一种基于通用图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法技术方案

一种基于通用图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法：根据卫星导航系统跟踪通道数量，将每个通道的跟踪任务划分到通用图形处理器的区块进行处理，同时根据系统采样率N和通用处理器处理字长L，将每L个采样点数进行比特压缩并划分到一个通用处理器的线程进行处理；对于码相位跳变点位置的L个和最后不足L个的采样点分别采用一个线程单独处理；所有线程均负责完成跟踪过程中的相关运算，过程包括数据位对齐、屏蔽掩码的计算、分段相关和矢量缩减求和四个步骤；每个区块存在一个线程根据求和结果进行跟踪环路的计算，负责调整扩频码相位、载波频率和载波相位。本发明专利技术利用通用图形处理器的并行计算能力，使卫星导航系统的跟踪运算变得高效。'

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及软件卫星导航接收机跟踪方法，尤其是涉及一种在通用图形处理器上实现的卫星导航系统信号跟踪的方法。
技术介绍
卫星导航技术的飞速发展已逐渐取代了无线电导航、天文导航等传统导航技术， 而成为一种普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性、全天候等方面取得了长足进步。 目前，世界上多个国家和地区已经建立或者正在建设全球卫星定位导航系统，具体包括美国建立的GPS系统、俄罗斯建立的GL0NASS(格鲁纳斯)系统、欧盟正在建设的“伽利略”系统和中国正在建设的北斗二代系统。因而，卫星导航系统的接收设备可能需要完成对不同卫星导航系统信号的接收和处理。在卫星导航接收机中，信号跟踪方法是卫星导航接收机最核心的算法之一。利用通用处理器，采用软件方法实现的卫星导航接收机被称为软件接收机。传统的卫星导航软件接收机通常使用CPU、DSP和ARM作为其核心处理器。其跟踪方法如图1所示，(1)获取上次记录的载波频率和码相位信息；( 读取对应载波频率和载波相位的载波；( 读取码相位对应的扩频码；(4)采用相关积分方法，计算不同延迟扩频码的I、Q支路的相关累加数值；( 使用上述数值进行环路滤波，计算新的载波频率、载波相位和码相位，并记录相关运算结果用于导航电文解算和伪距测量；(6)运行其它任务调度(如卫星捕获和定位解算)；(7)等待下一个数据块的到达。由于卫星导航系统信号跟踪过程中的相关累加运算的计算量较大，因此很多研究提出了一些方法来对相关运算进行加速。针对基于中央处理器的软件接收机通常使用比特压缩算法(参见 B. M. Ledvina，S. P. Powell, P. Μ. Kintner and M.L. Psiaki， A12-Channel Real-Time GPS Ll Software Receiver, ION-GPS 2003 和 Jiangping Deng, Ruizhi Chen and Jianyu Wang,An enhanced bit-wise parallel algorithm forreal-time GPS software receiver,GPS Solution 2010 vol. 14)、MMX 或者 SSE 指令集(参见 Charkhandeh et al. Performance Testing of a Real-Time Software-Based GPS Receiver for x86 Processors，，，ION-GNSS 2006 禾口 Gregory W. Heckler and James L. Garrison, SIMD correlator library for GNSS software receivers，，，GPS Solution 2004 vol. 10)、或者通用图形处理器(参见 Thomas Hobiger et al，“A GPU based real-time GPS software receiver，，，GPS Solution 2010, vol. 14 禾口 Cailun Wu et al, “The Optimized Method and Algorithms in the PC-Based GNSS Software Receiver Design, ION-GNSS 2009)来进行跟踪过程中信号相关运行的加速。根据文献Riedl，Bernhard，“EfficientGNSS Signal Acquisition with Massive Parallel Algorithms using OpenCL on GPUsION-GNSS 2010，目前上述算法能够在目前高端的CPU处理器(Intel Core i7处理器)上实现20个通道的20MHz采样信号的跟踪运算，但仍然不足采用软件接收机的方法实现多卫星导航系统的多通道同时跟踪。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服现有技术的不足，提出一种基于图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法，该方法在图形处理器上使用比特压缩技术，能够将比特压缩算法的优点和图形处理器的并行计算性能进行结合，提高卫星导航系统跟踪算法的性能。本专利技术的技术解决方案一种基于图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法，包括以下步骤(1)由接收机处理器负责生成或者读取载波相位查找表、扩频码查找表，并将传递到通用图形处理器中；(2)接收机处理器读取需要进行跟踪的卫星导航系统中频信号，并将其传递到通用图形处理器的全局内存中；(3)接收机处理器读取需要进行跟踪的各个通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息、卫星编号信息，并将其传递到通用图形处理器的全局内存中；(4)根据跟踪任务划分区块，根据采样率和通用处理器处理字长划分线程，启动通用处理器处理程序，并将线程划分为数据交换线程(组)、相关计算线程和环路计算线程三类功能；(5)各个通道的数据交换线程(组)至少负责获取本通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息、卫星编号，并存储在本通道的存储器中；(6)各个通道的相关运算线程根据本通道的扩频码相位信息、载波相位信息和载波频率信息，负责进行跟踪相关运算；(7)环路计算线程负责计算DLL、PLL/FLL、载噪比等信息，并将上述结果保存在本通道的存储器中；然后回到步骤( 直到步骤( 所读取的中频信号处理完毕；(8)各个通道的数据交换线程(组)至少负责将本通道的扩频码相位、载波相位、 载波频率信息、跟踪处理结果存储在图形处理器的全局存储器中；(9)接收机处理器负责将各个通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息、跟踪处理结果从通用图形处理器存储器中取回后，继续完成卫星导航其他捕获、解码和定位等处理任务；所述的步骤中根据跟踪任务划分区块、根据系统采样率和通用处理器处理字长划分线程，并将线程划分为数据交换线程、相关计算线程和环路计算线程三类的步骤如下(a)划分区块数量为跟踪通道数量的整数倍；(b)划分线程数量的基数为扩频码周期的采样点数和通用处理器字长除法取整 (N/L)，其中N为每扩频码周期采样点个数，L为通用处理器字长。同时在码相位跳变点位置多划分一个线程、对于采样率不是通用处理器处理字长整数倍的情况，再多划分一个线程。 当每扩频码周期采样点为N个，通用处理器处理字长为L个。当N为L的整数倍时，划分线程数量为Ν/L+l ；当每扩频码周期采样点为N个，通用处理器处理字长为L个。当N不为L 的整数倍时，划分线程数量为N/L+2 ；(c)从划分的线程中选择一个或者多个线程作为数据交换线程(组)，该线程的功能是实现接收机处理器和通用图形处理器之间的数据交换功能，每个线程负责传送本通道的一个或者几个交换数据；(d)所有线程均属于相关计算线程，这些线程都将参与跟踪过程中的相关运算；(e)从划分的线程中选择一个线程作为环路计算线程，该线程的功能是负责导航接收机跟踪环路及其参数的计算，包括但不限于PLL跟踪环路、DLL跟踪环路、FLL跟踪环路和EKF跟踪环路、跟踪通道的信号载噪比等；所述的步骤(6)中跟踪相关运算步骤包括(a)根据本通道的扩频码相位信息，确定本线程处理的采样点。对于跳变点之前 (含跳变点)的线程t，处理的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于通用图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法，其特征在于步骤如下：（１）由接收机处理器负责生成或者读取载波相位查找表、扩频码查找表，并将传递到通用图形处理器中；（２）接收机处理器读取需要进行跟踪的卫星导航系统中频信号，并将中频信号传递到通用图形处理器的全局内存中；（３）接收机处理器读取需要进行跟踪的各个通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息和卫星编号信息，并将扩频码相位、载波相位、载波频率信息和卫星编号信息传递到通用图形处理器的全局内存中；（４）根据跟踪任务划分区块、采样率和通用处理器处理字长划分线程，并将线程划分为数据交换线程、相关计算线程和环路计算线程三类；（５）各个通道的数据交换线程至少负责获取本通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息和卫星编号，并存储在本通道的存储器中；（６）各个通道的相关运算线程根据本通道的扩频码相位信息、载波相位信息和载波频率信息，负责进行跟踪相关运算；（７）环路计算线程负责计算ＤＬＬ、ＰＬＬ／ＦＬＬ和载噪比信息，并将上述结果保存在本通道的存储器中；然后回到步骤（５）直到步骤（２）所读取的中频信号处理完毕；（８）各个通道的数据交换线程至少负责将本通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息、跟踪处理结果存储在图形处理器的全局存储器中；（９）接收机处理器负责将各个通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息和跟踪处理结果从通用图形处理器存储器中取回后，继续完成卫星导航其他捕获、解码和定位处理任务。...

【技术特征摘要】
1.一种基于通用图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法，其特征在于步骤如下(1)由接收机处理器负责生成或者读取载波相位查找表、扩频码查找表，并将传递到通用图形处理器中；(2)接收机处理器读取需要进行跟踪的卫星导航系统中频信号，并将中频信号传递到通用图形处理器的全局内存中；(3)接收机处理器读取需要进行跟踪的各个通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息和卫星编号信息，并将扩频码相位、载波相位、载波频率信息和卫星编号信息传递到通用图形处理器的全局内存中；(4)根据跟踪任务划分区块、采样率和通用处理器处理字长划分线程，并将线程划分为数据交换线程、相关计算线程和环路计算线程三类；(5)各个通道的数据交换线程至少负责获取本通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息和卫星编号，并存储在本通道的存储器中；(6)各个通道的相关运算线程根据本通道的扩频码相位信息、载波相位信息和载波频率信息，负责进行跟踪相关运算；(7)环路计算线程负责计算DLL、PLL/FLL和载噪比信息，并将上述结果保存在本通道的存储器中；然后回到步骤( 直到步骤( 所读取的中频信号处理完毕；(8)各个通道的数据交换线程至少负责将本通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息、跟踪处理结果存储在图形处理器的全局存储器中；(9)接收机处理器负责将各个通道的扩频码相位、载波相位、载波频率信息和跟踪处理结果从通用图形处理器存储器中取回后，继续完成卫星导航其他捕获、解码和定位处理任务。2.根据权利要求1所述的一种基于通用图形处理器的卫星导航系统比特压缩跟踪方法，其特征在于所述的步骤(4)中根据跟踪任务划分区块、根据系统采样率和通用处理器处理字长划分线程，并将线程划分为数据交换线程、相关计算线程和环路计算线程三类的步骤如下(a)划分区块数量为跟踪通道数量的整数倍；(b)划分线程数...

【专利技术属性】
技术研发人员：金天，刘杨，秦红磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11