一種GPS定位替代系統(tǒng)的FPGA實現

摘 要：本文在分析目前使用的GPS定位系統(tǒng)的基礎上，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的發(fā)出的報時信號，算出這些地方距離定位設備所在地的距離，進而確定本地的確切地理位置，設計了系統(tǒng)的FPGA實現。

關鍵字：GPS; FPGA

1 引言

全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)作為一門新興的信息通訊技術，已被廣泛應用在飛機船艦的導航、高精度測量、農業(yè)監(jiān)控、車輛定位等領域?，F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，作為一個區(qū)域性的定位系統(tǒng),僅能滿足當前陸、海、空運輸導航定位的需求，在覆蓋范圍及用戶數量等方面受到一定的限制。目前,我國衛(wèi)星導航定位設備的設計基本是以美國進口的GPS接收機為基礎，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)星定位設備取代現有的車載定位設備成為定位系統(tǒng)發(fā)展的必然。；

2 GPS系統(tǒng)的特點

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)星數目較小(5-6顆)，運行高度較低(平均1000KM)。為滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實時和三維導航的要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。GPS實施計劃共分三個階段：第一階段從1973年到1979年，發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網；第二階段從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機；第三階段為實用組網階段，從1989年2月4日到1993年底 GPS網即(21+3)GPS星座建成。整個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個軌道平面內，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛(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)星顆數隨著時間和地點的不同而不同，最少可見4顆，最多可見11顆。在用GPS信號導航定位時，為了計算觀測站的三維坐標，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)星是一動態(tài)已知點，星的位置是依據衛(wèi)星運動及其軌道的參數計算。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)一個重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差，然后由地面站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再經由導航電文發(fā)給用戶設備。

（3）GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務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)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置、速度和時間。