实时宽带导航接收机基带处理技术研究与实现

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题的研究背景和目的 (1)

1.2 课题研究现状 (3)

1.3 论文的主要内容与章节安排 (5)

第二章 GNSS接收机原理和实现架构 (6)

2.1 GNSS信号 (7)

2.1.1 载波 (8)

2.1.2 扩频码 (8)

2.1.3 导航电文 (11)

2.2 GNSS接收机设计原理 (12)

2.2.1 天线与射频前端处理模块 (12)

2.2.2 基带信号处理模块 (13)

2.2.3 定位解算模块 (14)

2.2.4 软件接收机 (14)

2.3 实时干扰监测软件接收机架构设计 (15)

2.4 GPU的编程模型 (17)

2.5 本章小结 (18)

第三章快速捕获技术实现 (20)

3.1 捕获模块经典设计 (20)

3.1.1 捕获原理 (20)

3.1.2 线性搜索 (21)

3.1.3 并行码相位搜索 (22)

3.2 并行捕获模块的设计和优化 (23)

3.2.1 并行捕获模块的初步设计 (24)

3.2.2 程序优化分析 (25)

3.3 并行捕获模块的实时性能分析 (28)

3.3.1 单精度浮点运算能力分析 (28)

3.3.2 PCI-E带宽与显存带宽分析 (29)

3.4 捕获模块实时性能测试 (30)

3.4.1 程序运行环境 (30)

3.4.2 捕获结果正确性验证 (30)

3.4.3 实时性能测试 (31)

3.5 本章小结 (35)

第四章实时比特同步技术实现 (36)

4.1 比特同步原理 (36)

4.2 并行比特同步模块设计 (38)

V

万方数据

4.2.1 载波生成模块的GPU并行加速 (39)

4.2.2 信号解扩的GPU并行加速 (41)

4.2.3 信号和载波相干的GPU并行加速 (41)

4.2.4 NH码与信号相关积分的GPU并行加速 (43)

4.2.5 NH码相位与多普勒频移的二维搜索 (45)

4.3 比特同步模块的实时性能分析和测试 (45)

4.3.1 比特同步计算量分析 (45)

4.3.2 比特同步的PCI-E带宽与显存带宽分析 (46)

4.3.3 比特同步实时性能的测试 (47)

4.4 本章小结 (48)

第五章实时跟踪技术实现 (50)

5.1 跟踪模块原理 (50)

5.1.1 锁相环 (50)

5.1.2 载波跟踪环 (51)

5.1.3 码跟踪环 (52)

5.1.4 载波环与码环的组合 (53)

5.2 并行跟踪模块设计 (54)

5.2.1 载波生成模块的GPU并行加速 (54)

5.2.2 载波剥离模块的GPU加速 (55)

5.2.3 码生成模块的GPU加速 (56)

5.2.4 信号与C/A码相关的GPU加速 (58)

5.3 跟踪模块的实时性能分析和测试 (60)

5.3.1 跟踪模块的计算量分析 (60)

5.3.2 跟踪模块的PCI-E带宽与显存带宽分析 (60)

5.3.3 跟踪模块实时性能测试 (61)

5.4 本章小结 (63)

第六章总结与展望 (64)

6.1 主要工作与创新点 (64)

6.2 后续研究工作 (64)

参考文献 (66)

致谢 (69)

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 (70)

VI

万方数据

图录

图1-1 城市环境下的卫星多径信号 ---------------------------------------------------------- 2图1-2 转发式干扰信号 ------------------------------------------------------------------------- 2图2-1 卫星定位原理图 ------------------------------------------------------------------------- 6图2-2 BDS卫星信号的调制与解调 ---------------------------------------------------------- 7图2-3北斗卫星各频点导航信号频谱分布-------------------------------------------------- 8图2-4 北斗卫星C/A码发生器的结构------------------------------------------------------- 9图2-5北斗2号卫星伪码的自相关函数--------------------------------------------------- 10图2-6第2、3号卫星伪码的互相关函数 ------------------------------------------------- 10图2-7 GNSS接收机组成---------------------------------------------------------------------- 12图2-8 多普勒频移的二级搜索 -------------------------------------------------------------- 13图2-9非实时软件接收机结构框图 --------------------------------------------------------- 15图2-10实时软件接收机结构框图 ---------------------------------------------------------- 15图2-11自主设计的基于CPU/GPU的实时软件接收机架构 -------------------------- 17图2-12 CUDA编程模型 ---------------------------------------------------------------------- 18图3-1捕获的二维搜索 ------------------------------------------------------------------------ 21图3-2线性搜索的捕获算法 ------------------------------------------------------------------ 22图3-3并行码相位搜索的捕获算法 --------------------------------------------------------- 23图3-4相干积分时间选取 --------------------------------------------------------------------- 24图3-5捕获并行化 ------------------------------------------------------------------------------ 25图3-6线程计算的元素个数的比较 --------------------------------------------------------- 26图3-7各频率依次捕获和同步捕获比较--------------------------------------------------- 27图3-8一种满足合并访问条件的策略------------------------------------------------------ 28图3-9 GPU捕获结果 -------------------------------------------------------------------------- 31图3-10 捕获内部降采样---------------------------------------------------------------------- 34图4-1 北斗非GEO卫星信号结构---------------------------------------------------------- 36图4-2 NH码的自相关特性 ------------------------------------------------------------------- 37图4-3 比特同步的框图 ----------------------------------------------------------------------- 37图4-4 载波生成的grid设计 ----------------------------------------------------------------- 39

VII

万方数据

图4-5 信号解扩的grid设计 ----------------------------------------------------------------- 41图4-6 载波与信号相关 ----------------------------------------------------------------------- 42图4-7 规约求和原理 -------------------------------------------------------------------------- 43图4-8 信号与NH码相干原理 -------------------------------------------------------------- 44图4-9 比特同步的二维搜索结果 ----------------------------------------------------------- 47图4-10 比特同步的NH码相位------------------------------------------------------------- 47图4-11 比特同步的多普勒频移------------------------------------------------------------- 48图5-1 锁相环结构图 -------------------------------------------------------------------------- 51图5-2 载波环结构图 -------------------------------------------------------------------------- 52图5-3 码环的典型结构 ----------------------------------------------------------------------- 52图5-4 C/A码相关峰的不同位置 ------------------------------------------------------------ 53图5-5 跟踪模块框图 -------------------------------------------------------------------------- 53图5-6 载波生成的grid设计 ----------------------------------------------------------------- 54图5-7 载波剥离的grid设计 ----------------------------------------------------------------- 56图5-8 C/A码的grid设计 --------------------------------------------------------------------- 57图5-9 码相关的grid设计 -------------------------------------------------------------------- 59图5-10 跟踪模块的鉴相输出---------------------------------------------------------------- 62图5-11 跟踪模块的载波多普勒估计值---------------------------------------------------- 62

VIII

万方数据

表录

表2-1 BDS载波频率和调制方式 ------------------------------------------------------------- 8表3-1 CPU版本捕获模块运行时间 -------------------------------------------------------- 31表3-2 不同线程计算点数的计算时间 ----------------------------------------------------- 32表3-3 不同访存策略的计算时间 ----------------------------------------------------------- 33表3-4 CPU和GPU的捕获结果比较------------------------------------------------------- 34表3-5 不同降采样因子下的计算时间 ----------------------------------------------------- 34表4-1 GPU载波生成时间 -------------------------------------------------------------------- 40表4-2 载波查询表 ----------------------------------------------------------------------------- 40表4-3 信号解扩的计算时间 ----------------------------------------------------------------- 41表4-4 载波与信号相干积分的计算时间 -------------------------------------------------- 43表4-5 比特同步各模块的计算时间 -------------------------------------------------------- 48表5-1 载波生成的计算时间 ----------------------------------------------------------------- 55表5-2 载波剥离的计算时间 ----------------------------------------------------------------- 56表5-3 扩频码生成的计算时间 -------------------------------------------------------------- 57表5-4信号与C/A码相关的计算时间 ----------------------------------------------------- 59表5-5跟踪主要模块的计算时间 ------------------------------------------------------------ 62

IX

万方数据