一種GPS定位替代系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文在分析目前使用的GPS定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了一種替代系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)接收不同城市廣播電臺(tái)的發(fā)出的報(bào)時(shí)信號(hào)，算出這些地方距離定位設(shè)備所在地的距離，進(jìn)而確定本地的確切地理位置，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵字：GPS; FPGA

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)作為一門新興的信息通訊技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)船艦的導(dǎo)航、高精度測(cè)量、農(nóng)業(yè)監(jiān)控、車輛定位等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要是美國(guó)的GPS和俄羅斯的GLONASS等系統(tǒng)；歐洲擬建的伽利略系統(tǒng)將是世界上第一個(gè)完全向民用開放的全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)；中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由2000年、2003年發(fā)射的3顆北斗衛(wèi)星組成，作為一個(gè)區(qū)域性的定位系統(tǒng),僅能滿足當(dāng)前陸、海、空運(yùn)輸導(dǎo)航定位的需求，在覆蓋范圍及用戶數(shù)量等方面受到一定的限制。目前,我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備的設(shè)計(jì)基本是以美國(guó)進(jìn)口的GPS接收機(jī)為基礎(chǔ)，公安部門使用的車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由于僅局限于在車上使用而缺乏一定的靈活性；因此,研制新型的便攜式集群手持衛(wèi)星定位設(shè)備取代現(xiàn)有的車載定位設(shè)備成為定位系統(tǒng)發(fā)展的必然。；

2 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)

最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國(guó)的子午儀系統(tǒng)，1964年正式投入使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較小(5-6顆)，運(yùn)行高度較低(平均1000KM)。為滿足軍事部門和民用部門對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的要求。1973年美國(guó)國(guó)防部制定了GPS計(jì)劃。GPS實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段：第一階段從1973年到1979年，發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)；第二階段從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)；第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段，從1989年2月4日到1993年底 GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座建成。整個(gè)GPS系統(tǒng)由三部分組成：

（1）GPS衛(wèi)星星座

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。對(duì)于地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見(jiàn)4顆，最多可見(jiàn)11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)，為了計(jì)算觀測(cè)站的三維坐標(biāo)，必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。

（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)

GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，星的位置是依據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)計(jì)算。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。地面監(jiān)控系統(tǒng)一個(gè)重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間求出鐘差，然后由地面站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再經(jīng)由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。

（3）GPS信號(hào)接收機(jī)

GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置、速度和時(shí)間。

3 GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據(jù)運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，利用空間距離確定待測(cè)地點(diǎn)的位置。如圖1所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)地點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：

圖1 定位系統(tǒng)原理圖

假設(shè)其中(x1，y1，z1)代表北京的具體位置坐標(biāo)，(x2，y2，z2)代表上海的位置坐標(biāo)；(x3，y3，z3)代表武漢的位置坐標(biāo)，(x, y, z)表示接收機(jī)所在地的位置坐標(biāo)，也就是我們要計(jì)算的數(shù)據(jù)。設(shè)C為傳播速度，Δt1,Δt2,Δt3 分別為信號(hào)從北京、上海和武漢傳送到接收機(jī)花費(fèi)的時(shí)間，經(jīng)過(guò)FPGA芯片的運(yùn)算，即可得出所要得到的本地位置坐標(biāo)。

5 替代系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA 的核心部分是邏輯單元陣列(LCA -LogicCell Array)；LCA 的主體部分是由相同的可編程邏輯模塊(CLB) 構(gòu)成的矩陣，每個(gè)LCA 含有可編程的組合邏輯和寄存器，LCA通過(guò)內(nèi)部的可編程布線通道的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)，把邏輯晶體管按設(shè)計(jì)要求連接在一起以綜合陣列中的邏輯功能。這些功能和互連是由存儲(chǔ)在單片存儲(chǔ)器(EEPROM)中的可配置程序控制。LCA 的配置文件由這些存儲(chǔ)器自動(dòng)裝入或由微處理器將其作芯片初始化的一部分進(jìn)行初始定義。FPGA 芯片邏輯功能的配置基于內(nèi)部陣列分布的SRAM，即通過(guò)對(duì)分布的SRAM 的不同的加電配置來(lái)決定各個(gè)部分的邏輯定義。FPGA 由五部分組成：

1) 輸出塊(IOBs)：提供封裝腿與CLB 之間的接口它支持多種IO 接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)；

2) 配置邏輯塊(CLBs)：提供構(gòu)造邏輯的功能元件；

3) 多個(gè)4K的專用塊RAM；

4) DLL：共4個(gè)位于片子四個(gè)角,用于時(shí)鐘分布延時(shí)補(bǔ)償和時(shí)鐘域控制；

5) 三態(tài)緩沖器,將驅(qū)動(dòng)專用分段水平布線資源。

本設(shè)計(jì)主要包括輸入、輸出，子模塊黑盒子(Black Box)聲明，以及子模塊之間的連接關(guān)系，子模塊間的接口以及子模塊與頂層模塊的接口，設(shè)計(jì)所做的實(shí)驗(yàn)是基于Quartus II，它是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境 MAX+plusII 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。由于FPGA的原理、編程和使用方法已經(jīng)有大量的文章論述了，本文不在此進(jìn)一步解釋程序中的編程。從結(jié)構(gòu)上講，本設(shè)計(jì)的整個(gè)定位系統(tǒng)總共由3部分組成， 它們分別是：功能控制鍵輸入系統(tǒng)，3個(gè)無(wú)線電收音機(jī)報(bào)時(shí)接收器的并行輸入系統(tǒng)，計(jì)算部分和顯示部分。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。每一個(gè)地方發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)的頻率都是不一樣的，所以系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置不同的頻率接收不同的電臺(tái)報(bào)時(shí)。本設(shè)計(jì)中規(guī)定來(lái)自北京的接收信號(hào)1，來(lái)自上海的接收信號(hào)2，而來(lái)自武漢的接收信號(hào)3。在所需要的信號(hào)接受完后，經(jīng)過(guò)FPGA芯片系統(tǒng)對(duì)接收信號(hào)時(shí)間間隔的運(yùn)算，可以計(jì)算出設(shè)備所在地的具體位置，這個(gè)位置在顯示部分顯示出來(lái)，按鍵的作用是控制輸入信號(hào)接受器和啟動(dòng)計(jì)算并顯示。

6 結(jié)論

本文在分析目前使用的GPS定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了通過(guò)接收不同城市廣播電臺(tái)的同時(shí)發(fā)出的報(bào)時(shí)信號(hào)，算出這三個(gè)地方距離定位設(shè)備所在地的距離，進(jìn)而確定本地的確切地理位置。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn),本系統(tǒng)可以作為廉價(jià)的汽車定位系統(tǒng)嵌入到汽車的FPGA或單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):（1）接收系統(tǒng)只使用了3個(gè)收音機(jī)的接收部分外加一個(gè)FPGA位置計(jì)算模塊，技術(shù)含量要求低，造價(jià)便宜；（2）平時(shí)本系統(tǒng)可以和衛(wèi)星定位系統(tǒng)相互補(bǔ)充同時(shí)使用；當(dāng)衛(wèi)星受到干擾不能正常工作時(shí)（或戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)星受到攻擊被摧毀時(shí)），本系統(tǒng)可以作為軍用的一種定位替代系統(tǒng)；（3）本系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)研究如果能進(jìn)一步開發(fā)成為產(chǎn)品將擁有廣闊的市場(chǎng)。