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。