[发明专利]一种基于GPU的卫星导航信号并行模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU的卫星导航信号并行模拟方法，以解决卫星导航技术领域的测试信号产生过程中计算速度慢的问题，这种方法采用CPU+GPU的混合异构计算模式，引入GPU作为信号合成的加速部件，配合CPU共同完成程序运行。其中CPU负责用户数据读取、可见星判断、模型计算等功能，GPU负责高采样率下传播时延计算、查表计算、信号相乘与累加等功能。在内存优化上，扩频码和导航电文使用纹理内存，三阶变化率参数和稀疏采样传播时延使用常量内存，加速了程序的内存访问速度。最终，提高了卫星导航信号模拟的速度。

技术领域

本发明涉及一种基于GPU加速的卫星信号模拟源实现方法，属于卫星导航与测试领域。

背景技术

随着卫星导航技术的日益普及和广泛应用，对相关的产品研制测试评估的提出了更高要 求，卫星导航信号模拟源已经成为重要的测量设备。传统卫星导航信号模拟方法主要有两种： 一种是纯硬件组合的卫星导航模拟源，这种模拟源性能稳定，但是成本高，不易于维护和升 级；另一种是上位机软件与播放硬件组合的模拟源，具有低成本、易升级、可便携的优点。 对于第二种模拟源方案，其大致实现流程为：上位机软件生成中频信号文件，播放硬件读取 该文件并将中频信号上变频至射频信号，最终通过天线播放。其中，中频信号文件生成是卫 星导航信号模拟源的核心技术，在该过程中需要庞大的运算量来生成信号，这给CPU带来了 极大的运行负担，大大降低了模拟源的使用效率，导致传统上位机软件在信号采样率、处理 速度、计算精度等方面难以满足复杂的应用需求。

自GPU发布以来，一直保持着高速发展的状态，目前，GPU可以提供数十倍甚至上百倍 于CPU的浮点计算性能。因此，GPU在很多工程领域获得了应用，它能够大幅度提升工程计 算的效率。本发明利用GPU的大规模并行计算能力，实现了高效率的卫星导航信号模拟方法， 提升了卫星导航信号生成速度和效率。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种高效率的卫星导航信号模拟方法，使用GPU对模拟运算进 行加速，降低了卫星导航模拟源成本；同时提升了卫星导航信号生成速度和采样率。

技术方案：采用CPU+GPU的混合异构计算模式，引入GPU作为信号合成的加速部件，配 合CPU共同完成程序运行。其中CPU负责程序总体调度和包含复杂逻辑的算法运算，GPU负 责可并行化的大规模数据计算，根据硬件特性予以适当优化，步骤如下：

(1)CPU读取起始参数和初始化信息，包含模拟信号时长、模拟坐标、导航电文等数据；

(2)以模拟坐标作为站心坐标系原点，排除仰角低于10°的卫星，并生成可见星扩频码；

(3)根据可见星排除结果，在CPU上计算每颗可见星的数据，生成稀疏采样时刻的信号 传输时延和三阶变化率参数；

(4)在GPU上开辟输入参数的空间，并将步骤(2)、(3)得到的数据从内存传入GPU显存，稀疏采样时刻信号传播时延和三阶变化率参数存入常量内存，可见星扩频码和导航电 文存入二维纹理内存；

(5)设计GPU线程，步骤(6)(7)(8)的核函数均采用此线程结构。即：N个并行线 程块组成，每个线程块均为2维，每个线程块由N_CH×M个线程组成；

(6)调用核函数，结合稀疏采样时刻信号传输时延和三阶变化率参数，完成所有信号采 用时刻的传输时延计算；

(7)根据步骤(6)的计算结果确定信号的码相位和载波多普勒，并生成模拟中频信号 存在GPU显存中；

(8)将多颗星的模拟中频信号相加，合成为一个信号，经过量化后将数据回传本地内存；

(9)CPU将数据写入文件并通过主函数判断信号是否生成完毕，如果没有，回到步骤(4) 继续循环；如果完成，则程序结束，并释放GPU上开辟的内存空间。

有益效果：