摘要：采用TI公司的TMS320C6713DSP芯片實現(xiàn)了GPS接收機定位解算功能。利用該芯片實現(xiàn)GPS接收機各模塊的調(diào)度，完成對時間觀測量和導航電文的提取，進行衛(wèi)星位置解算和用戶位置解算以及對外接口。試驗結(jié)果表明，根據(jù)該方案設計的GPS接收機工程樣機可以準確地實現(xiàn)定位解算功能。
關鍵詞：GPS接收機；TMS320C6713；中斷；EMIF；定位解算
0 引言
全球定位系統(tǒng)(GlobaI Positioning System，GPS)是一種全天候、全球覆蓋、高精度的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)向有適當接收設備的全球范圍用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和時間信息。DSP芯片具有適合于數(shù)字信號處理的硬件和軟件資源，運算速度快，精度高，接口豐富，穩(wěn)定性好，可用于實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理算法。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，GPS衛(wèi)星信號的實時處理越來越趨向于用DSP來實現(xiàn)。TMS320C67 13是TI公司生產(chǎn)的一種32位高性能浮點型數(shù)字信號處理器，功能強大，片內(nèi)資源豐富，外擴存儲器方便，運算速度快，無論從速度上還是精度上，TMS320C6713芯片都完全可以滿足GPS接收機系統(tǒng)的設計要求。
1 GPS定位解算原理
1．1 用戶位置的計算
GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位的基本原理是延時測距，通過測量空間己知位置上信號傳播的時間延遲，確定該己知位置至用戶的距離，根據(jù)測量距離解算出用戶的三維位置和用戶與已知位置的時間偏移量。為了確定用戶的三維位置(xu，yu，zu)和時間偏移量，需要同時對4顆衛(wèi)星進行跟蹤并獲取其偽距：
由于這個方程組是非線性的，很難直接求解，解非線性方程組一個常用的方法就是線性化。由于用戶的三維位置和時間偏移量是未知量，于是可以認為未知的接收機位置和時間偏移量由近似分量和修正分量△xu，△yu，△zu，△tu兩部分組成，即：
式中：ρj是第j顆衛(wèi)星的偽距觀測量；xj，yj，zj是根據(jù)第j顆衛(wèi)星的星歷計算出該顆衛(wèi)星的位置，均為已知量；用戶的三維位置和時間偏移量的修正分量△xu，△yu，△zu，△tu是未知量，近似分量可以認為是已知量。因為可以給這些近似分量賦初值，由初值可以解出一組修正分量△xu，△yu，△zu，△tu，近似分量經(jīng)過修正之后又可以認為是已知量，重復這個計算過程，直到修正分量小到預定的范圍之內(nèi)。最后的近似分量就是要解的用戶的三維位置和時間偏移量。這種方法即基于線性化的迭代法。[!--empirenews.page--]
1．2 偽距的獲取
分析GPS定位解算算法可知，要解算用戶的三維位置和時間偏移量，首先需要獲得各顆衛(wèi)星的位置和相應的偽距觀測量，因此，偽距觀測量的精度直接影響到用戶位置解算的精度。
在GPS接收機中，可以任意選擇一個時刻作為本地參考時間，本地參考時間與GPS系統(tǒng)時間的差值即為時間偏移量tu。對于GPS信號發(fā)射時間而言，如果不考慮每顆衛(wèi)星的時鐘修正項，所有衛(wèi)星的導航電文子幀1的起始點都是在同一時刻發(fā)射的，因此可以認為不同衛(wèi)星的導航電文子幀1的發(fā)射時刻是相同的，但是不同衛(wèi)星的子幀1的起始點是在不同時刻接收到的，這個時間差就代表不同衛(wèi)星到接收機的時間差，即距離差。在導航電文中，子幀1每30 s出現(xiàn)1次，而不同衛(wèi)星信號到達接收機所需時間的差值最大只有20 ms。因此，很容易保證所觀測的不同衛(wèi)星的子幀1都是在同一時刻發(fā)送的。統(tǒng)計本地參考時間與所接收到的衛(wèi)星星歷子幀1的開始位置的時間間隔即可得到偽距信息，如圖1所示為偽距測量的時間關系。
在GPS接收機內(nèi)部存在兩種時間統(tǒng)計方式，本地時間T和道時間Ti。本地時間可以選擇任意一個時刻作為參考，之后便由本地晶振計數(shù)累加。通道時間由三部分組成：20 ms計數(shù)TD，1 ms計數(shù)TCA和C／A碼相位計數(shù)TCAphasc。每個通道在接收到導航電文子幀1的TLM遙測字時刻，三個計數(shù)值同時清零，之后由跟蹤得到的C／A碼相位為步長累加，即通道時間Ti為：
Ti=TD／50+TCA／1 000+TCAphasc／(1 023×1 000)
在某一中斷時刻，本地參考時間與GPS系統(tǒng)時間的差值即為時間偏移量tu，本地參考時問和各個通道時間的差值與光速乘積即為ρi，即：
ρi=(T-Ti)·c
2 系統(tǒng)方案設計
一般來說，在實時信號處理系統(tǒng)中，底層信號處理的特點是處理的數(shù)據(jù)量大，處理速度高，但運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，適于用FPGA進行硬件實現(xiàn)，這樣能同時兼顧速度及靈活性。上層信號處理的特點是處理的數(shù)據(jù)量較少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復雜，適于用運算速度高，尋址方式靈活，通信機制豐富的DSP芯片來實現(xiàn)。
由于GPS接收機系統(tǒng)涉及到GPS信號捕獲算法、載波跟蹤算法、碼跟蹤算法、衛(wèi)星位置解算，用戶位置解算、以及大量的相關算法計算，綜合算法復雜且運算量相當大，同時GPS接收機系統(tǒng)要求很高的定位精度和實時的動態(tài)性能，對系統(tǒng)的體積、功耗、穩(wěn)定性等也都有較嚴格的要求。如果所有任務都由DSP來完成，不僅對DSP的壓力很大，還有可能滿足不了系統(tǒng)的實時性要求。為了協(xié)同DSP完成整個GPS接收機系統(tǒng)的工作，在該系統(tǒng)中采用一片DSP高速微處理器和FPGA大規(guī)?？删幊剃嚵薪M合搭建了系統(tǒng)硬件平臺，F(xiàn)PGA主要完成GPS信號的捕獲、跟蹤和解擴解調(diào)，以得到導航和測距信息；DSP芯片作為系統(tǒng)的主處理芯片，主要負責數(shù)據(jù)處理，以及對邏輯控制模塊的通信與控制，而系統(tǒng)外圍設備的控制與通信工作由FPGA完成。這樣可以使整個系統(tǒng)的任務合理分配，DSP芯片能更專注于大量數(shù)據(jù)的處理，使信號處理的實時性得以保證?？傮w框圖如2所示。
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以下簡要說明DSP的工作流程：
(1)DSP系統(tǒng)初始化，等待外部中斷；
(2)中斷到來，由外部中斷4得到時間觀測量，由外部中斷5得到導航電文；
(3)對時間觀測量和導航電文進行拼接組合，由時間觀測量得到偽距信息，由導航電文計算衛(wèi)星發(fā)射時刻的位置，其中包括觀測衛(wèi)星在WGS-84坐標系下的三維位置、仰角和方位角等；
(4)根據(jù)觀測衛(wèi)星的星歷對偽距進行修正，并進行電離層和對流層校正等；
(5)根據(jù)定位原理，計算出用戶的三維位置，校正本地時間，并將三維位置轉(zhuǎn)換成所需要的坐標格式；
(6)通過McBSP串口輸出定位結(jié)果，并對輸出結(jié)果進行記錄。
2．1 中斷
中斷是DSP系統(tǒng)的基本功能。一般而言，中斷表明一個特別事件的開始或結(jié)束。一個DSP系統(tǒng)需要與多個事件打交道，這些事件可能是內(nèi)部的，也可能是外部的，而這些事件發(fā)生的時間是不確定的，也就是這些事件可能是異步的。異步事件的發(fā)生具有時間上的不確定性，一旦異步事件發(fā)生，就要求DSP能夠隨之做出相應的反應和處理。中斷就可以提供這樣的一種機制，一旦異步事件發(fā)生，DP立即暫停CPU當前的處理任務，按預先的安排對該事件進行處理，處理完畢后，CPU再繼續(xù)原來的任務。中斷可以由外部設備產(chǎn)生，也可以由DSP內(nèi)部產(chǎn)生。由硬件或軟件驅(qū)動的中斷信號可使DSP中止當前程序并執(zhí)行另一個程序，該程序稱為中斷服務程序。
TMS320C6713的中斷處理過程分為三個階段：
(1)中斷請求。當有中斷請求時，DSP將IFR寄存器的相應位置1。
(2)中斷確認。對于軟件中斷和不可屏蔽中斷，CPU是立即響應的；對于可屏蔽中斷，要滿足下列條件才能響應：CSR寄存器的GIE位為0，IER寄存器的NMIE位為1，IER寄存器的相應位為1，優(yōu)先級最高。
(3)中斷處理。保護特定的寄存器，執(zhí)行中斷服務程序，完成后恢復寄存器。
如圖2所示，在該系統(tǒng)的設計中，使用了外部中斷4和外部中斷5。每當DSP接收到中斷請求，立即暫停CPU當前的處理任務，進入中斷服務程序，處理完畢后，CPU再繼續(xù)原來的任務。由外部中斷4得到時間觀測量，由外部中斷5得到導航電文。DSP提供的中斷是以中斷向量表的形式出現(xiàn)的，該系統(tǒng)的部分中斷向量表如下：
2．2 EMIF接口
EMIF是外部存儲器與TMS320C6713片內(nèi)單元間的接口。CPU訪問片外存儲器時一般通過EMIF接口，DSP的EMIF具有很強的接口能力。TMS320～C6713的EMIF接口有20根地址總線，32位數(shù)據(jù)總線，4個片選信號和多種控制信號，能夠支持多種不同類型的外部存儲器件。其中，每個片選空間是相對獨立的，各自占用一段地址，能夠適應不同速率的存儲器件。
如圖2所示，圖中ED[31：0]表示數(shù)據(jù)總線，EA[21：2]表示地址總線，CE[3：0]為片選信號，AOE為輸出使能信號，ARE為讀使能信號，AWE為寫使能信號。通過控制信號、數(shù)據(jù)總線和地址總線的配合使用，就可以完成DSP與外部存儲器件的數(shù)據(jù)交換。
圖3所示為TMS320C6713EMIF接口的讀時序。圖中讀的建立需要兩個時鐘周期，之后每個觸發(fā)需要兩個時鐘周期，在AlRE的下降沿，F(xiàn)PGA將時間觀測量和導航電文放在數(shù)據(jù)總線上，在ARE的上升沿，也就是數(shù)據(jù)保持的中間時刻，DSP讀取數(shù)據(jù)，這樣就完成了FPGA與DSP的數(shù)據(jù)交換。
在該系統(tǒng)的設計中，時間觀測量的幀格式如圖4所示，導航電文的幀格式如圖5所示，DSP由EMIF接口接收到時間觀測量和導航電文之后，首先進行數(shù)據(jù)的拼接組合，由時間觀測量得到偽距，由導航電文計算出衛(wèi)星發(fā)射時刻的位置。[!--empirenews.page--]
3 試驗結(jié)果
在本設計的試驗中使用了某種GPS衛(wèi)星信號模擬器，采用信號直接注入的方法，模擬器模擬用戶在WG-84坐標系下某靜態(tài)位置。接收機經(jīng)過射頻前端模塊、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊、基帶信號處理模塊之后，由EMIF接口將時間觀測量和導航電文傳給DSP，之后由DSP負責定位解算數(shù)據(jù)處理。在本系統(tǒng)中，導航電文每6 s發(fā)送1次，時間觀測量每100 ms發(fā)送1次，即每秒進行10次定位解算。由McBSP串口發(fā)送連續(xù)1 000點定位解算結(jié)果，如圖6所示，圖6(a)，(c)，(e)為定位解算結(jié)果，圖6(b)，(d)，(f)為定位解算結(jié)果與模擬位置距離之差。從圖中可以看出，定位解算結(jié)果與模擬位置之差為5 m左右。
4 結(jié)語
本文設計的基于TMS320C6713的GPS定位解算可以完整的實現(xiàn)定位解算功能，但與高精度GPS接收機相比，由于跟蹤環(huán)路的設計與電離層、對流層修正模型的區(qū)別，定位精度還是存在一定的差距，需要進一步改進。
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