CN115792986A - 一种gnss-r海面测高实时软件接收机设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS‑R海面测高实时软件接收机设计方法，属于GNSS‑R海面测高技术领域；包括：将所需处理的GNSS直射信号和GNSS反射信号经CPU端传递至GPU端，在GPU端进行反射信号的粗捕获以及直射信号与反射信号的精捕获，得到直射信号与反射信号的路径差延迟值；其中，反射信号粗捕获成功后，根据功率峰值的位置，得到精捕获所需的多普勒频率范围；再通过直射和反射信号的精捕获，得到功率峰值处的码相位信息，进而计算出路径延迟值；将GPU端将得到的路径延迟值传入至CPU端，在CPU端进行海面高度反演，并结合几何信息，得到海面高度值。本发明的运行效率高，大大减少了时间开销。
Description
技术领域
本发明涉及GNSS-R海面测高技术领域，具体涉及一种GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法。
背景技术
GNSS-R伪码海面测高需要对直射和反射信号分别进行处理，针对新一代GNSS高速率码，为了提升测高精度，需要使用较高采样率的数据，通常为传统导航定位需求的5-20倍，这就使得GNSS-R软件接收机所要处理的数据量激增，导致目前的GNSS-R软件接收机运行效率极低。此外，由于GNSS信号经过海面反射后较为微弱，要实现信号的跟踪较为困难，无法采用闭环跟踪的处理方式；而开环处理需要不断地对反射信号进行捕获，持续进行信号的搜索过程需要进行大量的相关运算，这对于计算机来说极为耗时。在实际的应用研究中，为了显示出海面高度的高动态变化过程，每秒钟均要输出有效的观测量，使得计算量进一步增大。
现有技术中，美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）早期针对GPS C/A码和P(Y)码，开发了能够输出DDM图和干涉相位等信息的软件接收机。欧洲航天局（European Space Agency，ESA）基于GEC-Plessey GPS进行了GNSS-R设备的开发，但是该设备操作较为复杂。科罗拉多大学开发的软件接收机，在Borre的MATLAB GPS软件的基础上进行开发，可处理双天线信号，进而输出DDM等信息。在商用接收机开发方面，Starlab开发的OCEANPAL，主要用于岸基遥感，可以进行海面测高。国内在GNSS-R接收机研制方面，北京航空航天大学自主研制的12通道机载接收机，为国内首套GNSS反射信号接收处理平台。中国科学院空间中心团队针对GNOS-II的原始中频数据开发了MRPS软件接收机。但是以上已有的GNSS-R软件接收机大多基于CPU运行，而进行双天线GNSS-R码相位海面测高时，需要处理巨大数据量的中频信号，因此难以实现实时化运行。
Lestarquit等人研制了使用GPU加速的GNSS-R软件接收机，并且达到了近实时运行。但是其采样率仅有4M Samples/s，若要应用于海面码延迟测高，则远无法达到实际应用的精度要求。2020年，西班牙UPC的Oriol等人也进行了相关的研究，同时详细对比了CPU与GUP的计算性能。该基于GPU的软件接收机能够在较高采样率下，实现实时化数据处理，但是在海面测高应用方面尚无详细的研究与分析。
总的来说，利用GPU对GNSS-R软件接收机进行加速的研究国外开展较多，但在GNSS-R海面测高应用方面，具体的研究与分析较少。在较高数据量的情况下，如何实现实时数据处理是GNSS-R海面测高技术走向实际应用的难点之一。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于GPU与CPU的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法。
本发明公开了一种GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，包括：
将所需处理的GNSS直射信号和GNSS反射信号读入CPU端；
CPU端将读入的数据传递至GPU端，在GPU端进行反射信号的粗捕获以及直射信号与反射信号的精捕获，得到直射信号与反射信号的路径延迟值；其中，反射信号的粗捕获成功后，根据功率峰值的位置，得到精捕获所需的多普勒频率范围，再通过直射和反射信号的精捕获，得到二者各自功率峰值的位置，进而计算出路径延迟值；
GPU端将得到的路径延迟值传入至CPU端，在CPU端进行海面高度反演，得到海面高度值。
作为本发明的进一步改进，在数据读取之前，还包括参数设置步骤；其中，所设置的参数包括：
根据GNSS星历与接收机位置得到实验期间可用的卫星PRN；
预存本地码与本地相位；
设置粗捕获的相干积分时长为X毫秒，精捕获的相干积分时长为Y毫秒；
设置多普勒频率搜索范围及搜索步长；
设置每秒钟所计算的路径延迟值数目为Z个。
作为本发明的进一步改进，所述粗捕获，包括：
从每秒GNSS反射信号中截取X毫秒的反射信号；
将X毫秒的反射信号与本地正余弦载波进行混频处理，将处理结果通过FFT从时域转换至频域，得到第一频域序列；
将预存的本地码序列通过FFT从时域转换至频域，再进行复共轭处理，得到第二频域序列；
将第一频域序列与第二频域序列相乘，所得结果通过IFFT从频域转换至时域，得到第一时域序列；
搜索第一时域序列的功率峰值，基于功率峰值和噪声基底强度得到信噪比；
若信噪比大于阈值，则粗捕获成功，根据功率峰值的位置，得到精捕获所需的多普勒频率范围。
作为本发明的进一步改进，还包括：
若信噪比不大于阈值，则粗捕获失败，修改多普勒频移值，重新进入搜索循环；在遍历设定范围内的多普勒频移值后，若信噪比仍低于阈值，则认为该秒数据中该颗卫星信号不可用，进入下一秒的数据处理。
作为本发明的进一步改进，信噪比
的计算公式为：
；
式中，
为功率峰值，
为噪声基底强度。
作为本发明的进一步改进，所述精捕获，包括：
从每秒GNSS直射信号和GNSS反射信号和中截取Y毫秒的直射信号和反射信号；
将Y毫秒的直射信号和反射信号分别与本地正余弦载波进行混频处理，将处理结果通过FFT从时域转换至频域，得到第三频域序列和第四频域序列；
将预存的本地码序列通过FFT从时域转换至频域，再进行复共轭处理，得到第二频域序列；
将第三频域序列与第二频域序列相乘、第四频域序列与第二频域序列相乘，所得结果分别通过IFFT从频域转换至时域，得到第二时域序列和第三时域序列；
分别搜索第二时域序列和第三时域序列的功率峰值，根据功率峰值处的码相位信息，得到直射信号与反射信号之间的时延值；
根据得到的时延值，乘以光速得到路径延迟值。
作为本发明的进一步改进，还包括：
重复精捕获Z次，计算得到Z个路径延迟值，剔除野值取其平均值后将数据传入CPU端。
作为本发明的进一步改进，所述海面高度反演，包括：
基于路径延迟值和卫星高度角，得到反射天线相位中心到海面的垂直距离；
通过大地测量型接收机，得到天线相位中心到参考椭球面的高度；
基于反射天线相位中心到海面的垂直距离与天线相位中心到参考椭球面的高度，得到海面高度值。
作为本发明的进一步改进，反射天线相位中心到海面的垂直距离h的计算公式为：
；
式中，
为路径延迟值，
为卫星高度角。
作为本发明的进一步改进，海面高度值
的计算公式为：
；
式中，
为天线相位中心到参考椭球面的高度，
为反射天线相位中心到海面的垂直距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的设计方法结合CPU擅长逻辑控制和GPU适于海量数据并行计算的特点，解决了现有GNSS-R海面码测高软件接收机计算效率低的问题；其运行效率高，大大减少了GNSS-R研究中使用软件接收机进行算法测试时的时间开销，实现了实时化海面高度测量，从而为岸基GNSS-R海面高度长期监测提供支持。此外，本发明还可以根据实际需要进行参数修改，从而达到时间效率与测高精度之间的平衡。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法的流程图；
图2为本发明一种实施例公开的卫星信号粗捕获或精捕获的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其结合CPU擅长逻辑控制和GPU适于海量数据并行计算的特点，用于解决了现有GNSS-R海面码测高软件接收机计算效率低的问题；该方法具体包括：
步骤1、参数设置；其中，
为了提升软件接收机的运行效率，GNSS-R海面测高相关参数设置包括：
1）根据GNSS星历与接收机位置得到实验期间可用的卫星PRN，进而减少卫星盲捕的时间消耗；
2）预存本地码与本地相位，用以缩减每次重复生成的耗时；
3）设置粗捕获的相干积分时长为X毫秒，精捕获的相干积分时长为Y毫秒，其可根据具体的时间效率及测高精度的需要进行设置；
4）设置多普勒频率搜索范围及搜索步长，岸基情况下的搜索范围通常可设定为[-5000Hz, +5000Hz]，具体范围及步长可根据实验需要进行修改；
5）设置每秒钟所计算的路径延迟值数目为Z个，剔除野值后取平均值再进行反演，进而提高海面高度测量精度。
步骤2、将所需处理的GNSS直射信号和GNSS反射信号读入CPU端；
步骤3、CPU端将读入的数据传递至GPU端，在GPU端进行反射信号的粗捕获以及直射信号与反射信号的精捕获，得到直射信号与反射信号的路径延迟值；其中，在GNSS反射信号粗捕获得到的码相位和频率信息的基础上，完成直射和反射信号的精捕获，获取二者各自功率峰值处的码相位，进而根据几何信息计算出路径延迟值；
具体的：
本发明首先进行反射信号的粗捕获，以此缩小后续精捕获的多普勒频移搜索范围；在进行过信号的粗捕获后，所需搜索的多普勒频率范围缩减，此时进行信号的精捕获。其中，
如图2所示，粗捕获，包括：
1）从每秒GNSS反射信号中截取X毫秒的反射信号；
2）将X毫秒的反射信号与本地正余弦载波进行混频处理，将处理结果通过FFT从时域转换至频域，得到第一频域序列；
3）将预存的本地码序列通过FFT从时域转换至频域，再进行复共轭处理，得到第二频域序列；
4）将第一频域序列与第二频域序列相乘，所得结果通过IFFT从频域转换至时域，得到第一时域序列；
5）搜索第一时域序列模值的功率峰值
，并计算噪声基底强度
；基于功率峰值和噪声基底强度得到信噪比
；
6）若信噪比大于阈值，则粗捕获成功，根据功率峰值的位置，得到精捕获所需的多普勒频率范围；
7）若信噪比不大于阈值，则粗捕获失败，修改多普勒频移值，重新进入搜索循环；在遍历设定范围内的多普勒频移值后，若SNR仍低于阈值，则认为该秒数据中该颗卫星信号不可用，进入下一秒的数据处理。
如图2所示，精捕获，包括：
1）从每秒GNSS直射信号和GNSS反射信号和中截取Y毫秒的直射信号和反射信号；
2）将Y毫秒的直射信号和反射信号分别与本地正余弦载波进行混频处理，将处理结果通过FFT从时域转换至频域，得到第三频域序列和第四频域序列；
3）将预存的本地码序列通过FFT从时域转换至频域，再进行复共轭处理，得到第二频域序列；
4）将第三频域序列与第二频域序列相乘、第四频域序列与第二频域序列相乘，所得结果分别通过IFFT从频域转换至时域，得到第二时域序列和第三时域序列；
5）分别搜索第二时域序列和第三时域序列的功率峰值，不同于粗捕获，精捕获是根据功率峰值处的码相位信息，得到直射信号与反射信号之间的时延值；
6）根据得到的时延值，乘以光速得到路径延迟值；
该部分需要在每秒的数据中截取Y*Z毫秒，重复以上步骤Z次，计算得到Z个路径延迟值，剔除野值取其平均值后将数据传入CPU端。
进一步，对于上述步骤1）、2）、3）中的三次傅里叶变换，其耗时占比最长。本发明使用CUDA提供的CUFFT(CUDA Fast Fourier Transform)加速库进行处理，进而大幅减少时间消耗。
步骤4、GPU端将得到的路径延迟值传入至CPU端，在CPU端进行海面高度反演，得到海面高度值；其中，
海面高度反演，包括：
1）基于路径延迟值和卫星高度角，得到反射天线相位中心到海面的垂直距离；其中，反射天线相位中心到海面的垂直距离h的计算公式为：
；
式中，
为路径延迟值，
为卫星高度角。
2）通过大地测量型接收机，得到天线相位中心到参考椭球面的高度H；
3）基于反射天线相位中心到海面的垂直距离与天线相位中心到参考椭球面的高度，得到海面高度值；其中，海面高度值
的计算公式为：
；
本发明在进行软件接收机开发时，使用C语言与NVIDIA针对旗下的GPU所开发的并行编程工具CUDA进行相关程序设计；在上述处理流程中，对于耗时占比较小的海面高度反演部分，交由具有较强单线程串行处理能力的CPU计算；对于耗时较长的捕获部分，则由擅长海量数据并行计算的GPU进行处理；其中卫星信号捕获部分耗时占比极大，同时其处理结果对最终测量精度影响较大，因此该部分的算法设计至关重要。
实施例
一种GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，实验数据时长为4小时，中频数据采样率为80MHz，使用BDS B2a频点信号（也可选择GPS/QZSS L5信号）进行海面高度监测，具体包括：
S1、GNSS-R海面测高相关参数设置：
1）根据该岸基GNSS-R实验情况，进行以下设置：
2）根据北斗星历文件与接收机位置数据，搜索得到可视范围内的卫星PRN号，从中选取1-5颗进行数据处理；
3）预存B2a的本地码与本地相位，进而缩减每次重复生成的耗时；
4）粗捕获部分的相干积分时长设定为2ms，精捕获部分的相干积分时长也设定为2ms；
5）多普勒频移范围及搜索步长设定，粗捕获的搜索范围为[-5000Hz, +5000Hz]，步长设定为200Hz，共51个搜索频点；精捕获的搜索范围为[-300Hz, 300Hz]，步长设定为25Hz，共25个搜索频点；
6）每秒钟所计算10个路径延迟值数据，剔除野值后取其平均。
S2、数据读入：
将每秒钟所需处理的直射与反射信号读入CPU端，由CPU端传递至GPU端，再进行下一步的计算。
S3、卫星信号的粗捕获
从传入GPU端的1s反射信号中截取2ms进行信号的粗捕获；在捕获成功后，将峰值对应的多普勒频率值传递至精捕获部分；若未捕获成功，则进入下一秒的数据处理。
S4、卫星信号的精捕获
每秒钟截取20ms数据进行计算，得到相应的10个路径延迟值后，剔除野值，取其平均值传递至CPU端进行下一步处理。
S5、海面高度反演
GPU端得到路径延迟值
后，通过卫星星历计算得到卫星高度角
，按照GNSS-R测高公式
，获取反射天线相位中心到海面的垂直距离；再通过大地测量型接收机得到精确的天线相位中心到参考椭球面的高度H，根据
得到海面高度值。
结论：
本发明的设计方法可以在双通道GNSS中频采样率为80MHz时，仅利用消费级GPU和i7以上CPU，实现实时输出4颗以上卫星的GNSS-R海面测高结果；相比传统的软件接收机设计方法，本发明的运行效率高，大大减少了GNSS-R研究中使用软件接收机进行算法测试时的时间开销；此外，还可以根据实际需要进行参数修改，从而达到时间效率与测高精度之间的平衡；同时，随着GNSS反射信号遥感技术的发展，它可以广泛应用到海面风场探测、海冰探测、海面大型目标探测、土壤湿度反演等以GNSS-R作为探测手段的应用系统中。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，包括：
将所需处理的GNSS直射信号和反射信号读入CPU端；
CPU端将读入的数据传递至GPU端，在GPU端进行反射信号的粗捕获以及直射信号与反射信号的精捕获，得到直射信号与反射信号的路径延迟值；其中，在GNSS反射信号粗捕获得到的码相位和频率信息的基础上，完成直射和反射信号的精捕获，获取二者各自功率峰值处的码相位，进而根据几何信息计算出路径延迟值；
GPU端将得到的路径延迟值传入至CPU端，在CPU端进行海面高度反演，得到海面高度值。
2.如权利要求1所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，在数据读取之前，还包括参数设置步骤；其中，所设置的参数包括：
根据GNSS星历与接收机位置得到实验期间可用的卫星PRN；
预存本地码与本地相位；
设置粗捕获的相干积分时长为X毫秒，精捕获的相干积分时长为Y毫秒；
设置多普勒频率搜索范围及搜索步长；
设置每秒钟所计算的路径延迟值数目为Z个。
3.如权利要求1或2所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，所述粗捕获，包括：
从每秒GNSS反射信号中截取X毫秒的反射信号；
将X毫秒的反射信号与本地正余弦载波进行混频处理，将处理结果通过FFT从时域转换至频域，得到第一频域序列；
将预存的本地码序列通过FFT从时域转换至频域，再进行复共轭处理，得到第二频域序列；
将第一频域序列与第二频域序列相乘，所得结果通过IFFT从频域转换至时域，得到第一时域序列；
搜索第一时域序列的功率峰值，基于功率峰值和噪声基底强度得到信噪比；
若信噪比大于阈值，则粗捕获成功，根据功率峰值的位置，得到精捕获所需的多普勒频率范围。
4.如权利要求3所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，还包括：
若信噪比不大于阈值，则粗捕获失败，修改多普勒频移值，重新进入搜索循环；在遍历设定范围内的多普勒频移值后，若信噪比仍低于阈值，则认为该秒数据中该颗卫星信号不可用，进入下一秒的数据处理。
5.如权利要求3所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，信噪比
的计算公式为：
；
式中，
为功率峰值，
为噪声基底强度。
6.如权利要求1或2所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，所述精捕获，包括：
从每秒GNSS直射信号和GNSS反射信号和中截取Y毫秒的直射信号和反射信号；
将Y毫秒的直射信号和反射信号分别与本地正余弦载波进行混频处理，将处理结果通过FFT从时域转换至频域，得到第三频域序列和第四频域序列；
将预存的本地码序列通过FFT从时域转换至频域，再进行复共轭处理，得到第二频域序列；
将第三频域序列与第二频域序列相乘、第四频域序列与第二频域序列相乘，所得结果分别通过IFFT从频域转换至时域，得到第二时域序列和第三时域序列；
分别搜索第二时域序列和第三时域序列的功率峰值，根据功率峰值处的码相位信息，得到直射信号与反射信号之间的时延值；
根据得到的时延值，乘以光速得到路径延迟值。
7.如权利要求6所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，还包括：
重复精捕获Z次，计算得到Z个路径延迟值，剔除野值取其平均值后将数据传入CPU端。
8.如权利要求1或2所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，所述海面高度反演，包括：
基于路径延迟值和卫星高度角，得到反射天线相位中心到海面的垂直距离；
通过大地测量型接收机，得到天线相位中心到参考椭球面的高度；
基于反射天线相位中心到海面的垂直距离与天线相位中心到参考椭球面的高度，得到海面高度值。
9.如权利要求8所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，反射天线相位中心到海面的垂直距离h的计算公式为：
；
式中，
为路径延迟值，
为卫星高度角。
10.如权利要求8所述的GNSS-R海面测高实时软件接收机设计方法，其特征在于，海面高度值
的计算公式为：
；
式中，
为天线相位中心到参考椭球面的高度，
为反射天线相位中心到海面的垂直距离。
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