基于SOPC的嵌入式GPS接收機溫啟動快捕的研究

胡 輝，沈 翔，吳 超

(華東交通大學信息工程學院，南昌 330013)

衛(wèi)星導航接收機的快速定位能力主要由首次定位時間(time to first fix，TTFF)這項指標決定。提高首次定位時間這項性能，無論是對于車載導航領域，還是導彈導航等軍事領域都具有很大的意義。但是，由于這項技術在商用以及軍事應用的保密性和敏感性，有關此方面的技術在各種文獻中很少見到，因此，深入研究該技術就顯得非常重要。

在相同的衛(wèi)星信號條件下，信號搜索范圍的大小和首次定位所需時間的長短與接收機的啟動方式有很大的關聯(lián)。根據(jù)接收機啟動時所掌握的各種數(shù)據(jù)信息狀況的不同，影響首次定位所需時間長短的接收機啟動方式通常可分成3種:

1)冷啟動。在冷啟動時，接收機不知道當前的時間及其所處的位置，并且在存儲器上也沒有保存任何有效的衛(wèi)星星歷和歷書，因此，冷啟動后的接收機只能處于盲捕狀態(tài)，它的首次定位時間最長，一般在60 s左右。

2)溫啟動。是指接收機雖然沒有有效的星歷，但卻能在掌握誤差小于5 min的當前時間、誤差小于100 km的當前位置，以及有效歷書情況下啟動。根據(jù)所擁有的這些信息，接收機可以大致確定三維搜索的范圍，從而為信號的快速捕獲創(chuàng)造良好的條件。溫啟動的首次定位時間較短，一般在45 s左右。

3)熱啟動。如果接收機不但具備溫啟動的條件，而且還保存著有效的星歷，那么接收機就可以進行熱啟動。熱啟動的首次定位時間一般為12 s，甚至更短。

本課題組前期以EP2C50F484C6 FPGA芯片為平臺，內(nèi)嵌可配置Nios軟核cpu，成功研制了高動態(tài)嵌入式GPS接收機。該設備在載體速度為12 km/s，加速度為10 g，加加速度為10 g/s時，由于沒有嵌入溫捕模塊，它的首次定位時間大約為65 s。然而，高動態(tài)接收機經(jīng)常用于導彈導航等軍事領域，較長的定位時間與高動態(tài)的性能就產(chǎn)生了沖突，所以，短的定位時間是GPS高動態(tài)接收機必須解決的一項關鍵技術。本研究以前期工作為背景，用溫啟動的方法將定位時間縮短到30 s之內(nèi)。

1 硬件電路設計

1.1 系統(tǒng)的整體設計

嵌入式GPS接收機系統(tǒng)由天線、射頻前端、基帶信號處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成。本系統(tǒng)射頻前端采用ZARLINK公司生產(chǎn)的GP2015芯片;基帶信號處理芯片使用ALTERA公司的EP2C50F484C6，在此芯片中內(nèi)嵌nios II軟核，實現(xiàn)基帶信號處理和定位解算。本研究通過溫啟動的方法來實現(xiàn)嵌入式GPS接收機的快速定位，所以在系統(tǒng)中需要添加實時時鐘(RTC)芯片和非易失存儲芯片(NVRAM)這2個模塊。本系統(tǒng)的硬件總體結構如圖1所示。圖2為課題組前期研制的GPS接收機實物。

Qutartus IDE中集成了SOPC Builder工具，該工具提供一個直觀的圖形用戶界面，用戶可以通過圖形界面簡化系統(tǒng)的定義工作。由于SOPC Builder不需要直接編寫HDL代碼來定義系統(tǒng)，這極大地節(jié)約了設計開發(fā)時間。SOPC Builder為每個元件提供了一個向導，利用該向導能很容易地定義元件功能。本系統(tǒng)就是通過向導將nios II CPU、相關器、RTC時鐘控制、NVRAM控制器等模塊添加到設計中。SOPC Builder能夠自動生成片上總線(Avalon總線)和總線仲裁器等邏輯將這些模塊連接，整合成一個片上系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 SOPC Builder配置片上系統(tǒng)

1.2 非易失性存儲器

NVRAM即非易失性存儲器，就是斷電之后，讓所存儲的數(shù)據(jù)不會丟失的隨機訪問存儲器。NVRAM用來存儲歷書和上次定位結果。本系統(tǒng)采用的是CY62256VLL－70SNC芯片，其與FPGA的連接見圖4。

要實現(xiàn)NVRAM讀寫，首先要在硬件配置SOPC Buillder中加入IP核NVRAM和Avalon-MM Tristate Bridge(三態(tài)橋)，如圖3所示。NVRAM通過三態(tài)橋與CPU通信。Nios II開發(fā)環(huán)境已經(jīng)提供了2個接口:

data=IORD_32DIRECT(BASE，OFFSET);//讀NVRAM

IOWR_32DIRECT(BASE，OFFSET，DATA);//寫NVRAM

直接利用以上2個nios II IDE的API函數(shù)就可以進行NVRAM讀寫。

圖4 NVRAM電路連接

1.3 RTC 時鐘電路

帶溫啟動功能的GPS接收機均有一個內(nèi)置的實時時鐘(RTC)，因而即便在接收機關機的情況下，它的實時時鐘依然繼續(xù)運行，以維持對時間信息的掌握。本研究使用的是DS1338實時時鐘芯片，它有一個內(nèi)置的電源檢測電路，如果檢測到電源供電失敗，可以自動切換到電池供電。它采用I2C接口，其硬件連接如圖5所示。

該芯片提供實時時鐘，只要在一開始給年、月、日、時、分、秒寄存器設定一個初始值，時間就會自動往前滾動。內(nèi)部寄存器的具體操作可參見芯片手冊。

要在本系統(tǒng)中實現(xiàn)RTC，首先要在硬件配置SOPC Buillder中加入 IP核 I2C_mcore，如圖3所示;其次在nios II軟件工程中加入底層驅動程序，以通過I2C總線對年、月、日等寄存器進行讀寫操作;最后便是應用程序，在I2C初始化后對寄存器進行讀寫操作。

圖5 RTC電路連接

2 算法原理

2.1 利用歷書計算衛(wèi)星的位置

歷書提供了各衛(wèi)星的基本衛(wèi)星軌道參數(shù)和2個鐘差改正數(shù)，但不包含9個攝動改正參數(shù)。各歷書的參數(shù)如表1所示。如果用戶接收機上保存著有效的歷書，并且用戶大致知道自己當前所處的時間和位置，那么接收機可以通過歷書計算出各衛(wèi)星在空間的大致位置，以此可以確定它們的可見性，這可使接收機避免去搜索、捕獲那些不可見的衛(wèi)星信號，從而減少接收機實現(xiàn)首次定位所需的時間。

表1 GPS衛(wèi)星歷書參數(shù)

在計算衛(wèi)星的概略位置時，利用歷書信息計算與使用廣播星歷的參數(shù)計算類似，其流程如圖6所示。

2.2 啟動的實現(xiàn)方法與步驟

除了表1中所列的參數(shù)之外，每套歷書通常還需要附帶一個相應的星期數(shù)，可以幫助判斷歷書的有效性。如果GPS接收機保存存儲的歷書，但2次開機的時間超過1個星期，那么歷書是無效的，接收機必須實行冷啟動，等到有定位結果十幾分鐘以后，才能進行溫啟動。這段時間接收機將歷書和本地位置存儲到NVRAM中，以便下次開機后實行溫啟動。接收機運行的總流程如圖7所示，其中溫啟動實現(xiàn)的流程如圖8所示。

3 實驗結果分析

用GN8000M多星座模擬器模擬仿真2011年7月16日10點50分的GPS L1信號。如圖9所示，在nios IDE控制臺窗口中可以看到:定位的方式是cold start，即冷啟動;start time即定位時間為180 s。然后再用模擬器模擬仿真2011年7月17日10點50分的GPS L1信號。從圖10可以看到:定位的方式是warm start，即溫啟動;start time(定位時間)為31 s。從兩者的結果很明顯地看到溫啟動的定位時間比冷啟動大大縮短了。

4 結束語

SOPC是當前IC設計的發(fā)展主流，代表了半導體和ASIC設計的未來。利用SOPC設計思想和SOPC Builder工具開發(fā)GPS接收機系統(tǒng)，能極大地提高工程人員的設計效率，加快系統(tǒng)的開發(fā)速度，節(jié)約設計成本，縮短設計周期。

本文對GPS接收機溫啟動首次定位時間過程進行了研究，試驗得到的溫啟動首次定位時間為31s，滿足了高動態(tài)GPS接收機快速定位的性能要求。隨著新一代GNSS的不斷建設和發(fā)展，融合GPS、GLONASS、GALILEO和北斗導航定位系統(tǒng)的接收機將成為研究熱點，因此，還需要進一步研究快速捕獲溫啟動的算法在衛(wèi)星導航系統(tǒng)融合時代中的應用。

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