GPS探空儀通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

在眾多的高空探測(cè)手段中，GPS探空儀作為一種新型的探測(cè)手段，具有全球覆蓋、費(fèi)用低廉、探測(cè)精度高、垂直分辨率高等特點(diǎn)，越來越被氣象、水利、民航等業(yè)務(wù)部門廣泛地應(yīng)用，具有巨大的市場(chǎng)需求。因此，開發(fā)GPS探空儀具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

GPS探空儀的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是將GPS探空儀實(shí)時(shí)探測(cè)的溫度、濕度、壓力和GPS定位數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼和數(shù)字調(diào)制，經(jīng)功率放大器放大為數(shù)字射頻信號(hào)后從空中傳回接收機(jī)，接收機(jī)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼處理后再傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本通信系統(tǒng)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)射天線組成，接收部分由接收天線、室外云臺(tái)、電纜保護(hù)器、低噪聲放大器、30米饋線和接收模塊組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

天線設(shè)計(jì)

天線是通信系統(tǒng)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)射天線采用1/4λ柔軟電纜制成的全向天線，接收電平波動(dòng)較小，其增益約為-3 dBi，長(zhǎng)度約為17.7cm(使用前必須嚴(yán)格測(cè)試其駐波比，根據(jù)駐波情況適當(dāng)增減長(zhǎng)度)。經(jīng)過GPS探空儀多次放飛試驗(yàn)證明，采用1/4λ柔軟電纜制成的發(fā)射天線，既能收到很好的接收效果，又能節(jié)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(dá)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(jī)構(gòu)。采用八木天線目的就是降低伺服跟蹤的復(fù)雜度，減少設(shè)備量。

實(shí)際應(yīng)用中，由于接收天線較輕、波束寬度較寬，因此，選用了云臺(tái)作為伺服跟蹤機(jī)構(gòu)。云臺(tái)解碼器控制室外云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，與計(jì)算機(jī)之間的通訊采用RS-485電平，支持長(zhǎng)線傳輸，采用PELCO-D協(xié)議。圖2為室外云臺(tái)的控制過程示意圖。

發(fā)射、接收模塊

在發(fā)射、接收模塊設(shè)計(jì)中，采用無線收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)很好的選擇，具有成本小、集成度高、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。從工作頻率和接收靈敏度等方面考慮，本設(shè)計(jì)采用Chipcon公司的CC1020芯片，調(diào)制方式為GFSK。CC1020是一種理想的單片可編程RF收發(fā)芯片，專用于低功率和低電壓類無線電產(chǎn)品，特別應(yīng)用于窄帶系統(tǒng)，通過編程使其工作在300~1000MHz。它集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、GFSK調(diào)制解調(diào)、可編程控制等多種功能，主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變。

在發(fā)射模式下，合成的RF信號(hào)直接饋送到功率放大器PA，射頻輸出的GFSK信號(hào)是由饋送到DIO引腳的基帶信號(hào)通過GFSK調(diào)制產(chǎn)生的。發(fā)射模塊要得到200mW的輸出功率，必須使用小功率放大器驅(qū)動(dòng)輸出�？紤]到設(shè)計(jì)及調(diào)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(dòng)態(tài)通用放大器，采用InGaP/GaAS HBT技術(shù)，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(fā)射模式配置軟件和數(shù)據(jù)幀編碼軟件，發(fā)射模式配置軟件是單片機(jī)通過對(duì)CC1020寄存器進(jìn)行配置來完成的，數(shù)據(jù)幀編碼軟件是將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加上同步頭和結(jié)束符組裝成幀后送入發(fā)射機(jī)變成射頻數(shù)據(jù)發(fā)射出去。同步頭因數(shù)據(jù)格式為異步UART模式，應(yīng)選用AAAA33CC這樣非連0或連1的字節(jié)，以便接收穩(wěn)定的直流電平。單片機(jī)選用Atmel公司的ATmega8L，其芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具有高性能、低價(jià)格特點(diǎn)，可以使用C語言進(jìn)行編程開發(fā)。發(fā)射模塊的框圖見圖3。