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CN106597489B - 一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法 - Google Patents

一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法 Download PDF

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CN106597489B CN201611150155.9A CN201611150155A CN106597489B CN 106597489 B CN106597489 B CN 106597489B CN 201611150155 A CN201611150155 A CN 201611150155A CN 106597489 B CN106597489 B CN 106597489B
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Abstract

本发明属于卫星导航扩频信号接收处理领域，涉及一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法。具体步骤为(S1)将输入信号向量化；(S2)根据伪码频率fPi、伪码初始相位ρ0i以及相关间隔相位δi，生成本地伪码向量，每个通道中3个相关间隔为δi共K个通道的本地伪码向量组成本地多通道参考伪码矩阵YEPL‑K；(S3)根据多普勒频率fdi、载波相位计算生成本地多通道载波多普勒信号矩阵CK；(S4)计算本地多通道参考伪码矩阵YEPL‑K与本地多通道载波多普勒信号矩阵CK的哈达马积，得到本地参考信号矩阵YFd‑EPL；(S5)基于GPU的CUBLAS或MKL，计算本地参考信号矩阵YFd‑EPL与输入信号向量S的乘积，得到K个导频信号通道不同伪码延迟的相关值向量RK。本发明实现了卫星导航宽带多导频通道的软件实时相关接收。

Description

一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法
技术领域
本发明属于卫星导航扩频信号接收处理领域，特别是卫星导航扩频信号多通道软件接收处理方法，更具体地涉及一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法。
背景技术
在导航接收机中，接收通道计算剥离载波后的接收信号和本地不同码延迟复现码的相关值，几十个通道的相关运算对运算资源提出很高的要求，计算实时性要求高。卫星导航软件接收机多通道设计是接收机关键技术之一。新体制导航信号中导频通道上无电文调制，通道相关累积起始点没有电文边界的限制。
目前并行计算在各方面取得了很大进展，多数系统都存在一定的并行性，并行处理器已成为现代计算机的标配，多核是主流系统配置，目前桌面系统包含2～32个处理器，工程应用中需要的大量计算已经从大型计算机转移到普通电脑。英特尔数学核心函数库(MKL)包含了高度优化的基础线性代数子程序库(Basic Linear Algebra Subprograms,BLAS)，在工程计算应用领域，能够充分发挥处理器的运算性能。相比CPU，GPU(GraphicsProcessing Unit，缩写：GPU)中有更多的运算逻辑部件(Arithmetic Logic Unit,ALU)，最近几年，基于GPU的通用计算技术中由GPU负责计算大规模数据的并行计算，CUDA(ComputeUnified Device Architecture)是一种GPU上并行计算的编程框架，CUBLAS(CUDABasicLinear Algebra Subprograms)函数库是CUDA驱动程序上的子程序，针对大规模矩阵乘法运算提供最佳的运算性能。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种卫星导航多导频通道软件实时并行接收方法，解决了现有技术中导航信号多导频通道软件运算时间长的问题。本发明引入向量概念对导航扩频信号相关接收处理过程进行分析，提出了一种基于矩阵向量乘积的多导频通道软件实时并行接收算法，将输入信号向量和本地多通道参考信号矩阵批处理，利用GPU中大量的浮点运算单元以及矩阵向量乘法并行计算各个卫星导航导频通道相关值，提高了卫星导航信号导频通道运算的实时性，能够实现卫星导航宽带多导频通道的软件实时相关接收。具体技术方案如下：
一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法，包括以下步骤：
(S1)根据本地时间秒起始位置确定输入信号采样数据流的起始点，将输入信号向量化处理，把接下来相干积分时间内的N个采样数据点定义为输入信号向量S，S＝[s(0) s(1) … s(N-1)]T；T表示向量和矩阵中的转置符号，s(0)、s(1)、...、s(N-1)即为采样数据点的值。
(S2)记第i个导频信号通道的伪码频率为fPi(即：伪码标称频率与伪码多普勒频率之和)、伪码初始相位为ρ0i，信号采样频率为fs，伪码序列为PNi(n)，其中n表示伪码相位且为浮点数，本地参考伪码向量记为Yi：Yi＝[PNi(ρ0i) PNi(fPi/fs+ρ0i) … PNi(fPi(N-1)/fs+ρ0i)]T，
按照每个导频信号通道中生成3个不同伪码相位的伪码向量，设第i个导频信号通道中的相关间隔相位值为δi，则K个导频信号通道，共生成3K个本地参考伪码向量组成本地多通道参考伪码矩阵记为YEPL-K，即：
导频信号通道i的取值范围为i＝1,2，…，K。
(S3)记第i个导频信号通道的信号载波多普勒频率为fdi，载波相位为信号采样频率为fs，则相干积分时间内的本地载波多普勒信号向量记为Ci，则：
按照每个导频信号通道中生成3个载波多普勒向量，则K个导频信号通道，共生成3K个载波多普勒信号向量组成本地多通道载波多普勒信号矩阵CK，即：
(S4)计算相干积分时间内的本地多通道参考伪码矩阵YEPL-K与本地多通道载波多普勒信号矩阵CK的哈达马积(Hadamard product)，将分量对应相乘，得到本地参考信号矩阵YFd-EPL：
符号“”表示哈达马积；j为虚数单位。
(S5)基于NVIDIA公司图形处理单元(GPU)的基础线性代数子程序库(CUBLAS)或基于英特尔数学核心函数库(MKL)，通过矩阵向量乘法并行计算本地参考信号矩阵YFd-EPL与输入信号向量S的乘积，得到K个导频信号通道不同伪码延迟的相关值向量RK：
采用本发明获得的有益效果：
1、本发明引入向量的概念对导航信号接收过程进行分析，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；
2、本发明将输入信号与本地参考信号向量化后进行批处理，利用GPU中大量的浮点运算单元进行矩阵与向量运算，发挥了GPU的并行运算潜力，提高了卫星导航信号导频通道运算的实时性，实现了卫星导航宽带多导频通道的软件实时相关接收；
3、本发明通过软件并行计算多导频通道相关值的方法，相比在FPGA中实现的方法，接收通道全部算法采用PC软件编程实现，对于新体制信号的验证，修改灵活方便，可广泛应用于宽带扩频信号实时软件接收机相关接收通道。
4、本发明的算法利用新体制导航信号中导频通道上无电文调制，通道相关累积起始点没有电文边界的限制，减少了矩阵向量乘法次数，进一步提高并行运算效率和通道计算实时性。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明方法流程示意图。
实施例中将接收到的中频数字缓冲信号作为本发明的输入信号。
(S1)根据本地时间秒起始位置确定输入信号采样数据流的起始点，将输入信号向量化，把接下来相干积分时间内的N个采样数据点定义为输入信号向量S，S＝[s(0) s(1)… s(N-1)]T。实施例中相干积分时间根据接收的灵敏度等指标确定。
(S2)根据伪码频率fPi、伪码初始相位ρ0i以及相关间隔相位δi，生成本地伪码向量，每个通道中3个相关间隔为δi共K个通道的本地伪码向量组成本地多通道参考伪码矩阵YEPL-K；
(S3)根据多普勒频率fdi、载波相位计算生成本地多通道载波多普勒信号矩阵CK；
(S4)计算本地多通道参考伪码矩阵YEPL-K与本地多通道载波多普勒信号矩阵CK的哈达马积，将分量对应相乘，得到本地参考信号矩阵YFd-EPL；
(S5)基于GPU的CUBLAS或基于英特尔数学核心函数库(MKL)，通过矩阵向量乘法并行计算本地参考信号矩阵YFd-EPL与输入信号向量S的乘积，得到K个导频信号通道不同伪码延迟的相关值向量RK；
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种卫星导航多导频通道软件并行接收方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)根据本地时间秒起始位置确定输入信号采样数据流的起始点，将输入信号向量化处理，把接下来相干积分时间内的N个采样数据点定义为输入信号向量S，S＝[s(0) s(1)… s(N-1)]T；
(S2)记第i个导频信号通道的伪码频率为fPi、伪码初始相位为ρ0i，信号采样频率为fs，伪码序列为PNi(n)，其中伪码相位n为浮点数，生成本地参考伪码向量记为Yi：Yi＝[PNi(ρ0i)PNi(fPi/fs+ρ0i) … PNi(fPi(N-1)/fs+ρ0i)]T，
按照每个导频信号通道中生成3个不同伪码相位的伪码向量，设第i个导频信号通道中的间隔相位值为δi，则K个导频信号通道，共生成3K个本地参考伪码向量组成本地多通道参考伪码矩阵记为YEPL-K，即：
(S3)记第i个导频信号通道的信号载波多普勒频率为fdi，载波相位为信号采样频率为fs，则相干积分时间内的本地载波多普勒信号向量记为Ci，则：
按照每个导频信号通道中生成3个载波多普勒信号向量，则K个导频信号通道，共生成3K个载波多普勒信号向量组成本地多通道载波多普勒信号矩阵CK，即
(S4)计算本地多通道参考伪码矩阵YEPL-K与本地多通道载波多普勒信号矩阵CK的哈达马积，得到本地参考信号矩阵YFd-EPL：
其中符号表示哈达马积；
(S5)通过矩阵向量乘法并行计算本地参考信号矩阵YFd-EPL与输入信号向量S的乘积，得到K个导频信号通道不同伪码延迟的相关值向量RK：
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