CN103278829B - 一种基于gpu的并行导航卫星信号跟踪方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法及其系统，方法为：在CPU-GPU上构建多通道载波跟踪环和伪码跟踪环；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。GPU在完成积分求和计算时，采用两级二叉树计算结构；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。本发明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。
Description
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；
7）线程进入GPU并行执行，每次执行完成一个卫星1毫秒信号的跟踪；在每个并行块中的共享内存中预留足够空间用于存储载波序列、CA码序列、中频采样数据序列对位相乘结果；在寄存器为载波相位和幅度以及其他中间变量预留空间；
8）在GPU的每个线程中并行执行，计算出自身线程号，根据线程号计算对应载波幅值以及超前、滞后、同相三组CA码相位，将中频采样数据与载波的同相和正交分量分别相乘，得到两个结果，每个结果再分别与三组CA码相乘；每个线程将其计算得到的六个结果存放在共享内存中；
9）线程同步，在所有并行线程完成计算后，要对相关计算得到的六个结果序列进行积分求和；分两步进行，先计算同一并行块中所有线程的结果求和，再计算所有并行块的结果求和；
10）步骤10）和步骤11）针对六个结果序列的其中一个进行描述，其余五个操作完全相同；计算同一并行块中所有线程的结果求和，采用二叉树计算结构；为避免引起共享内存的bank conflict，每个计算周期都将共享内存中存储的前一半线程计算结果与后一半线程计算结果相加，结果暂存在共享内存中，一共个计算周期得到一个结果，将此结果传入GPU显存中；所有并行块都得到一个结果，构成一个新的暂存于显存中的结果序列；
11）将显存中的结果序列传入一个并行块的共享内存中，以同样的二叉树计算结构计算其总和，最后的到一个最终结果，此结果就是相关计算后的长序列的积分求和；
12）经过步骤10）和步骤11），共得到六个积分求和结果，从显存传入内存；
13）CPU通过COSTAS环的载波鉴相器和伪码跟踪环采用非相干延迟锁相环的CA码鉴相器计算误差信息，反馈给载波NCO和CA码NCO，从而控制本地载波相位和本地CA码相位；
14）重复步骤7）到步骤13）N次，完成N颗卫星1毫秒信号的并行跟踪；
15）积分清零，重复步骤5）到步骤14），完成下1毫秒导航卫星信号的多通道并行跟踪。
一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪系统，主要由多通道载波跟踪环和伪码跟踪环两部分构成，两者协同实现对载波频率和伪码相位的跟踪；
伪码跟踪环主要由载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块和CA码鉴相器组成。
载波跟踪环主要由载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块和载波鉴相器组成。
为了节省资源提高效率，载波跟踪环和伪码跟踪环共用载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块。
为了得到基带信号，需要对数字中频采样序列进行载波剥离和CA码剥离，所以要在本地复现同相位的载波和CA码。本地复现的载波采样序列和CA码采样序列与输入的数字中频序列三者进行对位相乘得到基带数字信号。
载波生成模块生成载波采样序列，CA码生成模块生成CA码采样序列。数字中频采样序列（射频前端采集射频信号，经过下变频到中频，对中频信号采样就得到数字中频采样序列。）先经过对位并行相乘模块进行载波剥离和CA码剥离，然后经过二叉树并行求和模块得到超前、滞后、同相六组相关值。最后由CA码鉴相器计算出CA码相位误差，控制CA码生成模块进行调整；由载波鉴相器计算出载波相位误差，控制载波生成模块进行调整以实现跟踪并持续得到基带数字信号的目的。
有益效果：本发明提供的基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法及其系统具有如下有益效果：
1）充分挖掘跟踪算法的并行性，并借助GPU强大的浮点并行运算能力，使得GPU的并行导航卫星信号跟踪算法与相比传统算法的平均加速比到达了20倍以上。
2）对适宜并行处理的大量相关计算，将其从CPU移到GPU进行操作，而CPU只负责计算量较小的数据读取环路鉴相和控制工作，两者相互配合，充分发挥了PC硬件性能，为GNSS软件接收机的实现开辟了新的方法。
3）采样多通道并行跟踪，增加了GPU每个计算核的计算密度，很好隐藏了内存和显存的数据传递时间，增加了GPU的数据带宽。
4）使用基于二叉树计算结构进行积分求和运算，将积分求和计算的时间复杂度从传统的O(n)优化到O(log2n)。
5）避免GPU共享内存产生bank conflict，加快访问共享内存速度。
6）即使在配置相对较低的个人笔记本计算机平台上，也能对40mHz的中频采样数据进行单通道实时跟踪。在NVIDIA GeForceGTX+Intel(R)Pentium(R)CPU G8402.80GHz硬件平台上测试得到结果：单通道加速比达到11.6，而8通道加速比20.4。证明随着通道个数的增多，加速比会进一步增加，说明GNSS多频信号在GPU上并行处理非常合适的。
7）在NVIDIA GeForce GTX+Intel(R)Pentium(R)CPU G8402.80GHz平台上8通道并行跟踪37秒40mHz的中频采样数据共用时86.9秒。预示着随着显卡浮点运算能力进一步提高，能对多通道GNSS高中频信号进行实时处理的软件接收机将成为现实。
8）相比硬件接收机的跟踪系统具有灵活性好、易于升级、支持多种导航卫星信号制式等优势，相比传统软件接收机的跟踪系统具有成本低、速度快、能够处理较高采样率的中频数据等优点。
9）随着我国北斗二代系统的部署，该发明能够作为新型定位算法的验证和研发平台，推动高动态、高精度导航卫星信号处理方法的发展，具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的跟踪系统结构框图；
图2为本发明实施例的并行跟踪方法的流程图；
图3为本发明实施例的线程并行完成序列对位相乘原理图；
图4为本发明实施例的二叉树计算结构原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，基于GPU的并行导航卫星信号跟踪系统，主要由多通道载波跟踪环和伪码跟踪环两部分构成，两者协同实现对载波频率和伪码相位的跟踪；
伪码跟踪环主要由载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块和CA码鉴相器组成。
载波跟踪环主要由载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块和载波鉴相器组成。
载波跟踪环和伪码跟踪环共用载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块。
载波生成模块生成载波采样序列，CA码生成模块生成CA码采样序列。数字中频采样序列先经过对位并行相乘模块进行载波剥离和CA码剥离，然后经过二叉树并行求和模块得到超前、滞后、同相六组相关值。最后由图1中接收机处理器（接收机处理器包含CA码鉴相器和载波鉴相器，用于计算CA码相位误差和载波相位误差，控制NCO进行调整。）中的CA码鉴相器计算出CA码相位误差，控制CA码生成模块进行调整；由接收机处理器中的载波鉴相器计算出载波相位误差，控制载波生成模块进行调整。
基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法，采用GPS卫星导航信号验证。
射频前端平台采用NI的VSA（向量信号分析仪），基于PXI平台。射频前端平台完成射频信号的下变频以及A/D转化，将数字中频信号通过UDP协议传后面的信号处理平台。信号处理平台是GPS软件接收机的主体，需要能够高性能完成捕获和跟踪。GPS L1信号射频载波频率为1575.42MHz，综合考虑跟踪精度，UDP传输速度和通用CPU的处理能力，我们将中频设为10MHz左右，4倍采样率，8bits量化（40M byte/s）。
GPS软件接收机先完成捕获任务，将被捕获到的卫星载波频率和CA码相位传给本发明描述的系统，进行跟踪任务。
硬件配置如下：
CPU:Intel(R)Pentium(R)CPU G8402.80GHz
GPU:NVIDIA GeForce GTX650Ti
软件配置如下：
操作系统：Windows7
编程环境：Microsoft Visual Studio2010
GPU软件编程模型采用NVIDIA CUDA5.0
先进行初始参数的设置。
以处理1毫秒信号为一个跟踪周期，考虑到中频采样数据率40M byte/s，每1毫秒需要处理40k个中频采样数据。由于每个通道卫星的CA码相位不一致，故实际需要处理的中频采样数据约为60k～70k个。
在GPU上，每个并行块分配256个线程，一共分配中频采样数据总数（60k～70k）/256个并行块。
每个CUDA核的共享内存分配6个256个元素的float型数组。
每次CPU读取中频采样数据，并将其从内存传入显存中，对于每颗卫星，GPU计算完成后得到6个相关结果，分别是IP、IE、IL、QP、QE、QL，载波鉴相器采用CA码鉴相器采用
程序每个周期执行完成一个卫星1毫秒信号的跟踪；在每个并行块中的共享内存中预留足够空间用于存储载波序列、CA码序列、中频采样数据序列对位相乘结果；在寄存器为载波相位和幅度以及其他中间变量预留空间；
在GPU的每个线程中并行执行，计算出自身线程号，根据线程号计算对应载波幅值以及超前、滞后、同相三组CA码相位，将中频采样数据序列与载波采样序列以及CA码序列并行对位相乘法，如图3所示，结果存放在共享内存中；
线程同步，在所有并行线程完成计算后，要对相关计算得到的六个结果序列进行积分求和；
采用图4的二叉树计算结构，在第一个并行计算周期，H和I相加得到D、J和K相加得到E、L和M相加得到F、N和O相加得到G；在第二个并行周期，D和E相加得到B、F和G相加得到C；在第三个并行周期，B和C相加得到A；由此可知，一共个并行周期便可得到N个数的积分总和。
每个并行周期完成分两步进行，先计算同一并行块中所有线程的结果求和，再计算所有并行块的结果求和；
上面采用的二叉树计算结构是逻辑表示，有多种具体实现方式。为避免引起共享内存的bank conflict，每个并行计算周期都将共享内存中存储的前一半线程计算结果与后一半线程计算结果相加，结果暂存在共享内存中。如表1例子所示，有8个数进行积分求和。第一个并行计算周期计算位置（1）和位置（5）中数的和，以及位置（2）和位置（6）中数的和，以及位置（3）和位置（7）中数的和，以及位置（4）和位置（8）中数的和，得到的4个结果依次暂存在位置（1）（2）（3）（4）；同理，第二个并行计算周期计算位置（1）和位置（3）中数的和，以及位置（2）和位置（4）中数的和，得到2个结果依次存入位置（1）和（2）；第三个并行计算周期计算位置（1）和位置（2），得到最终结果存在位置（1）；当数据规模更大时依次类推；
经过积分求和后得到6个积分结果，如图2，从显存传出内存，在CPU上计算载波和CA码相位误差并做调整；
进入下一个程序执行周期并重复以上程序。
表1积分求和计算过程表
| （1） | （2） | （3） | （4） | （5） | （6） | （7） | （8） |
| （1）（5） | (2)(6) | (3)(7) | (4)(8) | ||||
| (1)(5)(3)(7) | (2)(6)(4)(8) | ||||||
| 总和 |
Claims (2)
1.一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪方法，其特征在于，包括步骤如下：
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；
7)线程进入GPU并行执行，每次执行完成一个卫星1毫秒信号的跟踪；在每个并行块中的共享内存中预留足够空间用于存储载波序列、CA码序列、中频采样数据序列对位相乘结果；在寄存器中为载波相位和幅度以及其他中间变量预留空间；
8)在GPU的每个线程中并行执行，计算出自身线程号，根据线程号计算对应载波幅值以及超前、滞后、同相三组CA码相位，将中频采样数据与载波的同相和正交分量分别相乘，得到两个结果，每个结果再分别与三组CA码相乘；每个线程将其计算得到的六个结果存放在共享内存中；
9)线程同步，在所有并行线程完成计算后，要对相关计算得到的六个结果序列进行积分求和；分两步进行，先计算同一并行块中所有线程的结果求和，再计算所有并行块的结果求和；
10)步骤10)和步骤11)针对六个结果序列的其中一个进行描述，其余五个操作完全相同；计算同一并行块中所有线程的结果求和，采用二叉树计算结构；为避免引起共享内存的bank conflict，每个计算周期都将共享内存中存储的前一半线程计算结果与后一半线程计算结果相加，结果暂存在共享内存中，一共个计算周期得到一个结果，将此结果传入GPU显存中；所有并行块都得到一个结果，构成一个新的暂存于显存中的结果序列；
11)将显存中的结果序列传入一个并行块的共享内存中，以同样的二叉树计算结构计算其总和，最后得到一个最终结果，此结果就是相关计算后的长序列的积分求和；
12)经过步骤10)和步骤11)，共得到六个积分求和结果，从显存传入内存；
13)CPU通过COSTAS环的载波鉴相器和伪码跟踪环采用非相干延迟锁相环的CA码鉴相器计算误差信息，反馈给载波NCO和CA码NCO，从而控制本地载波相位和本地CA码相位；
14)重复步骤7)到步骤13)N次，完成N颗卫星1毫秒信号的并行跟踪；
积分清零，重复步骤5)到步骤14)，完成下1毫秒导航卫星信号的多通道并行跟踪。
2.一种基于GPU的并行导航卫星信号跟踪系统，其特征在于：主要由多通道载波跟踪环和伪码跟踪环两部分构成，两者协同实现对载波频率和伪码相位的跟踪；
伪码跟踪环主要由载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块和CA码鉴相器组成；
载波跟踪环主要由载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块和载波鉴相器组成；
所述载波跟踪环和伪码跟踪环共用载波生成模块、CA码生成模块、对位并行相乘模块、二叉树并行求和模块；
载波生成模块生成载波采样序列，CA码生成模块生成CA码采样序列；数字中频采样序列先经过对位并行相乘模块进行载波剥离和CA码剥离，然后经过二叉树并行求和模块，在GPU的每个线程中并行执行，计算出自身线程号，根据线程号计算对应载波幅值以及超前、滞后、同相三组CA码相位，将中频采样数据与载波的同相和正交分量分别相乘，得到两个结果，每个结果再分别与三组CA码相乘；每个线程将其计算得到的六个结果存放在共享内存中；最后由CA码鉴相器计算出CA码相位误差，控制CA码生成模块进行调整；由载波鉴相器计算出载波相位误差，控制载波生成模块进行调整。
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