本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬生成領(lǐng)域，特別是涉及衛(wèi)星導(dǎo)航擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)時(shí)仿真生成領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

導(dǎo)航信號(hào)模擬系統(tǒng)能夠根據(jù)收發(fā)載體的位置信息，仿真生成動(dòng)態(tài)的導(dǎo)航信號(hào)，測(cè)試接收設(shè)備的性能指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)集成以及導(dǎo)航接收設(shè)備的研發(fā)測(cè)試。

導(dǎo)航信號(hào)仿真包括預(yù)先生成與信號(hào)實(shí)時(shí)生成兩種方式。在預(yù)先生成方式中，仿真軟件利用CPU對(duì)各采樣點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行串行計(jì)算，各種信號(hào)體制變更修改靈活方便，但運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足實(shí)時(shí)仿真的要求，通常用于離線的算法性能測(cè)試。信號(hào)實(shí)時(shí)生成方式中，通過(guò)FPGA、DSP等高速信號(hào)處理器件實(shí)現(xiàn)三階DDS(Direct Digital Synthesizer)，實(shí)時(shí)運(yùn)算生成數(shù)字采樣信號(hào)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)方式實(shí)時(shí)性強(qiáng)，各種信號(hào)體制的編程實(shí)現(xiàn)與修改相對(duì)復(fù)雜。

GPU中有大量的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，目前主流GPU的浮點(diǎn)運(yùn)算能力是主流CPU浮點(diǎn)運(yùn)算能力的十幾倍。近幾年，隨著GPU技術(shù)的發(fā)展，基于GPU的通用計(jì)算技術(shù)開始應(yīng)用于工程仿真計(jì)算領(lǐng)域，相關(guān)專家和研究機(jī)構(gòu)對(duì)GPU通用計(jì)算在導(dǎo)航信號(hào)仿真領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

傳統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)模擬算法通過(guò)三階DDS相位累加計(jì)算動(dòng)態(tài)的信號(hào)，后面采樣點(diǎn)的計(jì)算依賴于前面的相位計(jì)算值，不適于并行算法加速。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種衛(wèi)星導(dǎo)航高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)時(shí)生成方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中高動(dòng)態(tài)信號(hào)軟件仿真生成運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

本發(fā)明在分析靜態(tài)信號(hào)生成模型和分段插值運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，建立了一種高動(dòng)態(tài)信號(hào)生成模型，利用多項(xiàng)式分段擬合高速變化的信號(hào)偽距，在每一段時(shí)間內(nèi)，由動(dòng)態(tài)參數(shù)和當(dāng)前時(shí)間計(jì)算瞬時(shí)偽碼相位和瞬時(shí)載波相位，各采樣點(diǎn)間的計(jì)算不相關(guān)，在多通道、高數(shù)據(jù)率仿真情況下，該并行算法充分利用GPU中大量的浮點(diǎn)運(yùn)算單元加速仿真計(jì)算過(guò)程，實(shí)時(shí)仿真動(dòng)態(tài)偽碼擴(kuò)頻信號(hào)。

靜態(tài)偽碼擴(kuò)頻信號(hào)生成模型如式(1)

其中A(t)為信號(hào)幅度，C(t)為擴(kuò)頻偽碼，D(t)為調(diào)制的電文信息，f為載波頻率，τ為信號(hào)群延遲，為載波初相。靜態(tài)的信號(hào)，其信號(hào)群延遲τ和載波相位保持不變。

動(dòng)態(tài)信號(hào)的偽距和載波相位均隨著時(shí)間而變化，本發(fā)明著重對(duì)動(dòng)態(tài)的偽距和載波相位進(jìn)行研究，建立動(dòng)態(tài)的偽碼擴(kuò)頻信號(hào)生成模型如式(2)

f_c為偽碼頻率，為瞬時(shí)偽碼相位，f_D為信息速率，為瞬時(shí)電文相位，_f0為載波頻率，為瞬時(shí)載波相位。

對(duì)于高動(dòng)態(tài)的導(dǎo)航信號(hào)，隨時(shí)間快速變化的偽距通常采用多項(xiàng)式分段擬合的方法進(jìn)行插值計(jì)算。在第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)，給定一組信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)則該段時(shí)間內(nèi)任一點(diǎn)的瞬時(shí)偽距為：

瞬時(shí)載波偽距為：

其中Δt為相對(duì)參考時(shí)間點(diǎn)的變化時(shí)間。

轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)偽碼相位得到：

轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)電文相位得到：

轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)載波相位(單位弧度)，得到：

其中c為光速，將公式(5)、公式(6)和公式(7)代入公式(2)得到

設(shè)采樣時(shí)間間隔為T_s，離散的擴(kuò)頻信號(hào)為

式中n_r為相對(duì)參考點(diǎn)的采樣點(diǎn)數(shù)。

通過(guò)以上分析可知該算法可以直接根據(jù)給定的動(dòng)態(tài)參數(shù)及當(dāng)前采樣點(diǎn)的時(shí)間，計(jì)算各離散采樣點(diǎn)處的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)，由于各采樣點(diǎn)間的信號(hào)計(jì)算彼此不相關(guān)，故可利用GPU中大量的運(yùn)算單元通過(guò)并行計(jì)算加快仿真運(yùn)算速度。在以上分析的基礎(chǔ)上，下面對(duì)本發(fā)明提供的基于GPU的高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)時(shí)仿真方法的具體操作進(jìn)行詳細(xì)介紹。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

一種基于GPU的高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)時(shí)仿真生成方法，其步驟如下：

(1)在GPU設(shè)備端為輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)分配存儲(chǔ)空間，在CPU主機(jī)端為輸出仿真信號(hào)值分配存儲(chǔ)空間；

(2)將電文信息、擴(kuò)頻碼、信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)由CPU主機(jī)端拷貝到GPU設(shè)備端；

(3)在GPU中調(diào)用信號(hào)仿真核函數(shù)，由當(dāng)前時(shí)間及信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)，并行插值計(jì)算當(dāng)前瞬時(shí)偽距和瞬時(shí)載波偽距。對(duì)于高動(dòng)態(tài)的導(dǎo)航信號(hào)，偽距通常采用三次多項(xiàng)式分段擬合的方法進(jìn)行插值計(jì)算，在第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)，給定一組信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)采樣時(shí)間間隔為T_s，則該段時(shí)間內(nèi)任一點(diǎn)的瞬時(shí)偽距瞬時(shí)載波偽距

(4)由瞬時(shí)偽距和瞬時(shí)載波偽距并行計(jì)算瞬時(shí)偽碼相位瞬時(shí)電文相位和瞬時(shí)載波相位計(jì)算公式分別為：

(5)由瞬時(shí)電文相位查找當(dāng)前時(shí)刻的電文比特，由瞬時(shí)偽碼相位查找當(dāng)前時(shí)刻的擴(kuò)頻碼，由瞬時(shí)載波相位查找當(dāng)前時(shí)刻的載波幅度值，使用公式計(jì)算得到當(dāng)前采樣點(diǎn)的信號(hào)值S(nT_s)；

(6)將仿真的信號(hào)值由GPU設(shè)備端拷貝回CPU主機(jī)端。

依據(jù)上述算法，本發(fā)明將仿真信號(hào)按段劃分，組織成多維的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與GPU中層次化的線程模型對(duì)應(yīng)并行進(jìn)行計(jì)算。每秒仿真信號(hào)的劃分如圖1所示。

高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)衛(wèi)星在徑向投影上的偽距、速度、加速度、加加速度等參數(shù)快速變化，為了描述這種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，通常采用分段高階多項(xiàng)式插值模型，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程劃分為m段，各段信號(hào)分別給定一組動(dòng)態(tài)參數(shù)采用三次多項(xiàng)式擬合變化的偽距。本發(fā)明中，采用GPU并行插值計(jì)算偽距，通常線程塊中線程不超過(guò)1024個(gè)，所以將每段信號(hào)又劃分為n個(gè)線程塊(Block)，所有的線程塊組成一個(gè)m×n的線程格(Grid)，每個(gè)線程塊由i個(gè)線程組成，每個(gè)線程運(yùn)行一個(gè)采樣點(diǎn)信號(hào)仿真計(jì)算的核函數(shù)(Kernel)，m×n i×即為每秒的采樣點(diǎn)數(shù)。

高數(shù)據(jù)率的信號(hào)仿真，每秒的仿真數(shù)據(jù)量通常有幾百兆字節(jié)，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間也需要予以考慮優(yōu)化，采用分頁(yè)鎖定內(nèi)存或內(nèi)存映射的方式可以減少在主機(jī)內(nèi)存和設(shè)備內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、對(duì)于高動(dòng)態(tài)信號(hào)仿真，本發(fā)明利用動(dòng)態(tài)參數(shù)和當(dāng)前時(shí)間，直接計(jì)算瞬時(shí)偽碼相位和瞬時(shí)載波相位，相比三階DDS實(shí)現(xiàn)的方法，本發(fā)明的并行算法各采樣點(diǎn)間的計(jì)算不相關(guān)，能夠充分利用大量的浮點(diǎn)運(yùn)算單元加速仿真計(jì)算過(guò)程；

2、本發(fā)明通過(guò)GPU并行計(jì)算的方法，相比CPU軟件仿真縮短了仿真時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偽碼擴(kuò)頻信號(hào)的實(shí)時(shí)仿真；

3、本發(fā)明通過(guò)GPU軟件并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)偽碼擴(kuò)頻信號(hào)的方法，相比FPGA、DSP等嵌入式器件實(shí)現(xiàn)的方法，成本低、配置變換更靈活。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明技術(shù)方案提供的仿真信號(hào)多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劃分

圖2是本發(fā)明提供的基于GPU的高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)時(shí)仿真生成方法的流程圖

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

基于GPU的高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航信號(hào)生成方法流程如圖2：

步驟S1分配輸入輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間

在GPU設(shè)備端和CPU主機(jī)端使用cudaMalloc()和cudaMallocHost()為輸入的信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)和輸出仿真信號(hào)值分配存儲(chǔ)空間；

步驟S2傳輸輸入?yún)?shù)到GPU設(shè)備端

使用cudaMemcpy()函數(shù)將電文信息、擴(kuò)頻碼、信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)由CPU主機(jī)端拷貝到GPU設(shè)備端；

步驟S3在GPU中并行計(jì)算瞬時(shí)偽距和瞬時(shí)載波偽距

調(diào)用信號(hào)仿真核函數(shù)，由當(dāng)前時(shí)間及信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在GPU中采用公式(10)、公式(11)對(duì)當(dāng)前瞬時(shí)偽距和瞬時(shí)載波偽距進(jìn)行并行插值計(jì)算；

步驟S4在GPU中并行計(jì)算瞬時(shí)偽碼相位、瞬時(shí)電文相位和瞬時(shí)載波相位

由上一步計(jì)算的瞬時(shí)偽距和瞬時(shí)載波偽距，在GPU中采用公式(12)、公式(13)和公式(14)并行計(jì)算當(dāng)前瞬時(shí)偽碼相位、瞬時(shí)電文相位和瞬時(shí)載波相位；

步驟S5在GPU中并行計(jì)算各采樣點(diǎn)的信號(hào)值

由步聚S4計(jì)算的瞬時(shí)電文相位查找當(dāng)前時(shí)刻的電文比特，由計(jì)算的瞬時(shí)偽碼相位查找當(dāng)前時(shí)刻的擴(kuò)頻碼，由計(jì)算的瞬時(shí)載波相位查找當(dāng)前時(shí)刻的載波幅度值，根據(jù)公式(15)計(jì)算出當(dāng)前采樣點(diǎn)的信號(hào)值；

步驟S6傳輸仿真的信號(hào)值到CPU主機(jī)端

將仿真的信號(hào)值由GPU設(shè)備端拷貝回CPU主機(jī)端。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。