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)通過接收不同城市廣播電臺(tái)的發(fā)出的報(bào)時(shí)信號，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,我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位設(shè)備的設(shè)計(jì)基本是以美國進(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連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的要求。1973年美國國防部制定了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。對于地面觀測者來說，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4顆，最多可見11顆。在用GPS信號導(dǎo)航定位時(shí)，為了計(jì)算觀測站的三維坐標(biāo)，必須觀測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信號接收機(jī)

GPS信號接收機(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衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(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)算出測站的三維位置、速度和時(shí)間。