STM32F7与FPGA通讯的应用-GPS模拟器

1万 · 2019-10-13 10:20

第一部分：缩略图。
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除了上述所述的室内定位方式，伪卫星技术是一个不错的选择，从图1-1中可
以看出伪卫星技术定位的规模化难度比较低，同时定位精度为亚米级，能够达到
大多数时候的定位需求。谈到伪卫星技术定位，首先明确伪卫星的概念，伪卫星
是指安装在地面附近的能够发射类似于全球导航卫星系统(Global Navigation
Satellite System, GNSS)信号(理论上各种导航系统的伪卫星都有，这里拿GPS伪
卫星举例说明)的“卫星”，本质是一个GNSS信号模拟器。它通过模拟卫星信号
的动态，在一个预设位置上发出跟GPS信号完全相同的射频信号，接收机在接收
到该伪卫星信号之后能够正常捕获、跟踪、位同步、帧同步，在收到多颗伪卫星
的信号之后可以进行定位结算得到预设的位置。通过安装伪卫星并且组网的情况
下，对于那些室外信号比较弱或者没有的地方，能够实现跟室外一样的卫星导航
体验。为了简化考虑，伪卫星信号可以采用简化的GPS信号格式，伪卫星信号设
计的完好性是进行伪卫星定位的重要前提。伪卫星室内定位系统可以独立使用时
间坐标系统也可以与现有系统兼容使用，使得在室内也得到跟室外一样的导航体
验。

1万 · 2019-10-13 10:25

由于多普勒频移以及传输时延的存在，在接收端收到的信号的频率和相位己
经不再是标准的从在轨卫星上发出那一刻信号的频率和相位，因此该系统需要在
预设位置处模拟出来具有动态的信号。在模拟信号的时候，涉及到根据数学模型
进行一些参数的数据计算，因此系统硬件实现时候单板上需要有处理器进行参数
计算，这里使用ARM处理器，另外还计算出动态参数之后还需要控制信号的时序
完成对信号通道的构建，因此单板上还需要有实现数字逻辑功能的FPGA。在生成
带有动态的数字中频信号之后，还需要有射频器件对信号进行上变频以便得到待
发射的伪卫星信号，因此单板上面还需要有射频器件。本项目主要是进行导航方
案的原型验证，因此射频器件选用开发周期快的ADI公司的AD9361，不同单板
之间的时间和数据传输媒介采用光纤。
确定了ARM+FPGA的单板硬件结构之后，对硬件主控器件进行选型以及核心
电路的设计，然后画印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)，再对相应的逻辑功能
进行FPGA实现，包括逻辑代码的编写与仿真、板级实现以及软硬件联调等，最
后要对定位方案进行验证。

1万 · 2019-10-13 10:26

GPS是由美国国防部研制的，其基本原理是利用在轨的人造地球卫星，卫星
上面发出电磁波信号，地面的接收机接收该信号然后完成定位解算得到接收机所
在位置，它是一个能够提供全球导航的无线电系统。1993年，美国建成了一个由
24颗卫星构成的完整星座，同时也宣告世界各国都可以使用GPS系统，GPS是世
界上第一个能够独立、全面运行的GNSS o GPS的空间卫星星座由正常工作的卫星
和备用卫星组成，正常工作有21颗，不过目前处于正常运行状态的卫星数据实际
上为犯颗左右，这样能够使地球上任一地方同时临空的卫星保持8一12个。GPS
卫星在空间分布的星座图如图2-1所示:

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理论上，在每个采样点处都应该要重新计算一次控制参数值，并且采样率越
大越好，但是考虑到运算量的大小，以及各个控制参数变化的快慢，实际中采样
率和控制参数的更新粒度的设置要综合考虑各项因素。关于采样率，考虑到伪卫
星的系统时钟为100MHz，因此设置采样率也为100MHz。关于更新粒度设置，我
们要用ARM处理器来计算控制参数，同时还要考虑更新粒度对定位结果的影响，
更新粒度直接产生影响的变量是码相位值，由在轨卫星的运动可知正常连续变化
的码相位值是连续非线性变化，实际在数字逻辑实现时候在一个更新粒度以内模
拟的码相位值是离散线性增加的，因此更新粒度越小模拟带来的误差便越小。将
会在下文中对包括处理器在内的硬件系统进行介绍，综合考虑处理器的处理能力
与系统对控制参数更新的需求，在可接受的范围内更新粒度设为4毫秒，这就要
求FPGA每4毫秒产生一个中断，下降沿有效。
由GPS定位原理可知，伪卫星对带有动态的信号的模拟的准确性非常重要。
另外同一时刻同时临空的卫星数目有限，一般是8一12颗，不同时刻临空的卫星的
编号也不同，为了使伪卫星真实模拟在轨卫星的状态，那么需要对伪卫星播发的
卫星信号对应的编号实时更换，也即伪卫星系统要实时换星。另外室内环境相对
于室外环境还是很复杂的，在室内环境下，电磁波传输时候容易受到各种折射、
发射等干扰，这就会引起多路径效应，也即不同卫星的信号传播到接收机的位置
的时候历经的路由不一致，这对定位精度有很大影响。