[发明专利]一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法及其系统，属于导航技术领域。

背景技术

目前，随着GNSS定位技术的推广和普及，GNSS接收机用户数量正在大幅度增加，从技术上来讲GNSS接收机的研究主要包括GNSS硬件技术的研究和GNSS软件技术的研究。随着GNSS接收机的软件化程度日益加深，纯软件化的实时GNSS接收机目前也正日益发展。更由于GNSS软件接收机具有的可扩展性强、灵活性高的优点，越来越受到国内外研究机构的青睐。

GNSS软件接收机传统的解算方法有很多，以GPS软件接收机为例，方法大致是：GPS天线首先接收GPS L1频段的射频信号，利用降频模块将其从1575．42MHz降到数100MHz以内的基带范同内，以便数字处理器进行解算；然后，PC将AD转换后的基带数字信号进行全集、存储。最后，通过在PC端运行相应的解算程序，对已存储的GPS采样信号进行捕获、跟踪，实现对伪距和导航星历的解算输出，确定接收机的位置信息。对GPS中频数字信号进行跟踪，其实质是对一系列庞大的数字序列进行相关运算。这一系列运算给单一CPU处理器造成了极大的运行负担，以至于不得不降低采样频率来克服处理速度慢的缺点．因此，传统的设计方法对GNSS软件接收机定位算法的运行速度、数据处理精度以及实时性方面存在一定的缺陷。

鉴于传统软件固有的串行编程特点，在目前所有的软件接收机实现方案中，都不可避免的采用轮询计算的方式来解算和得到测距与导航信息。即使采用了多线程技术，也只能在一定程度和层次上改善系统的并行性。硬件接收机方面不管是应用定制电路或ASIC以及FPGA都是以纯并行的方式实现的，这极大改善了系统的健壮性；而反观软件接收机，特别是串行编程的系统无不是通过单纯提高系统CPU运行速度来提高系统计算性能，这种做法对于系统保持最终产品的最佳性价比无疑是无益的。特别是对于卫星导航而言，接收机需要同时跟踪和测量多颗卫星才能实现精确定位导航。因此多通道并行接收是必须的前提条件。

目前GPU系统，正好具备多核流式处理能力，能极大满足实时并行计算任务的需求。自1999年第一款GPU以来，GPU就一直保持高速发展。各GPU制造厂商也推出了一系列并行计算软硬件体系，希望未来的GPU能在高性能通用计算中占据一席之地。利用GPU的并行计算引擎能比CPU更高效的解决复杂计算任务。在很多工程领域GPU计算获得了广泛应用，使工程计算获得几倍、甚至几十倍的加速比。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法及其系统，弥补硬件接收机系统灵活性差、黑盒操作、不支持多种导航卫星信号制式等缺点；同时增强软件接收机处理速度及精度，降低软件接收机成本。使得GNSS软件接收机能够实时跟踪多通道的导航卫星信号。

技术方案：一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法，在CPU-GPU上构建多通道载波跟踪环和伪码跟踪环，载波跟踪环采用COSTAS环路，伪码跟踪环采用非相干延迟锁相环；其中，CPU负责数据读取、环路鉴相及控制等功能，而GPU负责大量数据序列的相关计算及积分求和功能。每次将一部分中频采样数据从内存传入显存，进行多通道跟踪；GPU多核在进行序列相关计算时，每个核完成多次序列对位相乘，多次序列对位相乘结果暂存在共享内存中。GPU在完成积分求和计算时，采用两级二叉树计算结构，次计算完成M个数据的求和操作；相关积分求和计算结果将从显存传入内存，CPU上的载波鉴相器和CA码鉴相器计算误差并控制本地载波相位和CA码相位做出修正，实现跟踪。

具体步骤如下：

1）CPU根据捕获到的卫星载波频率和CA码相位结果分别初始化N个通道的载波频率值和码相位值；

2）CPU上的CA码生成模块通过循环移位的方法生成所有被跟踪卫星信号的伪码；

3）在GPU显存中开辟一段空间，并将所有被跟踪卫星信号的伪码从内存中传入GPU显存中；在GPU显存中另外开辟一段空间，为存放中频采样数据预留；

4）CPU根据载波频率、中频采样速率及码片速率初始化载波步长和伪码步长；

5）为同时跟踪N个通道的卫星1毫秒信号，CPU根据码相位计算出需要处理中频采样数据的长度；

6）CPU将中频采样数据从内存传入显存，在GPU上分配M₁个并行块，每个并行块分配M₂个并行线程；