【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于嵌入式系统，尤其涉及一种基于fpga的大地水准面差距计算系统。
技术介绍
1、在物理学和工程学的多个领域中，尤其是在解决与球坐标系相关的问题时，缔合勒让德函数在地球物理学中尤为重要，因为它们用于表达地球重力场的球谐展开。随着地球重力场模型精化的不断推进，对于能够精确计算高阶次缔合勒让德函数的需求日益增加。其中，缔合勒让德函数的标准前向行推法主要应用于地球重力场模型的计算以及其他涉及球谐函数分析的领域。
2、在已有的传统计算缔合勒让德函数中，缔合勒让德函数只能在计算机中实现，并且标准前向行推法随着阶次的增加，所需的存储空间会迅速增长，可能导致内存使用效率低下，特别是对于极高阶次的计算。标准前向行推法在计算过程中可能会受到计算精度的限制，特别是在处理高阶的函数时，这意味着在某些情况下，该方法可能无法提供足够精确的结果。当计算高阶次缔合勒让德函数时，标准前向行推法可能会遇到数值稳定性的问题，这是因为随着阶次的增加，所需的计算量和中间值的累积可能会导致数值误差的放大。而通过本专利技术在fpga上成功实现缔合勒让德函数的标准前向行推法可以实现以上传统计算缔合勒让德函数的标准前向行推法的不足，达到节约存储空间提高内存使用效率、提高计算精度等目的。
3、缔合勒让德函数在地球重力场对大地水准面差距的具体应用领域中，扮演着至关重要的角色。大地水准面差距计算中需要广泛运用到缔合勒让德函数，大地水准面差距的计算需要利用地球重力场模型来确定。而且随着模型阶次的增加，用来表达地球重力场的缔合勒让德函数的计算量会急剧上
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于fpga的大地水准面差距计算系统。本专利技术在fpga上实现缔合勒让德函数的标准前向行推法，能够解决高性能数值计算领域的问题，能够实现超高阶缔合勒让德函数值的精确和高效计算。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于fpga的大地水准面差距计算系统，基于fpga开发板实现，且采用流水线设计模式，所述系统包括：
3、模型构建模块，用于基于地球重力场的球谐展开理论，确定大地水准面差距模型；其中，所述大地水准面差距由球谐系数和对应的缔合勒让德函数表示；
4、数据采集模块，用于采集检测点的重力场观测数据和地球椭球参数，并将其通过坐标转换方法转换为地心余纬、地心经度和地心向径；其中，所述重力场观测数据包括卫星重力测量数据和地面重力测量数据；
5、迭代控制模块，用于负责生成和管理整个递推过程的迭代序列并精准控制第一计算模块执行缔合勒让德函数标准前向列推法的递推计算过程，以确保缔合勒让德函数的整个递推过程按照预设的顺序高效进行；该迭代控制模块通过使用状态机和计数器协同工作，以共同控制迭代过程的进行；该迭代控制模块根据输入的参数动态调整迭代次数和步长参数，以适应不同计算场景的需求；该迭代控制模块通过采用流水线设计模式对输入数据进行冗余计算并在各个分级插入寄存器暂存中间数据，确定缔合勒让德函数的数据流信息和/或控制流信息；
6、第一计算模块，用于根据数据流信息和/或控制流信息，采用流水线设计模式和分布式方法将缔合勒让德函数的标准前向行推计算分配到fpga上，使用fpga内部的存储资源作为数据缓存，以便中间结果的快速存取，输入暂存中间数据，利用fpga的并行处理能力执行缔合勒让德函数的标准前向行推计算过程，并行处理多个计算任务，包括多项式的乘法、加法和除法操作，以完成缔合勒让德函数的并行计算；
7、结果选取模块，用于根据迭代控制模块的指示在第一计算模块的并行计算结果中选取对应的缔合勒让德函数值；该结果选取模块设有多路选择器和缓冲区，以便实时存储和输出所需的并行计算结果；和
8、第二计算模块，用于根据数据采集模块采集到的数据和结果选取模块输出的缔合勒让德函数结果计算模型构建模块所构建的大地水准面差距模型，获取目标检测点的大地水准面差距。
9、进一步地，所述大地水准面差距模型为大地水准面与参考椭球面之间的距离，对大地水准面差距cj，根据布隆斯公式cj＝tγ，则有：
10、
11、式中，cj为大地水准面差距，θ为地心余纬，r为地心向径，λ为地心经度，gm为引力常数与地球质量的乘积，为完全规格化的n阶m次缔合勒让德函数，即n为截断阶数，n为最大横断阶数，m为级次，γ为正常重力值，a为地球长半轴，系数通过现代观测技术精确求出，分别为n阶m次、2n阶m次完全正规化的重力场模型位系数。
12、进一步地，所述第一计算模块具体通过如下子步骤实现：
13、(1.1)第一计算模块接收到计算开始信号后，将缔合勒让德函数的递推公式的起算值、地心余纬、截断阶数和级次数据写入到第一计算模块中，对冗余量m+1、n+m+1、n-m、n+m+2、n-m-1进行先行计算；
14、(1.2)接收到先行计算值计算完成的信号后，基于步骤(1.1)的先行计算结果，开始进行标准前向行推的具体计算，对截断阶数n和级次m的大小进行判断：当级次m大于截断阶数n时，第一计算模块直接输出0，并返回开始状态更新截断阶数；当级次m小于等于截断阶数n时，直接执行步骤(1.3)；
15、(1.3)对级次m进行判断检测，判断级次m是否等于截断阶数n，若级次m等于截断阶数n，则选择缔合勒让德函数的第一计算方式进行计算；否则，选择缔合勒让德函数的第二计算方式进行计算；
16、(1.4)将步骤(1.3)计算完成的数值传递给寄存器，然后进行下一次更新计算。
17、进一步地，所述缔合勒让德函数的第一计算方式具体为：
18、
19、式中，为完全规格化的n阶m次缔合勒让德函数，即n为截断阶数，m为级次，此时，m＝n；θ为地心余纬，u＝sinθ；
20、所述缔合勒让德函数的第二计算方式具体为：
21、
22、式中，为完全规格化的n阶m次缔合勒让德函数，即n为截断阶数，m为级次，此时，m<n；θ为地心余纬，u＝sinθ，t＝cosθ，gnm提前单独计算作为系数调用，hnm提前单独计算作为系数调用，
23、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
24、(1)本专利技术在fpga开发板上实现标准前向行推法，具体是将缔合勒让德函数的标准前向行推法映射到fpga上，并在fpga本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FPGA的大地水准面差距计算系统，其特征在于，基于FPGA开发板实现，且采用流水线设计模式，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的大地水准面差距计算系统，其特征在于，所述大地水准面差距模型为大地水准面与参考椭球面之间的距离，对大地水准面差距CJ，根据布隆斯公式CJ＝Tγ，则有：
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的大地水准面差距计算系统，其特征在于，所述第一计算模块具体通过如下子步骤实现：
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的大地水准面差距计算系统，其特征在于，所述缔合勒让德函数的第一计算方式具体为：
【技术特征摘要】
1.一种基于fpga的大地水准面差距计算系统，其特征在于，基于fpga开发板实现，且采用流水线设计模式，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的基于fpga的大地水准面差距计算系统，其特征在于，所述大地水准面差距模型为大地水准面与参考椭球面之间的距离，对大地水准面差距cj，根...
【专利技术属性】
技术研发人员：王庆宾，方宇翔，杨逸超，李建文，甘兴利，姚芳，孔乾坤，
申请(专利权)人：浙江科技大学，
类型：发明
国别省市：
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