一种在ARM平台实现厘米级精度GPS定位的系统的制作方法

本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种在ARM平台实现厘米级精度GPS定位的系统。

背景技术：

全球定位系统(GPS，global positioning system)是利用定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。随着智能终端设备的发展，GPS定位技术被广泛地运用到不同领域。单点定位，或绝对定位是GPS定位技术中最常用的一种方法，它是通过GPS接收器与四颗或四颗以上已知卫星的距离来确定GPS接收器在地球上的位置。GPS接收器与已知卫星间的测量距离误差，如卫星时钟误差和卫星信号回传时经过电离层延时造成的时间测量误差，是GPS定位的最主要误差来源。以实时单点定位(用于导航)为例，P码误差为1～2m；C/A码误差为5～10m，如何减少实时定位误差成为了GPS在民用领域的应用和推广的技术关键。

实时动态载波相位差分(RTK，real time kinematic)定位技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标，它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。巨大的精度优势使RTK被应用到地理测绘、驾驶员考试等领域。

RTK定位的技术关键是整周模糊度(integer ambiguity)的求解，只有准确快速地计算出整周模糊度，才能保证实现高精度实时动态定位。目前，受限于RTKLIB的算法效率和运行环境以及相关硬件的发展水平，现行RTK运算系统庞大，需要较高的运算能力，较高的功耗，较多的设备构件，使其集成度较低，便携性很差，价格十分高昂(一般需在4万元起)。其高昂的设备成本、安装成本、运行成本和维护成本大大制约了RTK在实际生活中的应用。以使得类于无人机投递包裹、自动驾驶的安全导航、智能农用机械的精准种植、智慧城市等需要高精度位置的产品和服务均未能在民众的日常生活中成为普遍现实。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的不足之处，本发明提供了一种在ARM平台实现厘米级精度GPS定位的系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在ARM平台实现厘米级精度GPS定位的系统，包括集成在板卡上的前端接收装置、FPGA相关器和微处理器三个单元；

前端接收装置通过外部天线接收卫星信号，集成了带通滤波器、混频器/振荡器和三位数模转换器；前端接收装置接收的卫星信号先由带通滤波器滤波后，再输入混频器/振荡器，混频器/振荡器把输入的L1载波信号转换到更低的中频上，输出低中频或零中频I和Q信号，同时不改变调制信号的结构；三位数模转换器可以同时为I和Q通道各输出一个或两个量化位或者为I通道输出三个量化位；

FPGA相关器用于对前端接收装置的卫星信号流进行进一步的滤波和相关性分析，集成了采样存储器、卫星信号获取频道、卫星信号追踪频道和系统计时器；采样存储器、卫星信号获取频道、卫星信号追踪频道、系统计时器分别通过串行外设接口SPI与微处理器相连；

微处理器接收FPGA相关器输出的中间运算结果，并执行所有在FPGA相关器上层的运算，输出实时的载波相位差分位置/速度结果；

板卡为结构相同的两个，一个作为RTK定位设备的基准站，另一个作为RTK定位设备的流动站。

前端接收装置采用MAX2769接收机；FPGA相关器采用赛灵思的Spartan-6FPGA；微处理器采用基于ARM的STM32处理器。

前端接收装置、FPGA相关器和微处理器设置在板卡的中心区域，板卡的外侧四周设置了连接模块；连接模块包括外部天线，USB接口，JTAG调试口，外部串口A和外部串口B；其中，外部天线的输入是通过一个设置在板卡上的射频接头SMA连接器实现，板卡通过外部天线多径接收GNSS卫星信号。

板卡接收的卫星数为0-10,在径信数等于或大于5时进行采信运算，径信数小于5时不进行采信运算。

USB接口用于PC主机和板卡的通信；USB接口的默认配置是作为串行桥连接到微处理器，USB接口也可被配置为高速的FIFO接口，把FPGA相关器处理后的信号流输出给PC主机；板卡通过F232R USB转串口芯片和USB接口，在PC主机上对板卡进行设置，USB接口为板卡提供+5V的供电。

外部串口A和外部串口B提供高速的3.3V LVTTL电平的异步串行通信口UART；当板卡作为基准站时，外部串口A输出基准站的定位结果，外部串口B输出基准站的测量值和星历；当板卡作为流动站时，外部串口A输出流动站的差分定位结果，外部串口B接收基准站的测量值和星历。

基准站的连接主要包括三个接口，第一个接口是将板卡的射频接头SMA与高精度天线相连，连接线缆的长度与用户的基准站架设有关；第二个接口是将板卡的外部串口B与用户电台相连；第三个接口是将板卡的USB接口与PC主机相连，通过前端控制台对基准站进行相关配置，配置的内容主要包括基准站坐标输入和串口设置。

本发明对整周模糊度的求解算法进行了深度优化，使厘米级的实时定位成为可能，并且通过选择接收频率为1575.42MHz，波长为19.03cm的L1载波信号，有效地了降低对载波相位测量带来的误差。此外，本发明可进行多径卫星接收，通过高性能的DSP板卡实现原始信号的全速率通过，对卫星信息进行信噪分域过滤，欺骗检测，结合相关加速器，通过算法的升级和运算环境的改造，实现了RTK微型化、低成本设备的制造，使应用成本(设备制造、安装、使用和维护等)仅为现行常规方案的2％。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的系统组成结构框图。

图2是本发明产品外观图。

图中：1、外部串口A；2、外部串口B；3、USB接口；4、JTAG调试口；5、状态指示灯。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括集成在板卡上的前端接收装置、FPGA相关器(可编程芯片控制模块)、微处理器；其中，前端接收装置用来对外部天线接收的卫星信号进行滤波，降频和离散化处理；然后经过前端接收装置数字化后的卫星信号流被发送到FPGA相关器中，FPGA相关器对卫星信号流进行进一步的滤波处理和相关性运算，然后通过串行外设接口SPI(串行外设接口，Serial Peripheral Interface)与其相连接的微处理器可以读写和控制FPGA相关器中的模块，收集解算结果，并对处理后的卫星信号流进行位置/速度/时间的RTK求解。具体设置如下：

前端接收装置通过外部天线接收卫星信号，集成了带通滤波器、混频器/振荡器和三位数模转换器；前端接收装置接收的卫星信号先由带通滤波器滤波后，再输入混频器/振荡器，混频器/振荡器混频器把输入的1575.42MHz的L1载波信号转换到更低的中频上，来输出低中频或零中频I和Q信号，同时不改变调制信号的结构；其中，三位数模转换器可以同时为I和Q通道各输出一个或两个量化位或者为I通道输出三个量化位。本实施例选择低成本和高集成度的MAX2769接收机作为前端接收装置，MAX2769提供的捕获灵敏度达-143dB，跟踪灵敏度达-154dB。由于MAX2769内置了配置寄存器，许多配置可以通过串行外设接口SPI的输入端口对相应的寄存器进行设置，MAX2769的高集成度使其仅需要很少的外围电路就可以实现完整的低成本的GPS接收机。

本发明为了保证RTK算法的实时运算，同时接收和处理接收机发回的多个GPS信号，本发明的解算由FPGA相关器和微处理器联合完成。本发明的FPGA相关器选择了赛灵思的Spartan-6FPGA，其构建存储控制器的过程简单直接。作为赛灵思Spartan FPGA系列的第六代产品，Spartan-6FPGA系列实现了低成本和低功耗以及高性能的平衡，能够提供更高程度的系统级集成。FPGA相关器集成了采样存储器、卫星信号获取频道、卫星信号追踪频道和系统计时器，其中卫星信号的获取和追踪频道两个重要频道用于对前端接收装置的卫星信号流进行进一步的滤波和相关性分析。FPGA相关器通过加载预编程的系统固件，可以作为可编程的模块开放给微处理器。微处理器可以通过SPI的输入端口对FPGA相关器进行设置和编程。FPGA相关器给微处理器提供卫星信号流的解算结果，使微处理器可以快速进行位置/速度/时间载波相位差分求解。

本发明的微处理器由基于ARM的STM32F4处理器组成。STM32F4处理器是ST(意法半导体)公司开发，基于Cortex-M4内核的高性能控制器，主频可达到168MHz。STM32F4接收FPGA相关器输出的中间运算结果，并执行所有在FPGA相关器上层的运算，包括追踪回路滤波，导航处理等。STM32F4通过运行上层的Falcon算法，可以输出实时的载波相位差分位置/速度结果。为了与Falcon算法的测量频率对应，STM32F4的RTK刷新率为10Hz。

与单点定位不同，RTK定位设备至少需要一个基准站(接收机)和一个流动站(接收机)。其中，基准站用于接收定点卫星信号，并把自身的观测值，星历发送给流动站。流动站通过接收到的卫星信号和基准站所发送的基准站观测量，对卫星信号与基准站观测量进行对比处理，从而对自己的观测量进行修正。根据设计系统结构，我们自主开发了GPS定位信号接收和处理的主板(即板卡)，根据用户需要，板卡可以被设置成基准站或流动站。如图2所示，板卡的各串口设置在板卡的外侧边，与本发明的组成系统结构对应，板卡的连接模块主要包括了外部天线，USB接口，JTAG调试口，外部串口A和外部串口B。

其中，外部天线的输入是通过一个设置在板卡上的射频接头SMA连接器来实现。板卡通过外部天线多径接收GNSS卫星信号。更为具体地，其接收的卫星数为0-10,在径信数等于或大于5时进行采信运算，径信数小于5时不进行采信运算。外部天线接收到卫星信号后，MAX2769前端接收机(其捕获灵敏度-143dB，跟踪灵敏度-154dB)对卫星信号进行信噪分域过滤，低噪声放大(增益30dB)，在45db域内进行采信，过滤信噪较大的信息，为提高运算精度做好基础。

USB接口用于PC主机和板卡的通信。USB接口的默认配置是作为串行桥连接到微处理器，另外USB接口也可被配置为高速的FIFO接口，把FPGA相关器处理后的信号流输出给PC主机，高性能的DSP板卡可使卫星信号流全速率通过。本发明板卡上采用的是FTDI公司的F232R USB转串口芯片，通过USB接口，用户可以在PC主机上对板卡进行设置。此外，USB接口也可以为板卡提供+5V的供电。

外部串口A和B提供高速的3.3V LVTTL电平的异步串行通信口UART(通用异步收发传输器，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。这两个外部串口可以被设置为传输NMEA-1083卫星信号，系统状态，调试信息和收发主机或者其他板卡的信息或指令。当板卡作为基准站时，外部串口A输出基准站的定位结果，外部串口B输出基准站的测量值和星历。当板卡作为流动站时，外部串口A输出流动站的差分定位结果，外部串口B接收基准站的测量值和星历。基准站与流动站间通过开放、合法、免费的波段(433MHz)进行通信，其传输信号编码基于二进制F-SBP协议。

基准站的连接主要包括三个接口。第一是将板卡的射频接头SMA与外部天线相连，连接线缆的长度与用户的基准站架设有关，为了保证天线到板卡的信号增益，线缆长度小于20米时使用型号为LMR200的射频线缆，当线缆长度大于20米并且小于50米时推荐选用型号LMR300的射频线缆。第二是将板卡的外部串口B与用户电台相连。第三是将板卡的USB接口与PC主机相连，通过前端Falcon console(控制台)来对基准站进行相关配置，配置的内容主要包括基准站坐标输入和串口设置。由于RTK是采用相对定位原理，基准站的位置精度对流动站的差分定位结果至关重要。为了获取更高的位置精度，基准站应该被放置在一个观测条件比较好，上空视野好，周围无干扰的地方。相应地，流动站连接和配置应与基准站一致。在实际应用中，流动站的外部串口A与用户设备如无人机的飞行控制器相连。

本发明的设计原理说明：整周模糊度是载波在传输过程中，载波相位与基准相位之间相位差的首观测值所对应的整周未知数，确定整周模糊度是GPS定位中必须解决的问题。周跳是指在GPS的载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。整周模糊度和周跳使GPS的基线处理复杂化。在现行的解算方法中，通过卫星和观测站的先验信息或伪距观测值可估算其近似值，并在平差计算中解算其最佳估值，使电离层折射效应和多路径效应等系统性偏差的影响被逐渐削弱以至消除。

GPS定位的精度决定于载波的频率，GPS接收器和解算算法。一个设计良好的GPS接收机，可使单点定位的精度达到3～8米。因此设计并实现GPS接收机，是提高GPS定位精度的第一步。理论上，单点静态定位也可达到厘米级的精度，但是为了确保准确性，观测时间在一个小时以上。要达到更高的实时定位精度，必须要用新的算法如差分定位(DGPS)和更好的测量技术。与单点定位不同，RTK通过实时处理两个测量站载波相位观测量的差分值，将基准站采集的载波相位发给移动接收机，来进行求差解算坐标，消去大部分共同误差。现行的常用算法是基于一个可靠的差分定位(DGPS)/惯性导航系统(INS)的方法，在DGPS/INS的框架下，所有的非线性量的估算结果，即通过最大后验(MAP)估计法得出的算法结果，是通过考虑所有因素，包括运动，卫星轨道，惯性测量单元(IMU)传感器等可用信息解算出来的。通过GPS和IMU解算整周模糊度带来的巨大运算量，特别是当为了保证实时性而需要的IMU高采样率，是实现实时厘米级及其集成化的最大技术难点。

本发明的内部运行(自命名为Falcon算法)是调整和优化的RTK解算算法。RTK算法的运算量主要来自轨迹的估算为了降低RTK的复杂程度，在运算周期内，Falcon算法获取在固定时间段的GPS和IMU测量值，解算整周模糊度和估算移动站轨迹。Falcon算法假设在固定时间段内，接收机接收多个卫星的有效相位测量值没有时钟误差，测量频率为10Hz。当GPS的测量是线性时不变时，优化后的Falcon算法和原算法的解算结果一致。非线性的边界误差和测量时间相关的误差通过接收机的设计来降低和优化。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。