CN112559192B - 基于gpu的卫星天线多波束对地通信特性计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，包括：建立单波指向覆盖模型；将单波指向覆盖模型分配到GPU的多线程中，同步计算多波束对地覆盖区；建立天线方向图模型；将多波束对地覆盖区划分为若干个网格点，建立计算每个网格点的C/I值计算模型；将每个网格点的C/I值计算模型分配到GPU多线程中，同步并行计算多波束覆盖区中每个网格点的C/I值。该方法中的多波束覆盖区域计算，每一个波束的覆盖区域相互独立，计算简单；对于多波束覆盖区的C/I计算显示，覆盖区每一个点的C/I数值计算相互独立，计算同样简单，提高了计算效率。

Description

基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，特别涉及基于GPU的单星多波束指向覆盖计算的并行加速处理，多波束频率复用下C/I的云图计算显示。
背景技术
目前全球移动通信卫星为了充分利用卫星资源，通信频段资源，采用单星多波束频率复用的方式进行设计。为了对单星多波束天线对地覆盖区随卫星星下点漂移与天线方位俯仰角转动而带来的变化以及频率复用带来的覆盖区域同频干扰信干比的变化进行计算机仿真分析，需要设计一种高效率利用计算机硬件的仿真计算方法来满足大量的计算需求。
传统的基于CPU计算的仿真计算方法在处理大量重复简单计算的问题时，通过遍历的方法计算，处理效率低下，用时较长，无法满足对多波束天线覆盖以及覆盖区域内的同频信干比的动态计算显示。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，该方法解决了使用CPU计算，遍历每一个波束的信息，一个个计算每一个波束的覆盖区，效率低下，计算用时长；以及遍历计算服务区每一个网格点的C/I，重复计算量大，计算用时长的技术问题。
为达到上述目的，本发明实施例提出了基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，包括以下步骤：步骤S1，建立单波指向覆盖模型；步骤S2，将所述单波指向覆盖模型分配到GPU的多线程中，同步计算多波束对地覆盖区；步骤S3，建立天线方向图模型；步骤S4，将所述多波束对地覆盖区划分为若干个网格点，建立计算每个网格点的C/I值计算模型；步骤S5，将所述每个网格点的C/I值计算模型分配到GPU多线程中，同步并行计算多波束覆盖区中每个网格点的C/I值。
本发明实施例的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，充分利用目前计算机GPU的并行处理能力，避免CPU对大量简单的计算工作进行重复的计算，消耗大量的计算时间；利用GPU并行计算能力同步更新多波束的指向覆盖，优于使用CPU逐个遍历更新多波束指向覆盖；利用GPU并行计算能力同步更新多波束覆盖区域内每个网格点的C/I数值，避免CPU遍历更新覆盖区内每个网格点的C/I数值，大大提高了计算效率。
另外，根据本发明上述实施例的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2进一步包括：将所述单波指向覆盖模型分配到GPU的多线程中，给每个波束对地覆盖计算在GPU当中分配一个独立线程，一步并行计算所述多波束对地覆盖区。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过CUDA平台将所述单波指向覆盖模型分配到GPU的多个线程中。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对于每个波束对地覆盖计算，需考虑方位俯仰角与地球遮挡因素，以及对覆盖区域的边界点集合的经纬度进行计算，以显示每个波束在地球上的覆盖区域。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述天线方向模型为：
G(ψ)为当角度为ψ时，该方向上的增益，Gm为最大主瓣增益，ψ为偏离天线指向的角度，ψ0为3dB波束宽度的半波束角，Ls为相对于峰值增益内旁瓣的增益，a为常值2.58，b为常值6.32，ψ1为当第三个等式等于0dBi时的角度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S4具体步骤为：将所述多波束对地覆盖区划分为若干个网格点；当计算预设点的C/I值时，通过所述天线方向图模型计算每个相同频率的波束在所述预设点处的增益值，将最大增益值的波束视为通信波束，其余视为干扰波束计算所述预设点的C/I值。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的多波束对地覆盖计算模拟图；
图3是本发明一个实施例的单波束指向覆盖模型示意图；
图4是本发明一个实施例的计算波束指向中心点的示意图；
图5是本发明一个实施例的多波束同频干扰计算模拟图；
图6是本发明一个实施例的天线方向图模型示意图；
图7是本发明一个实施例的动态计算同频干扰云图信息模拟图；
图8是本发明一个实施例的多波束频率复用示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法。
图1是本发明一个实施例的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法的流程图。
如图1所示，该基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法包括以下步骤：
在步骤S1中，建立单波指向覆盖模型。
也就是说，如图2所示，对波束指向覆盖计算进行合理的建模，以模拟单波束对地覆盖区的变化。
具体地，如图3所示，通过波束的方位俯仰角计算波束在卫星体系下的指向矢量，结合卫星的轨道系到卫星体系四元数求解波束指向在卫星轨道系下的表述，转换公式如下：
newr＝qrq-1
其中，r为波束指向矢量在本体系下的描述扩展而成的四维向量{1,rxbody,rybody,rzbody}，q为卫星轨道系四元数，newr为轨道系下的波束指向扩展向量{1,rxorbit,ryorbit,rzorbit}。
再将波束指向矢量从卫星轨道系下转换到惯性空间坐标系下。
如图3所示，结合卫星惯性系下位置，波束惯性系下指向，地球半径与地球遮挡，可以确定波束指向地球中心点经纬度。将波束圆锥分成若干个射线簇，通过相同方法求取一系列点的经纬度围城的曲线，即为该波束在地球上的覆盖边界。
在步骤S2中，将单波指向覆盖模型分配到GPU的多线程中，同步计算多波束对地覆盖区。
具体地，将每个波束的对地计算模型可通过NVIDIA推出的CUDA平台分配到GPU的多个线程中，进行合理的线程分配，考虑方位俯仰角与地球遮挡因素，给每个波束的对地覆盖计算在GPU当中分配一个独立的线程，一步并行计算所有波束的对地覆盖区变化，同时计算每个波束的覆盖区边界点集经纬度，以显示每个波束在地球上的覆盖区域。
在步骤S3中，建立天线方向图模型。
具体地，如图5所示，对于每个波束的方向图进行合理的建模(即卫星方向图曲线)，描述偏离指向一定角度后，天线增益的变化趋势，进而描述单波束不同方向上的增益大小。
进一步地，天线方向增益表达式为：
G(ψ)为当角度为ψ时，该方向上的增益，Gm为最大主瓣增益，ψ为偏离天线指向的角度，ψ0为3dB波束宽度的半波束角，Ls为相对于峰值增益内旁瓣的增益，a为常值2.58，b为常值6.32，ψ1为当第三个等式等于0dBi时的角度。
举例而言，如图6所示，当Ls＝-20,a＝2.58,b＝6.32时卫星天线增益的变化。
在步骤S4中，将多波束对地覆盖区划分为若干个网格点，建立计算每个网格点的C/I值计算模型。
进一步地，步骤S4的具体步骤为：
将多波束对地覆盖区划分为若干个网格点；
当计算预设点的C/I值时，通过天线方向图模型计算每个相同频率的波束在预设点处的增益值，将最大增益值的波束视为通信波束，其余视为干扰波束计算预设点的C/I值。
具体而言，如图7和8所示，每种颜色代表一种频率，当计算某个点的C/I时，先通过天线方向图模型计算每一个相同频率的波束在该点处的增益值，将增益值最大的波束视为通信波束，其余波束视为干扰波束计算该点的C/I值。
在步骤S5中，将每个网格点的C/I值计算模型分配到GPU多线程中，同步并行计算多波束覆盖区中每个网格点的C/I值。
也就是说，将每个网格点的C/I计算方法分配到GPU的多线程当中，同时计算网格点上的C/I值，即实现同步并行计算多波束覆盖区中每个网格点的C/I值。
综上，本发明实施例提出的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，通过将每个单元的简单计算分配到GPU的每个线程上，通过GPU处理多线程并行处理能力，同时计算每个波束的覆盖区域，以及覆盖区域每一个点的C/I，来并行加速整个仿真计算，从而实现对多波束覆盖区域计算与覆盖区域内C/I云图计算的动态计算显示。该方法充分利用目前计算机GPU的并行处理能力，避免CPU对大量简单的计算工作进行重复的计算，消耗大量的计算时间；利用GPU并行计算能力同步更新多波束的指向覆盖，优于使用CPU逐个遍历更新多波束指向覆盖；利用GPU并行计算能力同步更新多波束覆盖区域内每个网格点的C/I数值，避免CPU遍历更新覆盖区内每个网格点的C/I数值，大大提高了计算效率。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，建立单波指向覆盖模型；
步骤S2，将所述单波指向覆盖模型分配到GPU的多线程中，同步计算多波束对地覆盖区；
步骤S3，建立天线方向模型；
步骤S4，将所述多波束对地覆盖区划分为若干个网格点，建立计算每个网格点的C/I值计算模型；
步骤S5，将所述每个网格点的C/I值计算模型分配到GPU多线程中，同步并行计算多波束覆盖区中每个网格点的C/I值；
所述天线方向模型为：
其中，G(ψ)为当角度为ψ时，该方向上的增益，Gm为最大主瓣增益，ψ为偏离天线指向的角度，ψ0为3dB波束宽度的半波束角，Ls为相对于峰值增益内旁瓣的增益，a为常值2.58，b为常值6.32，ψ1为当第（3）个等式等于0dBi时的角度。
2.根据权利要求1所述的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
将所述单波指向覆盖模型分配到GPU的多线程中，给每个波束对地覆盖计算在GPU当中分配一个独立线程，一步并行计算所述多波束对地覆盖区，同时计算每个波束的覆盖区边界点集经纬度，以显示每个波束在地球上的覆盖区域。
3.根据权利要求2所述的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，其特征在于，通过CUDA平台将所述单波指向覆盖模型分配到GPU的多个线程中。
4.根据权利要求2所述的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，其特征在于，对于每个波束对地覆盖计算，需考虑方位俯仰角与地球遮挡因素。
5.根据权利要求1所述的基于GPU的卫星天线多波束对地通信特性计算方法，其特征在于，所述步骤S4具体步骤为：
将所述多波束对地覆盖区划分为若干个网格点；
当计算预设点的C/I值时，通过所述天线方向图模型计算每个相同频率的波束在所述预设点处的增益值，将最大增益值的波束视为通信波束，其余视为干扰波束计算所述预设点的C/I值。
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