GNSS信号软件处理关键技术研究

作     者：牟卫华 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：博士

导师姓名：欧钢

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 081201[工学-计算机系统结构] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：信号仿真 软件接收机 并行计算 图形处理单元 统一计算设备架构 

摘      要：随着计算机技术的发展,多核CPU处理器运算能力显著增强,GPU通用计算将GPU应用到工程计算领域,并行计算将计算能力从单个处理器扩展到多个处理器,完全基于通用处理器(General Purpose Processor,GPP)的GNSS信号模拟与接收软件实时处理条件逐渐成熟。目前GNSS软件信号处理领域使用的算法大都是串行算法,简单移植到并行环境下,不能充分发挥并行硬件的运算能力。本文根据并行计算的硬件特点和并行计算编程模型,对导航信号生成与信道模拟仿真并行处理技术以及导航信号捕获与相关并行处理技术展开研究,具体内容如下:(1)传统的高动态扩频信号DDS生成方法中,每个采样点计算依赖于前一个点,不能够并行化计算,仿真运算实时性差,针对该问题,本文提出了一种基于多项式插值瞬时相位计算的高动态信号并行仿真算法,引入瞬时相位概念,由动态参数和当前时间计算瞬时伪码相位和瞬时载波相位,各采样点的计算彼此不相关,能够将仿真信号组织成多维的数据结构并行计算,提高了信号仿真的实时性。仿真验证结果表明,该算法在GPU上仿真1秒钟100MSPS采样率的信号,仿真与传输耗时384ms,与4线程CPU串行仿真相比,显著提高了仿真速度。(2)针对长周期伪码扩频信号的捕获问题,提出了基于GPU的部分相关码相位空间全局直接捕获算法,利用FFT实现线性部分相关,并行搜索伪码相位,在GPU中加速FFT运算,显著提高了长码捕获的速度。试验结果表明,运用该方法捕获载噪比大于42.7dB?Hz,时间不确定范围±1s,频率不确定范围±5kHz的长码信号,耗时约3s,与在32线程CPU上实现相比,显著提高了捕获速度。(3)为了降低数据处理的规模和存储要求,适应不同性能的GPU,同时有利于多核处理器对数据进行并行任务处理,充分发挥多核的并行处理优势,提出了一种基于GPU的分段部分重叠局部相关长码直接捕获方法,该方法对输入数据分段划分,利用GPU批处理分段数据FFT运算,显著提高了长码捕获的速度。(4)针对长码的频域搜索,提出了一种基于分段相关值相位差精化频率搜索精度的方法,该方法利用两个分段相关值序列计算出相位变化量,估计信号多普勒频率,与具体窗函数无关,仿真结果表明,基于分段相关值相位差精化频率搜索精度方法,估计精度显著优于补零DFT方法和基于窗函数频谱特性估计多普勒频率的方法。(5)针对扩频信号相关计算,引入向量概念,建立了一种基于向量内积的并行相关模型,利用GPU以及向量内积算法并行计算相关值,发挥了GPU的并行运算潜力,提高了扩频信号相关运算的实时性,使用向量空间的概念来分析导航信号相关接收带来了诸多方便。(6)建立了一种基于矩阵向量运算的扩频信号并行多相关计算模型,利用矩阵向量乘法并行计算多个不同伪码延迟相关值,提高了信号多相关器运算的实时性,能够实现扩频信号软件多相关器实时计算。(7)针对延迟多普勒二维合成多相关器的软件计算实时性问题,提出了一种伪码延迟维度和多普勒维度两级并行加速算法,对于伪码延迟维度的多相关值计算,采用基于GPU向量运算的多相关计算方法加速伪码延迟维度运算,采用对部分相关值序列FFT方法并行加速多普勒维度多相关值计算。通过在两个维度并行加速,提高了延迟多普勒二维合成多相关器软件计算的实时性。(8)针对软件接收机几十个通道相关计算的实时性问题,建立了一种基于矩阵向量运算的多导频通道软件并行相关接收模型,利用矩阵向量乘法并行计算各个卫星导频通道相关值,提高了卫星导航信号多导频通道相关运算的实时性,仿真验证结果表明,利用该算法计算25MSPS采样率时长1ms的信号相关值,25个通道共150个相关运算耗时967us,与在32线程的CPU上基于MKL(Intel Math Kernel Library)的实现相比显著加快了相关运算的速度。论文研究成果已经应用到卫星有效载荷模拟器以及地面检测系统,相关方法也可应用于导航信道模拟系统、地面运控系统信号收发设备、信号质量监测与评估系统以及GNSS反射信号处理(GNSS-R)等设备的软件实时信号处理。