CN104597462A - 基于gpu的gnss信号模拟器及其实现方法 - Google Patents

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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

本发明公开了一种基于GPU的GNSS信号模拟器及其实现方法，该模拟器由计算机、中频板卡和射频板卡构成，利用计算机GPU产生数字中频数据，再将数据传输至中频板卡进行数/模转换，然后再通过射频板卡进行上变频和功率衰减生成GNSS导航信号。本发明具有成本更低、研发周期更短、对新的导航频点和信号调制方式的支持更加灵活、不需要另外的同步板卡、设计难度小、系统复杂度低等优点。

Description

基于GPU的GNSS信号模拟器及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种新的基于计算机GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航卫星系统)信号模拟器及其实现方法，更具体地说，是利用GPU产生数字中频数据，再通过PXI或PXIe总线将数据传输至中频板卡进行数/模转换生成模拟中频信号，然后再通过射频板卡进行上变频和功率衰减生成GNSS导航信号。
背景技术
GNSS信号模拟器是用于模拟不同时间、不同地点、不同运动状态的接收机所接收到的经过空间传播的卫星导航信号，能够提供可复现、可自定义的模拟场景，是研究和测试接收机不可或缺的仪器设备，同时也可用于不同导航电文结构、不同编码、不同调制方式的可重构信号的研究。
目前，国内外的科研机构和公司研究出了多种型号的GNSS信号模拟器，涵盖了现在四大全球卫星导航系统(GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou)。这些GNSS信号模拟器基本上都是采用计算机+中频板卡+上变频板卡的架构，利用计算机计算出GNSS信号的导航电文和信号状态参数，再利用中频板卡进行伪码生成和信号调制后生成模拟中频信号，传入射频板卡后进行上变频和功率衰减后生成GNSS导航信号。这种架构的模拟器如果要模拟更多的导航信号频点就需要新的中频板卡和射频板卡，不仅提高研制成本，也增长了研制周期。此外要模拟组合导航信号时还要加入同步板卡，成本和研制难度都要加大。
随着全球卫星导航系统的现代化进程和快速发展，需要有一种成本更低、研发更快，能够支持更多新的导航系统和信号调制体制，支持组合导航信号模拟，以及更加灵活更易扩充的GNSS信号模拟器。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于GPU的GNSS信号模拟器及其实现方法，利用计算机GPU、中频板卡和射频板卡的新的GNSS信号模拟器架构，解决目前模拟器存在的成本高、研发周期长、灵活性和可扩充性较弱的问题，满足多系统多频点模拟、空间环境模拟、组合导航信号模拟和新体制信号模拟等需求。
为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于GPU的GNSS信号模拟器，它由计算机、中频板卡和射频板卡构成；
所述计算机内设置上位机软件，所述中频板卡内设置中频信号处理单元，所述射频板卡内设置射频信号处理单元；
中频信号的伪码生成和信号调制都在所述计算机上利用GPU完成，所述中频板卡用于数/模转换来生成模拟中频信号，所述射频板卡用于对输入的模拟中频信号进行上变频和功率衰减，从而生成相应射频频点和指定功率的GNSS导航信号。
一种基于GPU的GNSS信号模拟器的实现方法，该实现方法包括如下步骤：
(1)计算机上运行的上位机软件完成根据用户设定的仿真条件实时生成数字中频数据的功能，其中GPU负责数字中频的信号调制、量化工作，利用其强大的并行大量数据处理和计算能力实现高采样率数字中频数据的实时生成；
(2)中频板卡通过PXI或者PXIe总线接收计算机生成的数字中频数据，利用DA芯片进行数/模转换和上变频，产生模拟中频信号；
(3)射频板卡对输入的模拟中频信号进行上变频和功率衰减，从而生成相应射频频点和指定功率的GNSS导航信号，可以接入接收机使用。
进一步的，所述计算机可模拟多系统、多频点的GNSS信号，且多频点信号在计算机产生单独频点的数字中频信号后就利用计算机GPU进行数据合路，然后再传输至中频板卡，中频板卡对合路后的数字信号进行数/模转换并进行上变频。
更进一步的，采用数字中频数据产生与传输异步和双SRAM方案实现信号的实时产生，计算机先计算并缓存一定量的中频数据再开始启动向SRAM传输，而且在计算机向一块SRAM里传数据时，FPGA读取另一块SRAM里存好的数据，实现数据存储与信号产生异步进行。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的GNSS信号模拟器的中频板卡只负责数/模转换，不需要进行伪码生成和信号调制，因此只需要中低端FPGA控制芯片和DA芯片，而不需要DSP和高端FPGA等芯片，成本更低、研发周期更短。
(2)本发明的GNSS信号模拟器伪码生成和信号调制都在计算机上完成，所以可以更加灵活的支持新的导航电文结构和信号调制方式，而不需要增加新的中频板卡。
(3)本发明的GNSS信号模拟器可以在计算机上模拟多系统、多频点信号并进行信号合路，不需要另外的同步板卡，减小了设计难度，使整个系统的复杂度降低，易维护性提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的GNSS信号模拟器系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的计算机上位机软件架构示意图。
图3是本发明实施例提供的中频板卡结构示意图。
图4是本发明实施例提供的射频板卡结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不能将实施例中所涉及的方法和技术参数作为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例所述的GNSS信号模拟器由计算机GPU、中频板卡和射频板卡构成。其工作流程为：
(1)计算机上运行的上位机软件完成根据用户设定的接收机时间、地点、运动方式以及空间环境误差等仿真条件实时生成数字中频数据的功能，其中GPU负责数字中频的信号调制、量化工作，利用其强大的并行大量数据处理和计算能力实现高采样率数字中频数据的实时生成，这是本发明的GNSS信号模拟器架构的实现基础。
(2)中频板卡通过PXI或者PXIe总线接收计算机生成的数字中频数据，利用DA芯片进行数/模转换和上变频，产生模拟中频信号。
(3)射频板卡对输入的模拟中频信号进行上变频和功率衰减，从而生成相应射频频点和指定功率的GNSS导航信号，可以接入接收机使用。
本发明实施例所述的计算机上位机软件架构如图2所示。
上位机软件根据用户定义的仿真时间地点、卫星轨道和载体运动状态等信息，结合空间环境模拟模块得到的相应环境误差模型(多径信号、电离层模型、对流层模型等)每20ms计算一次相应各系统、各频点卫星导航电文和信号状态参数，再将这些参数传入GPU，根据设定的中频频率和量化位数启动足够数量的GPU线程，利用GPU的高并发性实现高采样率数字中频的实时产生，然后通过PXI或PXIe接口送入中频板卡中的高速SRAM中。为了解决SRAM空间不足以满足存储高采样率和高量化比特数产生的大量数据的问题，每20ms向中频板进行一次数据传输，减小SRAM每次要存储的数据量。同时为了实现数字中频数据的实时生成并完成传输，采用数字中频产生与传输异步的方式，上位机软件启动后，先计算几秒钟的数字中频数据缓存在内存中，然后才开始向SRAM里传输，这样只要GPU产生数字中频数据和每次向SRAM里传输数据都在20ms内完成，就能满足实时生成信号的要求。当模拟多频点组合导航信号时，上位机软件在产生单频点数字中频后再利用GPU对多频点信号进行数据级合路，送入中频板卡产生合路的模拟中频信号，再利用射频板卡产生合路的多频点组合导航信号。
本发明实施例所述的中频板卡结构如图3所示。中频板卡的FPGA负责中频信号生成单元的控制，FPGA定时产生中断。中频板卡上有两块SRAM，上位机通过PXI或PXIe总线传输过来的数据存入一块SRAM时，FPGA在中断到来时从另一块已经存储完数据的SRAM中读入数字中频数据，传入D/A转换成模拟中频信号，滤波后送入射频信号产生处理单元。通过存储数据与读取数据的交替进行的方式可以实现信号的实时产生。
本发明实施例所述的射频板卡结构如图4所示。射频板卡将相应频点的模拟中频信号经过上变频、滤波，并接收中频板卡FPGA的功率控制信号对射频信号进行设定的功率衰减后，输出相应的GNSS导航信号，此信号可以经过电缆或天线发送给GNSS信号接收机。
综上所述，本发明利用计算机GPU、中频板卡和射频板卡的新的GNSS信号模拟器架构，解决目前模拟器存在的成本高、研发周期长、灵活性和可扩充性较弱的问题，满足多系统多频点模拟、空间环境模拟、组合导航信号模拟和新体制信号模拟等需求。
需要说明的是，以上各实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所作出各种变换或变型，均属于本发明的范畴。

Claims (4)

1.一种基于GPU的GNSS信号模拟器，其特征在于，其由计算机、中频板卡和射频板卡构成；
所述计算机内设置上位机软件，所述中频板卡内设置中频信号处理单元，所述射频板卡内设置射频信号处理单元；
中频信号的伪码生成和信号调制都在所述计算机上利用GPU完成，所述中频板卡用于数/模转换来生成模拟中频信号，所述射频板卡用于对输入的模拟中频信号进行上变频和功率衰减，从而生成相应射频频点和指定功率的GNSS导航信号。
2.一种如权利要求1所述的基于GPU的GNSS信号模拟器的实现方法，其特征在于，该实现方法包括如下步骤：
(1)计算机上运行的上位机软件完成根据用户设定的仿真条件实时生成数字中频数据的功能，其中GPU负责数字中频的信号调制、量化工作，利用其强大的并行大量数据处理和计算能力实现高采样率数字中频数据的实时生成；
(2)中频板卡通过PXI或者PXIe总线接收计算机生成的数字中频数据，利用DA芯片进行数/模转换和上变频，产生模拟中频信号；
(3)射频板卡对输入的模拟中频信号进行上变频和功率衰减，从而生成相应射频频点和指定功率的GNSS导航信号，可以接入接收机使用。
3.根据权利要求2所述的基于GPU的GNSS信号模拟器的实现方法，其特征在于，所述计算机可模拟多系统、多频点的GNSS信号，且多频点信号在计算机产生单独频点的数字中频信号后就利用计算机GPU进行数据合路，然后再传输至中频板卡，中频板卡对合路后的数字信号进行数/模转换并进行上变频。
4.根据权利要求2、3所述的基于GPU的GNSS信号模拟器的实现方法，其特征在于，采用数字中频数据产生与传输异步和双SRAM方案实现信号的实时产生，计算机先计算并缓存一定量的中频数据再开始启动向SRAM传输，而且在计算机向一块SRAM里传数据时，FPGA读取另一块SRAM里存好的数据，实现数据存储与信号产生异步进行。
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