基于北斗三代多模式导航信号分析仪设计研究

摘要：

本文详细阐述了基于北斗三代多模式导航卫星信号质量分析仪的设计。它利用下变频模块将天线接收的卫星数据下变频到中频，然后通过模数转换模块转化成数字电路，再传入数据处理模块进行数据处理，得到卫星信号质量的各项分析数据。

关键词：

北斗三代;下变频;数模转换;信号处理

中图分类号：

TN96.1

文献标识码：

A

文章编号：

1672-9129（2020）15-0043-01

1概述

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施，2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式宣布建成投入使用。

目前，北斗導航系统主要应用于军工市场、行业市场和大众消费市场这三大领域。随着技术水平的成熟及社会对卫星导航认知度的提升，卫星导航定位应用的范围持续拓宽，与其他产业的融合度不断增强。基于北斗三号卫星数据且兼容其他卫星系统的多模式导航卫星信号质量分析的技术研究也日趋紧迫。该技术主要为测绘测量、地理信息系统应用、位移监测、移动测绘、机械控制等领域的用户提供服务。

2硬件设计

卫星信号质量分析仪主要由下变频模块、模数转换模块、数据处理模块以及电源模块等单元组成。其中，下变频模块外接GNSS接收天线，将天线辐射进来的空间无线电信号经过滤波、下变频处理之后输出指定频段的中频信号，然后通过射频输出端口接入模数转换模块;转换模块实时的将中频信号进行采集、计算、预处理，并将预处理结果上报数据处理模块进行进一步数据处理;数据处理模块对数据进行进一步计算处理，并通过LAN口将数据处理结果输出上报上位机进行处理及图形化展示。

2.1下变频模块。该模块主要功能是实现频段内空间信号的接收、放大及变频滤波功能，最终在指定的中频频率输出指定带宽的信号。模块内置本振频率源，可自行产生所需的本振信号，并可对外提供AD采样时钟和参考时钟信号。模块主要功能特点为：将工作频带内信号下变频到中频频率并可实现常规、低噪声、低失真等模式，适用于多种工作场景，满足用户对不同指标的侧重。下变频模块包括射频增益控制、预选滤波、二次变频及中频信号调理等功能单元。射频信号进入射频接收模块后，首先通过射频增益控制部分进行增益控制，以确定射频接收模块的增益、线性度和噪声性能。前端增益控制电路采用多级开关放大级联实现低噪声模式以及两种辅助增益模式。射频输入信号经增益控制电路调理后进入预选滤波电路。预选滤波器电路通过开关切换不同的滤波器选择不同的通带，抑制带外信号，从而实现对镜像频率以及带外信号的抑制，实现镜频信号的抑制以及防止中频输出受带外信号影响而产生假响应。预选滤波器后信号根据频率不同，经过相应的放大器放大、混频及滤波后得到一中频信号。一中频频率再经过一次混频后得到二中频信号。二中频信号经过滤波放大以及增益控制后输出相应幅度的中频输出信号。

2.2模数转换模块。模数转换模块主要作用是实现空间无线电信号的采集及处理。该模块采用高速四通道数据采集卡。片上集成了以AD9680为核心的四通道AD子卡。AD9680拥有双通道、14位、1GSPS模数转换器（ADC），可用于高达2GHz的宽带模拟信号采样。该模块集成了以2片XC7VX690TFPGA为核心的信号处理中心作为实时处理器，实现FMC接口数据的采集、处理、以及PCIExpress总线接口的转换。为了提高信号质量，模块板载温补晶振，频率精度可达0.2ppm。

在该模块中，FPGA控制时钟芯片产生SYSREF信号，发送到各个AD芯片，控制多片AD芯片同步。在其内部，AD芯片接收微波组件发送的模拟信号，完成模数转换，并在芯片内部完成可配置数字下变频后通过JESD204B传输到FPGA，在FPGA内部完成数据处理。

2.3数据处理模块。信号处理单元为该主机的核心处理单元，实时完成数据计算、处理工作，并协调各子模块协同工作。同时，该单元可实时监测整个主机各模块的运行状态并将设备的运行情况上报上位机。

3数据分析

3.1GNSS数据流解析。原始GNSS数据流是指以特定电文格式编码得到的二进制数据流，用以在分析仪实时测量及网络RTK等实时动态高精度定位场合中传输实时观测数据或差分改正数据，不同的应用场合对电文格式的要求不尽相同，因此GNSS模块将给出各种不同的电文格式。但是无论哪种应用情况都需要对原始GNSS数据流进行正确解码以得到完整可靠的观测数据。

3.2GNSS电文解码。GNSS电文解码采用MSM电文解码方法，MSM电文的框架以及消息号和数据字段的定义规则使用RTCM3.1的标准，它对GNSS观测数据进行了统一组织，但是其他电文如参考站近似坐标（1005、1006），天线描述信息（1007、1008），接收机和天线描述信息（1013），导航电文（1019、1020）等信息还是沿用RTCM3.1定义的电文。MSM1-7号电文有同样的消息头结构和内容，用来传输消息类型、历元时间、卫星信号位图表等内容，因此对消息头的正确解析是后续卫星数据块和信号数据块解析的关键。

4结语

基于北斗三代多模式导航信号分析仪可应用于军民用机场、阵地部队、国家电网、场面监控、野外探测等对卫星导航精度、卫星授时精度要求较高的领域和场所。对相关产业具有积极的促进作用。

参考文献：

[1]夏林元.北斗在高精度定位领域中的应用[M].电子工业出版社，2016.

[2]魏浩翰等.北斗卫星导航系统原理与应用[M].黄山书社出版，2020.

[3]王建中，张光山，付存文.基于软件无线电的ILS通信导航信号分析[J].信息与电脑，2019，（13）：167-168，171.

作者简介：吕青懋（1982-），男，汉族，四川巴中，硕士，工程师，现单位四川九强通信科技有限公司，研究方向：远距离无线通信抗干扰，小型无人机信号检测与反制等。