一种GPS定位替代系统的FPGA实现

摘 要：本文在分析目前使用的GPS定位系统的基础上，探讨了一种替代系统，系统通过接收不同城市广播电台的发出的报时信号，算出这些地方距离定位设备所在地的距离，进而确定本地的确切地理位置，设计了系统的FPGA实现。

1 引言

全球卫星导航定位系统GPS(Global Positioning System)作为一门新兴的信息通讯技术，已被广泛应用在飞机船舰的导航、高精度测量、农业监控、车辆定位等领域。现有的卫星定位系统主要是美国的GPS和俄罗斯的GLONASS等系统；欧洲拟建的伽利略系统将是世界上第一个完全向民用开放的全球性卫星定位系统；中国的北斗卫星导航定位系统由2000年、2003年发射的3颗北斗卫星组成，作为一个区域性的定位系统,仅能满足当前陆、海、空运输导航定位的需求，在覆盖范围及用户数量等方面受到一定的限制。目前,我国卫星导航定位设备的设计基本是以美国进口的GPS接收机为基础，公安部门使用的车载卫星定位系统，由于仅局限于在车上使用而缺乏一定的灵活性；因此,研制新型的便携式集群手持卫星定位设备取代现有的车载定位设备成为定位系统发展的必然。；

2 GPS系统的特点

最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统，1964年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小(5-6颗)，运行高度较低(平均1000KM)。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段从1973年到1979年，发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网；第二阶段从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机；第三阶段为实用组网阶段，从19*2月4日到1993年底 GPS网即(21+3)GPS星座建成。整个GPS系统由三部分组成：

（1）GPS卫星星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。对于地面观测者来说，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见4颗，最多可见11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。

（2）地面监控系统

GPS卫星是一动态已知点，星的位置是依据卫星运动及其轨道的参数计算。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。地面监控系统一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准。这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差，然后由地面站发给卫星，卫星再经由导航电文发给用户设备。

（3）GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、速度和时间。

3 GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根据运动卫星瞬间位置作为已知的起算数据，利用空间距离确定待测地点的位置。如图1所示，假设t时刻在地面待测地点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的其它数据可以确定以下四个方程式：

图1 定位系统原理图

来源：维库开发网