　通信系統的設計與實現

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

　　天線設計

　　天線是通信系統的重要組成部分。在高空中，由于風速較大和風向不確定，發射天線采用1/4λ柔軟電纜制成的全向天線，接收電平波動較小，其增益約為-3 dBi，長度約為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度)。經過GPS探空儀多次放飛試驗證明，采用1/4λ柔軟電纜制成的發射天線，既能收到很好的接收效果，又能節約大量的成本。

　　接收天線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。由于GPS探空儀在升空過程中具有方位不確定性，因此，接收天線必須帶伺服跟蹤機構。采用八木天線目的就是降低伺服跟蹤的復雜度，減少設備量。

　　實際應用中，由于接收天線較輕、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，支持長線傳輸，采用PELCO-D協議。圖2為室外云臺的控制過程示意圖。

　　發射、接收模塊

　　在發射、接收模塊設計中，采用無線收發芯片進行數據傳輸是一個很好的選擇，具有成本小、集成度高、易實現等特點。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收發芯片，專用于低功率和低電壓類無線電產品，特別應用于窄帶系統，通過編程使其工作在300~1000MHz。它集成了射頻發射、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串行總線接口編程改變。

　在發射模式下，合成的RF信號直接饋送到功率放大器PA，射頻輸出的GFSK信號是由饋送到DIO引腳的基帶信號通過GFSK調制產生的。發射模塊要得到200mW的輸出功率，必須使用小功率放大器驅動輸出。考慮到設計及調試的方便性，采用WJ公司的集成單片放大器ECG003。ECG003是一種高動態通用放大器，采用InGaP/GaAS HBT技術，ECG003的P1dB為24dBm，Gain為20dB，CC1020輸出僅需要3dBm就可以了。軟件分為CC1020發射模式配置軟件和數據幀編碼軟件，發射模式配置軟件是單片機通過對CC1020寄存器進行配置來完成的，數據幀編碼軟件是將傳輸的數據加上同步頭和結束符組裝成幀后送入發射機變成射頻數據發射出去。同步頭因數據格式為異步UART模式，應選用AAAA33CC這樣非連0或連1的字節，以便接收穩定的直流電平。單片機選用Atmel公司的ATmega8L，其芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具有高性能、低價格特點，可以使用C語言進行編程開發。發射模塊的框圖見圖3。

　　在接收模式下，CC1020可看成是一個傳統的超外差接收機。RF輸入信號經低噪聲放大器(LNA和LNA2)放大后，翻轉經過積分器(I和Q)產生中頻IF信號。在中頻處理階段，I/Q信號經混合濾波、放大后經A/D轉化成數字信號，然后進行自動獲取控制、信道濾波、解調和二進制同步化處理，在DIO引腳輸出解調數據。接收模塊通過單片機對CC1020寄存器進行配置來完成接收模式。CC1020被設置為自動功率上升序列狀態，將被一個喚起信號自動進行功率信號處理、檢測載波信號，單片機設置CC1020進入接收模式，內置的位同步器將同步時鐘與引入數據同步，并進行數據解碼，經過數據濾波、位同步器和數據解碼等處理后輸出有效數據。單片機對數據進行去除同步頭和結束符處理后，將數據通過串口傳送入計算機。將中頻濾波器帶寬設置為50kHz，查表得GFSK解調在誤碼率為10-2時信噪比要求為9 dB，根據計算，噪聲系數為1.6 dB，接收靈敏度按下式計算：

　　Smin =-114+NF+10lgB+S/N (1)

　　經計算，接收靈敏度為-116 dBm，符合總體設計要求。

　　單片機還可以對接收信號強度指示器(RSSI)寄存器數據進行讀取，折算成接收電平送入數碼管進行顯示，可以直觀反映當前的接收電平。接收模塊的框圖見圖4。

饋線和低噪聲放大器的選擇

　　接收天線與接收機之間使用30米的SYV-50-5饋線，衰減約為10 dB。

　　低噪聲放大器的增益為20 dB, 噪聲系數為1.0 dB。考慮到低噪放安放在饋線的后級會影響接收機的靈敏度，因此，需要將低噪放安裝在饋線的前級。

　　為了避免雷擊的危險，保障人員和設備的安全，我們在天線與饋線之間串聯了同軸電纜保護器，其插入損耗為0.3 dB。

　　關鍵指標的設計與計算

　　傳輸距離

　　接收通道總增益為20dB，發射天線增益Gt=-3 dBi，發射功率為Pt=200mW=23dBm，無線電波在空間傳輸，其自由空間損耗按下式計算：

　　Ls=32.45+20logf(MHz)+20logD(km) (2)

　　無線電波從發射模塊發射出去，經過天線輻射，通過空中傳播，信號受到衰減，到達接收機時，接收場強電平將按下式計算：

　　Pr=Pt+Gt+Gr-Ls (3)

　　按總體指標要求，最大傳輸距離為200km時，自由空間損耗為Ls=130.6dB，則到達接收機的接收電平為-90 dBm。接收靈敏度為-115dBm，技術衰落儲備為25dB。技術衰落儲備越多，抗干擾能力越強，誤碼越少。

　　假設GPS探空儀離接收天線的最近距離為20m，自由空間損耗為Ls=50.6dB ，到達接收機的接收電平為-10dBm，接收機的飽和接收電平為10dBm，能夠滿足接收系統的近距離傳輸要求。

　　視距

　　無線電波的傳輸距離不僅僅取決于功率，既要求接收機有一定的技術衰落儲備，還受發射和接收天線高度的影響，即視距的影響。

　　由于受地球曲率的影響，兩個點(天線高度分別為Hm和hm)之間最大可視距離(視距)D(km)可按下式計算：

　上式已考慮大氣處于標準折射狀態，等效地球半徑為8493km。

　　本系統中，由于接收部分的天線架設在地面，發射部分的天線隨GPS探空儀在空中，假設接收天線架設高度為h=4m，因此，要使本系統的視距D達到200km，則GPS探空儀最低高度必須不低于2167m。

　　結語

　　本文論述的GPS探空儀的通信系統原理樣機已經通過測試和試驗驗證，各項技術指標均符合設計要求。經過GPS探空儀多次放飛和比對試驗，數據傳輸有效率達98%以上，最大傳輸距離大于200km，完全能夠符合GPS探空儀的通信要求。

　　為提高通信系統的可靠性，可以考慮采用適當的糾錯編碼技術來減少誤碼，這將在下一步的改進設計中體現。