基于GPU的GNSS多星座软件接收机设计与验证

摘要

卫星导航定位系统现已在国民生产和生活中扮演着非常重要的角色，也是各国相互竞争的热门领域。软件接收机可以通过提供一个相对通用性、灵活性、开放性的平台使卫星导航信号的研究更加方便快捷，而GPU作为时下高性能并行计算的热点，非常适用于大规模数据并行运算。将GPU加入到软件接收机的结构中，并将其作为核心计算硬件，可以为接收机提供更强大的计算性能和高并发特性。本课题正是将 GPU作为软件接收机的核心处理器进行研究，对未来基于 GPU和高性能接收机交叉领域应用开发具有深远意义。本文主要研究内容和创新点如下：
　　1、本文较全面地介绍了 GPU高性能计算平台的内核结构、GPU程序并发执行流程和数据传输模式，以及GPU程序的优化加速方法。并通过对GNSS各导航信号参数分析，提出信号兼容输入的接收机处理方案。
　　2、执行效率越高、运算量越小的算法在CPU中表现优异但在GPU中并非是最好。论文从算法适用领域、并行执行效率、加速比等多个角度上进行分析，总结得出GPU高性能计算平台的计算特性。根据现有的信号捕获理论，将并行频率捕获和并行码相位捕获这两种常用算法移植到GPU平台，实现并验证算法在GPU平台上的运行性能比。并提出了一种多星座兼容捕获设计方案，提高接收机的信号处理能力。
　　3、针对接收机中的跟踪环路模块，本文设计了一种数据更新策略实现GPU计算数据的循环迭代更新，提高GPU中数据的重复利用率。并引入了规约算法和流加速方法，使跟踪环路算法可以并行加速执行环路相干积分运算。实际运行对比分析，基于 GPU的跟踪环路设计相比 CPU平台具有更高的执行加速比，而且在信号持续跟踪的运算处理上也有非常大的优势。为满足多信号兼容性，从多星座跟踪环路分析中提出一种可配置的兼容跟踪通道算法。
　　4、根据系统功能需求分析，提出多星座位置解算模块的设计方案并使用自适应并行处理算法进行接收机的负载均衡调控。结合捕获跟踪对比分析结果和GNSS接收机兼容方案设计，进行软件接收机原型系统实现及验证。
　　本文通过对比分析总结得出 GPU平台的计算特性，有助于今后基于 GPU的实际应用开发。并验证了一种GNSS多星座兼容接收机原型系统，对GPU高性能接收机领域研究与应用具有一定的指导意义。

目录

声明

略缩词表

第一章 绪论

1.2 论文的研究意义和现状

1.3 论文主要工作与结构

第二章 GNSS多星座信号分析与GPU高性能平台理论

2.1 GNSS多星座信号处理

2.2 GPU高性能计算平台

2.3 接收机处理任务描述

第三章 基于GPU的信号捕获算法实现与对比分析

3.1 并行码相位搜索的GPU实现

3.2 并行频率搜索的GPU实现

3.3捕获搜索算法性能对比分析

3.4 GNSS多星座兼容捕获设计

3.5 本章总结

第四章 基于GPU的跟踪环路算法实现与对比分析

4.1 基于GPU的常规跟踪环路实现

4.2 跟踪环路算法性能对比分析

4.3 GNSS多星座兼容跟踪通道设计

4.4 本章总结

第五章 原型系统实现与验证

5.2 兼容定位解算模块及自适应并行处理

5.3 原型系统验证方案

5.4 原型系统实现

5.5 本章总结

第六章 总结与展望

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果