分析GPS探空仪通信系统的设计与实现

　　引言

　　在众多的高空探测手段中，GPS探空仪作为一种新型的探测手段，探空仪是一种测量高空大气温、压、湿、风的消耗性器材。气球携带传感器升空，感应温度、湿度、气压并转换成电信号，发射回地面；地面雷达跟踪气球探空仪上的回答器，确定气球位置，进而求得向风速。全国有约150个探空站，每年消耗15-20万只探空仪，产值约8000万元。将雷达定位改革更新为GPS定位后，可以大幅度提高定位；还可以节省150部雷达及其操作、维护人员。每年经济效益，数以千万元计。国家及世界气象组织已连年征购这种新型探空仪。

　　通信系统的设计与实现

　　本通信系统由发射部分和接收部分组成，工作方式为单工。发射部分由发射模块和发射天线组成，接收部分由接收天线、室外云台、电缆保护器、低噪声放大器、30米馈线和接收模块组成。其系统框图如图1所示。

　　天线设计

　　天线（antenna）是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。经过GPS探空仪多次放飞试验证明，采用1/4λ柔软电缆制成的发射天线，既能收到很好的接收效果，又能节约大量的成本。

　　接收天线采用波束宽度比较宽（水平面波瓣宽度为65o，垂直面波瓣宽度为53o），增益达10dBi的八木定向天线。由于GPS探空仪在升空过程中具有方位不确定性，因此，接收天线必须带伺服跟踪机构。采用八木天线目的就是降低伺服跟踪的复杂度，减少设备量。

　　实际应用中，由于接收天线较轻、波束宽度较宽，因此，选用了云台作为伺服跟踪机构。云台解码器控制室外云台旋转，与计算机之间的通讯采用RS-485电平，支持长线传输，采用PELCO-D协议。图2为室外云台的控制过程示意图。

　　发射、接收模块

　　在发射、接收模块设计中，采用无线收发芯片进行数据传输是一个很好的选择，具有成本小、集成度高、易实现等特点。CC1020是一种理想的单片可编程RF收发芯片，专用于低功率和低电压类无线电产品，特别应用于窄带系统，通过编程使其工作在300~1000MHz。它集成了射频发射、射频接收、PLL合成、GFSK调制解调、可编程控制等多种功能，主要工作参数能通过串行总线接口编程改变。

　　在发射模式下，合成的RF信号直接馈送到功率放大器PA，射频输出的GFSK信号是由馈送到DIO引脚的基带信号通过GFSK调制产生的。发射模块要得到200mW的输出功率，必须使用小功率放大器驱动输出。软件分为CC1020发射模式配置软件和数据帧编码软件，发射模式配置软件是单片机通过对CC1020寄存器进行配置来完成的，数据帧编码软件是将传输的数据加上同步头和结束符组装成帧后送入发射机变成射频数据发射出去。单片机选用Atmel公司的ATmega8L，其芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有高性能、低价格特点，可以使用C语言进行编程开发。发射模块的框图见图3。

　　在接收模式下，CC1020可看成是一个传统的超外差接收机。RF输入信号经低噪声放大器（LNA和LNA2）放大后，翻转经过积分器（I和Q）产生中频IF信号。在中频处理阶段，I/Q信号经混合滤波、放大后经A/D转化成数字信号，然后进行自动获取控制、信道滤波、解调和二进制同步化处理，在DIO引脚输出解调数据。CC1020被设置为自动功率上升序列状态，将被一个唤起信号自动进行功率信号处理、检测载波信号，单片机设置CC1020进入接收模式，内置的位同步器将同步时钟与引入数据同步，并进行数据解码，经过数据滤波、位同步器和数据解码等处理后输出有效数据。将中频滤波器带宽设置为50kHz，查表得GFSK解调在误码率为10-2时信噪比要求为9 dB，根据计算，噪声系数为1.6 dB，接收灵敏度按下式计算：

　　Smin =-114+NF+10lgB+S/N （1）

　　经计算，接收灵敏度为-116 dBm，符合总体设计要求。

　　单片机还可以对接收信号强度指示器（RSSI）寄存器数据进行读取，折算成接收电平送入数码管进行显示，可以直观反映当前的接收电平。接收模块的框图见图4。

　　馈线和低噪声放大器的选择

　　接收天线与接收机之间使用30米的SYV-50-5馈线，衰减约为10 dB。低噪声放大器的增益为20 dB, 噪声系数为1.0 dB。考虑到低噪放安放在馈线的后级会影响接收机的灵敏度，因此，需要将低噪放安装在馈线的前级。

　　为了避免雷击的危险，保障人员和设备的安全，我们在天线与馈线之间串联了同轴电缆保护器，其插入损耗为0.3 dB。

　　关键指标的设计与计算

　　传输距离

　　接收通道总增益为20dB，发射天线增益Gt=-3 dBi，发射功率为Pt=200mW=23dBm，无线电波在空间传输，其自由空间损耗按下式计算：

　　Ls=32.45+20logf（MHz）+20logD（km） （2）

　　无线电波从发射模块发射出去，经过天线辐射，通过空中传播，信号受到衰减，到达接收机时，接收场强电平将按下式计算：

　　Pr=Pt+Gt+Gr-Ls （3）

　　按总体指标要求，传输距离为200km时，自由空间损耗为Ls=130.6dB，则到达接收机的接收电平为-90 dBm。接收灵敏度为-115dBm，技术衰落储备为25dB。技术衰落储备越多，抗干扰能力越强，误码越少。

　　假设GPS探空仪离接收天线的近距离为20m，自由空间损耗为Ls=50.6dB ，到达接收机的接收电平为-10dBm，接收机的饱和接收电平为10dBm，能够满足接收系统的近距离传输要求。

　　视距

　　无线电波的传输距离不仅仅取决于功率，既要求接收机有一定的技术衰落储备，还受发射和接收天线高度的影响，即视距的影响。

　　由于受地球曲率的影响，两个点（天线高度分别为Hm和hm）之间可视距离（视距）D（km）可按下式计算：

　　上式已考虑大气处于标准折射状态，等效地球半径为8493km。

　　本系统中，由于接收部分的天线架设在地面，发射部分的天线随GPS探空仪在空中，假设接收天线架设高度为h=4m，因此，要使本系统的视距D达到200km，则GPS探空仪高度必须不低于2167m。

　　结语

　　随着科技的发展，GPS探空仪越来越广泛。本文论述的GPS探空仪的通信系统原理样机已经通过测试和试验验证，各项技术指标均符合设计要求。经过GPS探空仪多次放飞和比对试验，数据传输有效率达98%以上，传输距离大于200km，完够符合GPS探空仪的通信要求。在我国探空系统中采用GPS技术，使其与国际探空技术同步发展势在必行。通过对GPS气象探空的实现方式的研究，阐述了GPS探空仪的工作原理及其工作流程，并给出系统的结构框图。研究表明采用GPS技术实现气象探空能够提高准确性。