CN116027363B - 一种异构并行处理器加速的gnss防欺骗基带装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其包含多峰捕获单元、多信号跟踪单元、控制中心单元等单元结构及各单元中涉及的并行捕获、并行跟踪等模块。相对于现有方案，本发明使用通用的异构计算平台设计并行加速内核，该内核可以在支持OpenCL标准的不同厂家、不同类型的并行处理器上运行，解决了并行加速方案跨平台问题；同时，本发明设计的基于多峰捕获和多信号跟踪单元的“哨兵式”防欺骗架构定期执行捕获流程，识别并跟踪所有异常信号分量，在欺骗环境中可以同时捕获跟踪真实信号和欺骗信号，该架构提供了更多的基带信息，为欺骗检测、识别和抑制一体化提供底层支持，基于该基带结构用户可以很方便地扩展自己的防欺骗方案。

Description

一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置。

背景技术

GNSS防欺骗：卫星导航系统采用广播式体制，信号微弱，很容易受到各种干扰信号的影响。欺骗式干扰采用与真实导航信号非常相似的欺骗信号，可导致接收机输出错误的定位结果，已经成为卫星导航系统所面临的最严重威胁。GNSS接收机包含射频前端、基带信号处理、定位解算三个模块。射频前端层面的防欺骗方法基于多天线，算法较为复杂，而民用接收机一般只有配备单天线；基带信号处理过程中的防欺骗算法检测实时性高，但受电磁噪声、多径、接收机动态等因素影响；定位解算层面的防欺骗方法更易受环境和接收机性能影响，且较难在这个层面抑制欺骗信号。同时，现有的防欺骗方法多集中在欺骗检测阶段，关于欺骗识别和抑制的方法较为稀少。此外，传统的基带架构基于单峰捕获和单信号跟踪模式，目前有的基带可以给出固定数量的次峰峰值，但是没有对其进行进一步的分析处理，因此缺乏可以实现欺骗检测、识别、抑制一体化的基带设计方案。

基带信号处理加速：GNSS基带信号处理中捕获跟踪过程需要消耗大量算力，传统硬件接收机使用ASIC专用集成电路来进行计算加速。硬件接收机较难调试和更新，不改变硬件条件仅迭代软件即可实现升级的软件接收机成为现代接收机设计的一个热门方向。软件接收机基带信号处理加速可用的加速设备有CPU、GPU、FPGA、DSP等，现有的基带加速模块多是基于某一特殊型号或种类的处理器，不具备跨平台的迁移能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，利用OpenCL异构计算框架设计并行捕获模块和并行跟踪模块的基带信号处理加速内核来加速捕获和跟踪流程，解决并行加速方案跨平台问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其包括控制中心单元、数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元、多信号跟踪单元；

所述控制中心单元，用于连接数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元和多信号跟踪单元，并对这些单元进行控制；所述数据输入单元，用于从外部存储区读取中频数据；所述降采样单元，连接数据输入单元，用于输入中频数据，并降低中频数据采样率，输出采样频率降低后的中频数据；所述噪底估计单元，连接降采样单元，用于输入采样频率降低后的中频数据，并对该采样频率降低后的中频数据进行实时噪底估计，输出噪声基底数据；

所述多峰捕获单元包括并行捕获模块、多峰检测模块、信号校验模块；

其中，所述并行捕获模块基于支持OpenCL异构计算标准的并行处理器并采用OpenCL框架设计，该并行捕获模块连接降采样单元，用于捕获卫星，并在该并行捕获模块的并行处理器中加速捕获过程，其输出为FFT计算结果；

所述多峰检测模块连接并行捕获模块和噪底估计单元，用于输入FFT结果和噪声基底数据，用于识别可见卫星，同时获取每一颗可见卫星中所有的信号分量，输出捕获到的卫星信息；

所述信号校验模块连接多峰检测模块，用于输入捕获到的卫星信息，用于校验多峰检测模块检测到的信号分量是否已被跟踪，若信号未被跟踪则为其分配跟踪通道，输出的是每一颗捕获到的卫星中新信号的数量及其具体的信号参数；

所述多信号跟踪单元包括并行跟踪模块、失锁检测模块、跟踪转捕获模块；

其中，所述并行跟踪模块基于支持OpenCL异构计算标准的并行处理器并采用OpenCL框架设计，该并行跟踪模块连接降采样模块，用于输入采样频率降低后的中频信号，用于跟踪每一颗被捕获卫星中所有的信号分量，并在该并行跟踪模块的并行处理器中加速跟踪过程，输出各个跟踪通道跟踪过程的相干积分结果和多普勒频移、码相位、载波相位；

所述失锁检测模块连接并行跟踪模块和噪底估计单元，输入相干积分结果和噪声基底数据，用于检测信号是否失锁，输出载噪比数据和失锁卫星的记录；

所述跟踪转捕获模块连接失锁检测模块，输入的是失锁卫星的记录，用于保存失锁通道的信息，尝试重新捕获该信号，输出待重捕卫星的记录；

所述欺骗检测单元，连接噪底估计单元、多峰捕获单元的多峰检测模块和多信号跟踪单元的并行跟踪模块和失锁检测模块，输入的是噪声基底数据、每个信号的多峰检测结果、并行跟踪结果、载噪比数据，用于综合基带观测信息，判决是否存在欺骗信号，输出欺骗检测结果；

数据输出单元连接噪底估计单元、多峰捕获单元的多峰检测模块、多信号跟踪单元的并行跟踪模块和失锁检测模块，输入噪声基底数据、捕获结果、并行跟踪结果、载噪比数据，用于存储并输出基带装置的运行结果，输出的是噪声基底数据、捕获结果、并行跟踪结果、载噪比数据；

所述控制中心单元的具体控制如下：

S1、初始化数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元、多信号跟踪单元；

S2、运行数据输入单元，获取中频数据；然后运行降采样单元降低中频数据采样率；接着执行噪底估计单元，获取并存储实时噪底数据；

S3、若经过一个定时启动周期时间或跟踪转捕获模块返回重捕获请求，则运行多峰捕获单元，获取并存储捕获结果，否则执行S4；

S4、运行多信号跟踪单元，进行信号跟踪操作并存储跟踪结果；

S5、运行防欺骗单元，获取并存储防欺骗结果；

S6、运行数据输出单元，将基带处理结果传到外部存储区；

S7、返回S2，循环进行操作；

所述多峰捕获单元的实施步骤如下：

（1）运行并行捕获模块，获取捕获结果；

（2）运行多峰检测模块，获取可见卫星多峰检测结果；

（3）运行信号校验模块，检测新信号；

所述并行捕获模块的具体处理如下：

主机端将降采样后的N毫秒中频数据复制到设备端，之后同时启动每一颗卫星对应的命令队列，每个命令队列将顺序执行其搭载的内核，然后等待设备端并发执行完所有的命令队列，最后将执行结果复制到主机端；

所述多峰检测模块的具体处理如下：

从并行捕获模块读取捕获后的FFT数据，针对每颗卫星，首先根据噪底估计单元提供的实时噪底数据确定捕获阈值，在FFT结果中筛选出所有超过捕获阈值的数据；接着将筛选后的FFT结果按FFT模值从高到低排序，在筛选出的数据中剔除码相位相差小于等于1码片同时多普勒频移相差小于等于多普勒分辨率的数据，仅保留其中数值最大的结果；最后，记录该编号卫星中残留的信号数量，根据FFT结果计算并保存所有残留信号的码相位、多普勒、捕获峰值信息；

所述信号校验模块的具体处理如下：

针对每颗被捕获的卫星循环处理该卫星的多个信号分量，针对每个信号分量首先校验该信号分量是否属于新出现的信号，具体的鉴别方法为遍历该卫星关联的所有跟踪通道，若该卫星正在跟踪的信号分量与待校验信号分量码相位相差1码片以内同时两者多普勒差值小于多普勒分辨率，则判定待校验分量为已经存在的信号，否则判定待校验分量为新出现的信号；若待校验信号为新的信号分量，则为其分配一空闲跟踪通道；

所述多信号跟踪单元的实施步骤如下：

（1）运行并行跟踪模块，进行信号跟踪；

（2）运行失锁检测模块，检测信号跟踪状态；

（3）运行跟踪转捕获模块，尝试重捕获失锁信号；

所述并行跟踪模块的具体处理如下：

主机端将降采样后的ｍ·T毫秒中频数据复制到设备端，接着将跟踪通道的信息备份到设备端跟踪通道缓存区，在一个命令队列中完成多通道的并行连续跟踪：首先在设备端对第一个T毫秒数据执行相干积分内核，若时间戳到达环路更新周期，则在设备端跟踪通道缓存区中执行环路更新内核，接着跟踪下一个T毫秒数据，依次循环处理ｍ次，最后将相干积分结果和跟踪通道缓存区复制到主机端，更新跟踪通道的参数。

所述并行捕获模块处理时，每个命令队列中内核执行的操作包括：

S31、以一维的索引空间执行载波剥离内核，对输入的N毫秒数据进行载波剥离，所述一维索引空间包含N个工作组，每个工作组执行1毫秒数据的载波剥离操作；

S32、以二维的索引空间执行短时相关内核，在剥离载波后的N毫秒数据中同步对C个码相位进行短时相关计算，所述短时相关计算将连续的1/M毫秒数据分I、Q两路剥离伪码后分别进行累加，N毫秒数据可得到N·M个短时相关值，所述索引空间的X维上的工作组对应处理同一毫秒的数据，且每个工作组处理1/M毫秒的数据，Y维上的工作组对应处理不同毫秒的数据；

S33、以一维的索引空间执行FFT内核，对每个码相位的短时相关结果进行FFT分析，所述索引空间的每个工作项对应处理一个码相位的N·M点FFT计算。

所述并行跟踪模块对应的命令队列循环执行的内核操作包括：

S41、相干积分内核，以二维的索引空间执行，在输入的T毫秒数据中同步对S个信号通道进行相干积分计算，所述相干积分计算将T毫秒数据分I、Q两路剥离伪码和载波后分别进行累加，所述索引空间的X维上的工作组对应处理同一通道的不同相关器的相干积分计算，且每个工作组处理一个相关器的计算，Y维上的工作组对应处理不同通道的计算；

S42、环路更新内核，以一维索引空间执行，用来更新码环和载波环，所述索引空间中的每个工作项处理一个信号的环路更新操作；

S43、并行跟踪模块将环路更新操作也放在设备端执行，m次连续跟踪过程无需和主机端进行数据交互，使得设备端可以实时运行更多的跟踪通道。

所述欺骗检测单元的检测流程如下：

（1）从噪底估计单元获取连续的噪声基底数据，监测噪声基底异常的变化；

（2）从多峰捕获单元获取捕获数据，监测每颗卫星捕获到的信号数量和相关峰峰值的异常变化；

（3）从多信号跟踪单元获取跟踪的数据，监测每个编号的卫星中跟踪信号的数量和跟踪过程相关函数异常的变化；

（4）将上述不同信号特征的检测结果进行综合判决，确认是否存在欺骗信号。

所述欺骗检测单元的综合判决具体如下：

S51、若噪声基底未出现异常，判决欺骗信号不存在，结束判决流程，否则进入步骤S52；

S52、选取一颗已经被捕获的卫星，若捕获相关峰峰值发生异常或存在多个超出阈值的捕获相关峰，则判决该卫星被欺骗，进入S54，否则进入步骤S53；

S53、若该卫星的相关函数存在异常的畸变，则判决该卫星被欺骗，否则判决欺骗信号不存在；

S54、结束当前卫星的判决，若存在其他已捕获卫星则返回执行步骤S52；

S55、统计被欺骗卫星数量，若被检测的所有卫星中被欺骗卫星数量占比超出设定的阈值，判决欺骗信号存在，否则判决欺骗信号不存在同时标记被欺骗卫星为弱信号卫星。

采用上述方案后，本发明利用OpenCL异构计算框架设计并行捕获模块和并行跟踪模块的基带信号处理加速内核，OpenCL平台可驱动CPU、GPU、FPGA等兼容OpenCL标准的并行处理器执行并行加速内核，解决并行加速方案跨平台问题；本发明设计的基于多峰捕获和多信号跟踪单元的“哨兵式”防欺骗架构定期执行捕获流程，识别并跟踪所有异常信号分量，在欺骗环境中可以同时捕获跟踪真实信号和欺骗信号，该架构提供了更多的基带信息，为欺骗检测、识别和抑制一体化提供底层支持，基于该基带结构用户可以很方便地扩展自己的防欺骗方案。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明原理框图；

图2为本发明多峰捕获单元组成示意图；

图3为本发明并行捕获模块运行模式图；

图4为本发明多信号跟踪单元组成示意图；

图5为本发明并行跟踪模块相干积分内核索引空间分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其包括控制中心单元、数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元、多信号跟踪单元。

所述控制中心单元，用于连接数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元和多信号跟踪单元，并对这些单元进行控制；所述数据输入单元，用于从外部存储区读取中频数据；所述降采样单元，连接数据输入单元，用于输入中频数据，并降低中频数据采样率，输出采样频率降低后的中频数据；所述噪底估计单元，连接降采样单元，用于输入采样频率降低后的中频数据，并对该采样频率降低后的中频数据进行实时噪底估计，输出噪声基底数据。

数据输出单元连接噪底估计单元、多峰捕获单元的多峰检测模块、多信号跟踪单元的并行跟踪模块和失锁检测模块，输入噪声基底数据、捕获结果、并行跟踪结果、载噪比数据，用于存储并输出基带装置的运行结果，即输出噪声基底数据、捕获结果、并行跟踪结果、载噪比数据。

控制中心单元的具体控制如下：

S1、初始化数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元、多信号跟踪单元；

S2、运行数据输入单元，获取中频数据；然后运行降采样单元降低中频数据采样率；接着执行噪底估计单元，获取并存储实时噪底数据；

S3、若经过一个定时启动周期时间或跟踪转捕获模块返回重捕获请求，则运行多峰捕获单元，获取并存储捕获结果，否则执行S4；

S4、运行多信号跟踪单元，进行信号跟踪操作并存储跟踪结果；

S5、运行防欺骗单元，获取并存储防欺骗结果；

S6、运行数据输出单元，将基带处理结果传到外部存储区；

S7、返回S2，循环进行操作。

多峰捕获单元包括并行捕获模块、多峰检测模块、信号校验模块；

其中，所述并行捕获模块基于支持OpenCL异构计算标准的并行处理器并采用OpenCL框架设计，该并行捕获模块连接降采样单元，用于捕获卫星，并在该并行捕获模块的并行处理器中加速捕获过程，其输出为FFT计算结果。多峰检测模块连接并行捕获模块和噪底估计单元，用于输入FFT结果和噪声基底数据，用于识别可见卫星，同时获取每一颗可见卫星中所有的信号分量，输出捕获到的卫星信息。信号校验模块连接多峰检测模块，用于输入捕获到的卫星信息，用于校验多峰检测模块检测到的信号分量是否已被跟踪，若信号未被跟踪则为其分配跟踪通道，输出的是每一颗捕获到的卫星中新信号的数量及其具体的信号参数。

如图2所示，多峰捕获单元的实施步骤如下：

（1）运行并行捕获模块，获取捕获结果；

（2）运行多峰检测模块，获取可见卫星多峰检测结果；

（3）运行信号校验模块，检测新信号。

如图3所示，并行捕获模块的具体处理如下：

主机端将降采样后的N毫秒中频数据复制到设备端，之后同时启动每一颗卫星对应的命令队列，每个命令队列将顺序执行其搭载的内核，然后等待设备端并发执行完所有的命令队列，最后将执行结果复制到主机端。

具体的，每个命令队列中内核执行的操作包括：

S31、以一维的索引空间执行载波剥离内核，对输入的N毫秒数据进行载波剥离，所述一维索引空间包含N个工作组，每个工作组执行1毫秒数据的载波剥离操作；

S32、以二维的索引空间执行短时相关内核，在剥离载波后的N毫秒数据中同步对C个码相位进行短时相关计算，所述短时相关计算将连续的1/M毫秒数据分I、Q两路剥离伪码后分别进行累加，N毫秒数据可得到N·M个短时相关值，所述索引空间的X维上的工作组对应处理同一毫秒的数据，且每个工作组处理1/M毫秒的数据，Y维上的工作组对应处理不同毫秒的数据；

S33、以一维的索引空间执行FFT内核，对每个码相位的短时相关结果进行FFT分析，所述索引空间的每个工作项对应处理一个码相位的N·M点FFT计算。

多峰检测模块的具体处理如下：

从并行捕获模块读取捕获后的FFT数据，针对每颗卫星，首先根据噪底估计单元提供的实时噪底数据确定捕获阈值，在FFT结果中筛选出所有超过捕获阈值的数据；接着将筛选后的FFT结果按FFT模值从高到低排序，在筛选出的数据中剔除码相位相差小于等于1码片同时多普勒频移相差小于等于多普勒分辨率的数据，仅保留其中数值最大的结果；最后，记录该编号卫星中残留的信号数量，根据FFT结果计算并保存所有残留信号的码相位、多普勒、捕获峰值信息。

信号校验模块的具体处理如下：

针对每颗被捕获的卫星循环处理该卫星的多个信号分量，针对每个信号分量首先校验该信号分量是否属于新出现的信号，具体的鉴别方法为遍历该卫星关联的所有跟踪通道，若该卫星正在跟踪的信号分量与待校验信号分量码相位相差1码片以内同时两者多普勒差值小于多普勒分辨率，则判定待校验分量为已经存在的信号，否则判定待校验分量为新出现的信号；若待校验信号为新的信号分量，则为其分配一空闲跟踪通道。

如图4所示，所述多信号跟踪单元包括并行跟踪模块、失锁检测模块、跟踪转捕获模块。其中，所述并行跟踪模块基于支持OpenCL异构计算标准的并行处理器并采用OpenCL框架设计，该并行跟踪模块连接降采样模块，用于输入采样频率降低后的中频信号，用于跟踪每一颗被捕获卫星中所有的信号分量，并在该并行跟踪模块的并行处理器中加速跟踪过程，输出各个跟踪通道跟踪过程的相干积分结果和多普勒频移、码相位、载波相位等基带观测量。失锁检测模块连接并行跟踪模块和噪底估计单元，输入相干积分结果和噪声基底数据，用于检测信号是否失锁，输出载噪比数据和失锁卫星的记录。跟踪转捕获模块连接失锁检测模块，输入的是失锁卫星的记录，用于保存失锁通道的信息，尝试重新捕获该信号，输出待重捕卫星的记录。

该多信号跟踪单元的实施步骤如下：

（1）运行并行跟踪模块，进行信号跟踪；

（2）运行失锁检测模块，检测信号跟踪状态；

（3）运行跟踪转捕获模块，尝试重捕获失锁信号；

失锁检测模块的具体处理如下：

循环遍历每个跟踪通道，在每个跟踪通道中根据并行跟踪模块输出的相干积分结果和噪底估计单元输出的噪声基底数据计算并保存该跟踪通道对应信号的载噪比，若载噪比低于设定的检测阈值则判定该跟踪通道失锁并将其标记为失锁状态。

跟踪转捕获模块的具体处理如下：

循环遍历失锁的跟踪通道，对于每一个失锁的通道检查通道运行时间，若通道运行时间小于设定的阈值，则不进行重捕获操作，否则保存当前跟踪通道信息并向控制中心提交重捕获请求。最后，释放该跟踪通道将其标记为空闲状态。

如图5所示，并行跟踪模块的具体处理如下：

主机端将降采样后的ｍ·T毫秒中频数据复制到设备端，接着将跟踪通道的信息备份到设备端跟踪通道缓存区，在一个命令队列中完成多通道的并行连续跟踪：首先在设备端对第一个T毫秒数据执行相干积分内核，若时间戳到达环路更新周期，则在设备端跟踪通道缓存区中执行环路更新内核，接着跟踪下一个T毫秒数据，依次循环处理ｍ次，最后将相干积分结果和跟踪通道缓存区复制到主机端，更新跟踪通道的参数。

具体的，并行跟踪模块对应的命令队列循环执行的内核操作包括：

S41、相干积分内核，以二维的索引空间执行，在输入的T毫秒数据中同步对S个信号通道进行相干积分计算，所述相干积分计算将T毫秒数据分I、Q两路剥离伪码和载波后分别进行累加，所述索引空间的X维上的工作组对应处理同一通道的不同相关器的相干积分计算，且每个工作组处理一个相关器的计算，Y维上的工作组对应处理不同通道的计算；

S42、环路更新内核，以一维索引空间执行，用来更新码环和载波环，所述索引空间中的每个工作项处理一个信号的环路更新操作；

S43、并行跟踪模块将环路更新操作也放在设备端执行，m次连续跟踪过程无需和主机端进行数据交互，使得设备端可以实时运行更多的跟踪通道。

所述欺骗检测单元，连接噪底估计单元、多峰捕获单元的多峰检测模块和多信号跟踪单元的并行跟踪模块和失锁检测模块，输入的是噪声基底数据、每个信号的多峰检测结果、并行跟踪结果、载噪比数据，用于综合基带观测信息，判决是否存在欺骗信号，输出欺骗检测结果。

所述欺骗检测单元的检测流程如下：

（1）从噪底估计单元获取连续的噪声基底数据，监测噪声基底异常的变化；

（2）从多峰捕获单元获取捕获数据，监测每颗卫星捕获到的信号数量和相关峰峰值的异常变化；

（3）从多信号跟踪单元获取跟踪的数据，监测每个编号的卫星中跟踪信号的数量和跟踪过程相关函数异常的变化；

（4）将上述不同信号特征的检测结果进行综合判决，确认是否存在欺骗信号。

欺骗检测单元的一种可供参考的综合判决步骤如下：

S51、若噪声基底未出现异常，判决欺骗信号不存在，结束判决流程，否则进入步骤S52。

S52、选取一颗已经被捕获的卫星，若捕获相关峰峰值发生异常或存在多个超出阈值的捕获相关峰，则判决该卫星被欺骗，进入S54，否则进入步骤S53。

S53、若该卫星的相关函数存在异常的畸变，则判决该卫星被欺骗，否则判决欺骗信号不存在。

S54、结束当前卫星的判决，若存在其他已捕获卫星则返回执行步骤S52。

S55、统计被欺骗卫星数量，若被检测的所有卫星中被欺骗卫星数量占比超出设定的阈值，判决欺骗信号存在，否则判决欺骗信号不存在同时标记被欺骗卫星为弱信号卫星。

并行捕获模块和并行跟踪模块提到的加速内核是依据OpenCL标准进行设计。其中提到的主机端和设备端、索引空间，命令队列、工作组等都是OpenCL框架中的名词。即，所述内核为OpenCL内核，所述命令队列为OpenCL命令队列，所述设备端为OpenCL设备端。

本发明利用OpenCL异构计算框架设计并行捕获模块和并行跟踪模块的基带信号处理加速内核，OpenCL平台可驱动CPU、GPU、FPGA等兼容OpenCL标准的并行处理器执行并行加速内核，解决并行加速方案跨平台问题；本发明设计的基于多峰捕获和多信号跟踪单元的“哨兵式”防欺骗架构定期执行捕获流程，识别并跟踪所有异常信号分量，在欺骗环境中可以同时捕获跟踪真实信号和欺骗信号，该架构提供了更多的基带信息，为欺骗检测、识别和抑制一体化提供底层支持，基于该基带结构用户可以很方便地扩展自己的防欺骗方案。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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应理解为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。

Claims (5)

1.一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其特征在于：包括控制中心单元、数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元、多信号跟踪单元；

所述控制中心单元，用于连接数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元和多信号跟踪单元，并对这些单元进行控制；所述数据输入单元，用于从外部存储区读取中频数据；所述降采样单元，连接数据输入单元，用于输入中频数据，并降低中频数据采样率，输出采样频率降低后的中频数据；所述噪底估计单元，连接降采样单元，用于输入采样频率降低后的中频数据，并对该采样频率降低后的中频数据进行实时噪底估计，输出噪声基底数据；

所述多峰捕获单元包括并行捕获模块、多峰检测模块、信号校验模块；

其中，所述并行捕获模块基于支持OpenCL异构计算标准的并行处理器并采用OpenCL框架设计，该并行捕获模块连接降采样单元，用于捕获卫星，并在该并行捕获模块的并行处理器中加速捕获过程，其输出为FFT计算结果；

所述多峰检测模块连接并行捕获模块和噪底估计单元，用于输入FFT结果和噪声基底数据，用于识别可见卫星，同时获取每一颗可见卫星中所有的信号分量，输出捕获到的卫星信息；

所述信号校验模块连接多峰检测模块，用于输入捕获到的卫星信息，用于校验多峰检测模块检测到的信号分量是否已被跟踪，若信号未被跟踪则为其分配跟踪通道，输出的是每一颗捕获到的卫星中新信号的数量及其具体的信号参数；

所述多信号跟踪单元包括并行跟踪模块、失锁检测模块、跟踪转捕获模块；

其中，所述并行跟踪模块基于支持OpenCL异构计算标准的并行处理器并采用OpenCL框架设计，该并行跟踪模块连接降采样单元，用于输入采样频率降低后的中频信号，用于跟踪每一颗被捕获卫星中所有的信号分量，并在该并行跟踪模块的并行处理器中加速跟踪过程，输出各个跟踪通道跟踪过程的相干积分结果和多普勒频移、码相位、载波相位；

所述失锁检测模块连接并行跟踪模块和噪底估计单元，输入相干积分结果和噪声基底数据，用于检测信号是否失锁，输出载噪比数据和失锁卫星的记录；

所述跟踪转捕获模块连接失锁检测模块，输入的是失锁卫星的记录，用于保存失锁通道的信息，尝试重新捕获该信号，输出待重捕卫星的记录；

所述欺骗检测单元，连接噪底估计单元、多峰捕获单元的多峰检测模块和多信号跟踪单元的并行跟踪模块和失锁检测模块，输入的是噪声基底数据、每个信号的多峰检测结果、并行跟踪结果、载噪比数据，用于综合基带观测信息，判决是否存在欺骗信号，输出欺骗检测结果；

数据输出单元连接噪底估计单元、多峰捕获单元的多峰检测模块、多信号跟踪单元的并行跟踪模块和失锁检测模块，输入噪声基底数据、捕获结果、并行跟踪结果、载噪比数据，用于存储并输出基带装置的运行结果，即输出噪声基底数据、捕获结果、并行跟踪结果、载噪比数据；

所述控制中心单元的具体控制如下：

S1、初始化数据输入单元、数据输出单元、降采样单元、噪底估计单元、欺骗检测单元、多峰捕获单元、多信号跟踪单元；

S2、运行数据输入单元，获取中频数据；然后运行降采样单元降低中频数据采样率；接着执行噪底估计单元，获取并存储实时噪底数据；

S3、若经过一个定时启动周期时间或跟踪转捕获模块返回重捕获请求，则运行多峰捕获单元，获取并存储捕获结果，否则执行S4；

S4、运行多信号跟踪单元，进行信号跟踪操作并存储跟踪结果；

S5、运行防欺骗单元，获取并存储防欺骗结果；

S6、运行数据输出单元，将基带处理结果传到外部存储区；

S7、返回S2，循环进行操作；

所述多峰捕获单元的实施步骤如下：

（1）运行并行捕获模块，获取捕获结果；

（2）运行多峰检测模块，获取可见卫星多峰检测结果；

（3）运行信号校验模块，检测新信号；

所述并行捕获模块的具体处理如下：

主机端将降采样后的N毫秒中频数据复制到设备端，之后同时启动每一颗卫星对应的命令队列，每个命令队列将顺序执行其搭载的内核，然后等待设备端并发执行完所有的命令队列，最后将执行结果复制到主机端；

所述多峰检测模块的具体处理如下：

从并行捕获模块读取捕获后的FFT数据，针对每颗卫星，首先根据噪底估计单元提供的实时噪底数据确定捕获阈值，在FFT结果中筛选出所有超过捕获阈值的数据；接着将筛选后的FFT结果按FFT模值从高到低排序，在筛选出的数据中剔除码相位相差小于等于1码片同时多普勒频移相差小于等于多普勒分辨率的数据，仅保留其中数值最大的结果；最后，记录卫星编号及该编号卫星中残留的信号数量，根据FFT结果计算并保存所有残留信号的码相位、多普勒、捕获峰值信息；

所述信号校验模块的具体处理如下：

针对每颗被捕获的卫星循环处理该卫星的多个信号分量，针对每个信号分量首先校验该信号分量是否属于新出现的信号，具体的鉴别方法为遍历该卫星关联的所有跟踪通道，若该卫星正在跟踪的信号分量与待校验信号分量码相位相差1码片以内同时两者多普勒差值小于多普勒分辨率，则判定待校验分量为已经存在的信号，否则判定待校验分量为新出现的信号；若待校验信号为新的信号分量，则为其分配一空闲跟踪通道；

所述多信号跟踪单元的实施步骤如下：

（1）运行并行跟踪模块，进行信号跟踪；

（2）运行失锁检测模块，检测信号跟踪状态；

（3）运行跟踪转捕获模块，尝试重捕获失锁信号；

所述并行跟踪模块的具体处理如下：

主机端将降采样后的ｍ·T毫秒中频数据复制到设备端，接着将跟踪通道的信息备份到设备端跟踪通道缓存区，在一个命令队列中完成多通道的并行连续跟踪：首先在设备端对第一个T毫秒数据执行相干积分内核，若时间戳到达环路更新周期，则在设备端跟踪通道缓存区中执行环路更新内核，接着跟踪下一个T毫秒数据，依次循环处理ｍ次，最后将相干积分结果和跟踪通道缓存区复制到主机端，更新跟踪通道的参数。

2.根据权利要求1所述的一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其特征在于：所述并行捕获模块处理时，每个命令队列中内核执行的操作包括：

S31、以一维的索引空间执行载波剥离内核，对输入的N毫秒数据进行载波剥离，所述一维索引空间包含N个工作组，每个工作组执行1毫秒数据的载波剥离操作；

S32、以二维的索引空间执行短时相关内核，在剥离载波后的N毫秒数据中同步对C个码相位进行短时相关计算，所述短时相关计算将连续的1/M毫秒数据分I、Q两路剥离伪码后分别进行累加，N毫秒数据可得到N·M个短时相关值，所述索引空间的X维上的工作组对应处理同一毫秒的数据，且每个工作组处理1/M毫秒的数据，Y维上的工作组对应处理不同毫秒的数据；

S33、以一维的索引空间执行FFT内核，对每个码相位的短时相关结果进行FFT分析，所述索引空间的每个工作项对应处理一个码相位的N·M点FFT计算。

3.根据权利要求1所述的一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其特征在于：所述并行跟踪模块对应的命令队列循环执行的内核操作包括：

S41、相干积分内核，以二维的索引空间执行，在输入的T毫秒数据中同步对S个信号通道进行相干积分计算，所述相干积分计算将T毫秒数据分I、Q两路剥离伪码和载波后分别进行累加，所述索引空间的X维上的工作组对应处理同一通道的不同相关器的相干积分计算，且每个工作组处理一个相关器的计算，Y维上的工作组对应处理不同通道的计算；

S42、环路更新内核，以一维索引空间执行，用来更新码环和载波环，所述索引空间中的每个工作项处理一个信号的环路更新操作；

S43、并行跟踪模块将环路更新操作也放在设备端执行，m次连续跟踪过程无需和主机端进行数据交互，使得设备端可以实时运行更多的跟踪通道。

4.根据权利要求1所述的一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其特征在于：所述欺骗检测单元的检测流程如下：

（1）从噪底估计单元获取连续的噪声基底数据，监测噪声基底异常的变化；

（2）从多峰捕获单元获取捕获数据，监测每颗卫星捕获到的信号数量和相关峰峰值的异常变化；

（3）从多信号跟踪单元获取跟踪的数据，监测每个编号的卫星中跟踪信号的数量和跟踪过程相关函数异常的变化；

（4）将上述不同信号特征的检测结果进行综合判决，确认是否存在欺骗信号。

5.根据权利要求4所述的一种异构并行处理器加速的GNSS防欺骗基带装置，其特征在于：所述欺骗检测单元的综合判决具体如下：

S51、若噪声基底未出现异常，判决欺骗信号不存在，结束判决流程，否则进入步骤S52；

S52、选取一颗已经被捕获的卫星，若捕获相关峰峰值发生异常或存在多个超出阈值的捕获相关峰，则判决该卫星被欺骗，进入S54，否则进入步骤S53；

S53、若该卫星的相关函数存在异常的畸变，则判决该卫星被欺骗，否则判决欺骗信号不存在；

S54、结束当前卫星的判决，若存在其他已捕获卫星则返回执行步骤S52；

S55、统计被欺骗卫星数量，若被检测的所有卫星中被欺骗卫星数量占比超出设定的阈值，判决欺骗信号存在，否则判决欺骗信号不存在同时标记被欺骗卫星为弱信号卫星。