一種GPS定位替代系統的FPGA實(shí)現

摘 要：本文在分析目前使用的GPS定位系統的基礎上，探討了一種替代系統，系統通過(guò)接收不同城市廣播電臺的發(fā)出的報時(shí)信號，算出這些地方距離定位設備所在地的距離，進(jìn)而確定本地的確切地理位置，設計了系統的FPGA實(shí)現。

關(guān)鍵字：GPS; FPGA

1 引言

全球衛星導航定位系統GPS(Global Positioning System)作為一門(mén)新興的信息通訊技術(shù)，已被廣泛應用在飛機船艦的導航、高精度測量、農業(yè)監控、車(chē)輛定位等領(lǐng)域?，F有的衛星定位系統主要是美國的GPS和俄羅斯的GLONASS等系統；歐洲擬建的伽利略系統將是世界上第一個(gè)完全向民用開(kāi)放的全球性衛星定位系統；中國的北斗衛星導航定位系統由2000年、2003年發(fā)射的3顆北斗衛星組成，作為一個(gè)區域性的定位系統,僅能滿(mǎn)足當前陸、海、空運輸導航定位的需求，在覆蓋范圍及用戶(hù)數量等方面受到一定的限制。目前,我國衛星導航定位設備的設計基本是以美國進(jìn)口的GPS接收機為基礎，公安部門(mén)使用的車(chē)載衛星定位系統，由于僅局限于在車(chē)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星定位設備取代現有的車(chē)載定位設備成為定位系統發(fā)展的必然。；

2 GPS系統的特點(diǎn)

最早的衛星定位系統是美國的子午儀系統，1964年正式投入使用。由于該系統衛星數目較小(5-6顆)，運行高度較低(平均1000KM)。為滿(mǎn)足軍事部門(mén)和民用部門(mén)對連續實(shí)時(shí)和三維導航的要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。GPS實(shí)施計劃共分三個(gè)階段：第一階段從1973年到1979年，發(fā)射了4顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)；第二階段從1979年到1984年，又陸續發(fā)射了7顆試驗衛星，研制了各種用途接收機；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系統由三部分組成：

（1）GPS衛星星座

由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座，記作(21+3)GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個(gè)軌道平面內，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)軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。對于地面觀(guān)測者來(lái)說(shuō)，位于地平線(xiàn)以上的衛星顆數隨著(zhù)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信號導航定位時(shí)，為了計算觀(guān)測站的三維坐標，必須觀(guān)測4顆GPS衛星，稱(chēng)為定位星座。

（2）地面監控系統

GPS衛星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，星的位置是依據衛星運動(dòng)及其軌道的參數計算。每顆GPS衛星所播發(fā)的星歷，是由地面監控系統提供的。地面監控系統一個(gè)重要作用是保持各顆衛星處于同一時(shí)間標準。這就需要地面站監測各顆衛星的時(shí)間求出鐘差，然后由地面站發(fā)給衛星，衛星再經(jīng)由導航電文發(fā)給用戶(hù)設備。

（3）GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，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信號從衛星到接收機天線(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛星所發(fā)送的導航電文，實(shí)時(shí)地計算出測站的三維位置、速度和時(shí)間。