基于北斗三代多模式導航信號分析儀設計研究

摘要：

本文詳細闡述了基于北斗三代多模式導航衛星信號質量分析儀的設計。它利用下變頻模塊將天線接收的衛星數據下變頻到中頻，然后通過模數轉換模塊轉化成數字電路，再傳入數據處理模塊進行數據處理，得到衛星信號質量的各項分析數據。

關鍵詞：

北斗三代;下變頻;數模轉換;信號處理

中圖分類號：

TN96.1

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0043-01

1概述

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

目前，北斗導航系統主要應用于軍工市場、行業市場和大眾消費市場這三大領域。隨著技術水平的成熟及社會對衛星導航認知度的提升，衛星導航定位應用的范圍持續拓寬，與其他產業的融合度不斷增強。基于北斗三號衛星數據且兼容其他衛星系統的多模式導航衛星信號質量分析的技術研究也日趨緊迫。該技術主要為測繪測量、地理信息系統應用、位移監測、移動測繪、機械控制等領域的用戶提供服務。

2硬件設計

衛星信號質量分析儀主要由下變頻模塊、模數轉換模塊、數據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，將天線輻射進來的空間無線電信號經過濾波、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轉換模塊;轉換模塊實時的將中頻信號進行采集、計算、預處理，并將預處理結果上報數據處理模塊進行進一步數據處理;數據處理模塊對數據進行進一步計算處理，并通過LAN口將數據處理結果輸出上報上位機進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頻段內空間信號的接收、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。模塊內置本振頻率源，可自行產生所需的本振信號，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：將工作頻帶內信號下變頻到中頻頻率并可實現常規、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的側重。下變頻模塊包括射頻增益控制、預選濾波、二次變頻及中頻信號調理等功能單元。射頻信號進入射頻接收模塊后，首先通過射頻增益控制部分進行增益控制，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放大級聯實現低噪聲模式以及兩種輔助增益模式。射頻輸入信號經增益控制電路調理后進入預選濾波電路。預選濾波器電路通過開關切換不同的濾波器選擇不同的通帶，抑制帶外信號，從而實現對鏡像頻率以及帶外信號的抑制，實現鏡頻信號的抑制以及防止中頻輸出受帶外信號影響而產生假響應。預選濾波器后信號根據頻率不同，經過相應的放大器放大、混頻及濾波后得到一中頻信號。一中頻頻率再經過一次混頻后得到二中頻信號。二中頻信號經過濾波放大以及增益控制后輸出相應幅度的中頻輸出信號。

2.2模數轉換模塊。模數轉換模塊主要作用是實現空間無線電信號的采集及處理。該模塊采用高速四通道數據采集卡。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模數轉換器（ADC），可用于高達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FMC接口數據的采集、處理、以及PCIExpress總線接口的轉換。為了提高信號質量，模塊板載溫補晶振，頻率精度可達0.2ppm。

在該模塊中，FPGA控制時鐘芯片產生SYSREF信號，發送到各個AD芯片，控制多片AD芯片同步。在其內部，AD芯片接收微波組件發送的模擬信號，完成模數轉換，并在芯片內部完成可配置數字下變頻后通過JESD204B傳輸到FPGA，在FPGA內部完成數據處理。

2.3數據處理模塊。信號處理單元為該主機的核心處理單元，實時完成數據計算、處理工作，并協調各子模塊協同工作。同時，該單元可實時監測整個主機各模塊的運行狀態并將設備的運行情況上報上位機。

3數據分析

3.1GNSS數據流解析。原始GNSS數據流是指以特定電文格式編碼得到的二進制數據流，用以在分析儀實時測量及網絡RTK等實時動態高精度定位場合中傳輸實時觀測數據或差分改正數據，不同的應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。但是無論哪種應用情況都需要對原始GNSS數據流進行正確解碼以得到完整可靠的觀測數據。

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據字段的定義規則使用RTCM3.1的標準，它對GNSS觀測數據進行了統一組織，但是其他電文如參考站近似坐標（1005、1006），天線描述信息（1007、1008），接收機和天線描述信息（1013），導航電文（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構和內容，用來傳輸消息類型、歷元時間、衛星信號位圖表等內容，因此對消息頭的正確解析是后續衛星數據塊和信號數據塊解析的關鍵。

4結語

基于北斗三代多模式導航信號分析儀可應用于軍民用機場、陣地部隊、國家電網、場面監控、野外探測等對衛星導航精度、衛星授時精度要求較高的領域和場所。對相關產業具有積極的促進作用。

參考文獻：

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[2]魏浩翰等.北斗衛星導航系統原理與應用[M].黃山書社出版，2020.

[3]王建中，張光山，付存文.基于軟件無線電的ILS通信導航信號分析[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，現單位四川九強通信科技有限公司，研究方向：遠距離無線通信抗干擾，小型無人機信號檢測與反制等。