基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机及其导航方法技术

本发明专利技术提供一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机，包括天线模块、射频前端模块、中频数字信号采集模块以及数据处理模块，数据处理模块包括图形处理器、中央处理器以及惯性导航单元，通过天线模块接收卫星导航信号，再通过射频前端模块对接收到的卫星导航信号进行低噪声放大和滤波处理，然后再由中频数字信号采集模块对接收到的卫星导航信号进行采样，得到中频采样数据，再将该中频采样数据传输给数据处理模块，并由惯性导航单元提供辅助数据来缩小频率捕获范围，由中央处理器和图形处理器完成卫星导航信号的捕获、跟踪和解算。本发明专利技术还提供一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机的导航方法，减少了捕获所需运算时间，提高捕获速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航信号捕获与卫星导航软件接收机
，尤其涉及一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机及其导航方法。
技术介绍
卫星导航接收机是接收卫星导航系统的卫星导航信号并确定地面空间位置的仪器。导航卫星发送的导航定位信号，是一种可供用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要拥有能够接收、跟踪、变换和测量卫星导航信号的接收设备，即卫星导航接收机，即可确定当前的位置。卫星导航软件接收机利用通用处理器，对信号进行处理和计算。相比于传统的硬件接收机，软件接收机可采用可编程的、开放式平台，使得程序的加载非常方便，同时还可以升级、研究新的算法，具有更高的灵活性，在基本硬件平台不变的情况下方便实现复杂度更高的算法。惯性导航单元(MJ)利用惯性元件(加速度计)来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置。普通的商用惯性导航单元信号输出频率可达800?100Hz ο与C/A码(是GPS卫星发出的一种伪随机码，用于粗测距和捕获GPS卫星)相同，P码也是伪随机码，是和C/A码对应的精测码，但是周期长达266天9小时，分配给全部卫星，每颗卫星的P码周期为7天，一个周期的码长度为6.187X 1012bit，相比C/A码具有更高的扩频增益、更强的抗干扰与防欺骗能力，可以有效提高卫星导航接收机防欺骗和抗干扰能力，并获得精度更高的导航定位信息。图形处理器(GPU)，是一种专门在个人电脑、工作站和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上进行2D/3D图像运算工作的微处理器。由于GPU相比于通用的CPU处理器具有高吞吐量、拥有数百个硬件处理单元且每个处理单元深度多线程以及具有高memory带宽，所以现在的GPU已经不再局限于2D/3D图形处理，在浮点运算、并行计算等部分计算方面，GPU可以提供数十倍乃至于上百倍于CPU的性能。现在，卫星导航软件接收机已经是一个比较热门的导航接收机技术。虽然软件接收机具有灵活方便，可编程化的特点，但是相比于硬件接收机，一直有着难以突破的定位精度问题。传统软件接收机导航信号捕获方法是利用C/A码捕获后从星历中获取精确的时间计数信息，在缩短P码相位的搜索空间的基础上，实现P码的捕获，最终实现定位。但是，C/A码抗干扰性差，受到干扰无法捕获时，便无法实现P码捕获，因此，尽管P码具有更好的抗干扰性，但在干扰环境下基于P码进行定位导航的接收机依赖于C/A码捕获性能，为解决这个问题，必须采用P码直接捕获技术。然而，由于P码周期长、码速率高的特性，导致捕获过程中码相关计算量过大，难以实现卫星导航扩频信号的快速捕获。对于高速移动的设备，软件接收机的CPU计算处理速度也相对过慢，无法满足导航定位所需的实时性要求，最终影响定位精度。现在较多的处理方式是通过GPU替代CPU计算，但仍存在GPU处理速度上限问题，若单纯提高GPU速度，也会增加芯片成本代价。本专利技术就是基于以上技术特点，对现有卫星导航软件接收机进行优化，提高软件接收机的定位精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题之一，在于提供一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机，加入了 GPU和頂U，通过頂U辅助、采用GPU进行大量数据的并行处理极大地提高了信号分析处理速度，减少了捕获跟踪P码所需运算时间，提高卫星导航信号P码的捕获速度，在保证满足导航实时性要求的前提下强化接收机的防欺骗和抗干扰能力。本专利技术的问题之一，是这样实现的:一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机，包括天线模块、射频前端模块、中频数字信号采集模块以及数据处理模块，所述数据处理模块包括图形处理器、中央处理器以及惯性导航单元，通过所述天线模块接收卫星导航信号，再通过所述射频前端模块对接收到的卫星导航信号进行低噪声放大和滤波处理，然后再由所述中频数字信号采集模块对接收到的卫星导航信号进行采样，得到中频采样数据，再将该中频采样数据传输给所述数据处理模块，并由所述惯性导航单元提供辅助数据来缩小频率捕获范围，由所述中央处理器和所述图形处理器完成卫星导航信号的捕获、跟踪和解算。本专利技术要解决的技术问题之二，在于提供一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机的导航方法，加入了 GPU和頂U，通过頂U辅助、采用GPU进行大量数据的并行处理极大地提高了信号分析处理速度，减少了捕获跟踪P码所需运算时间，提高卫星导航信号P码的捕获速度，在保证满足导航实时性要求的前提下强化接收机的防欺骗和抗干扰能力。本专利技术的问题之二，是这样实现的:一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机的导航方法，所述方法需提供上述的一种基于GPU和IMU辅助的卫星导航软件接收机，所述方法具体包括如下步骤:步骤1、根据接收机当前的时钟初步确定P码相位搜索范围，并由移位寄存器生成本地P码；步骤2、通过所述惯性导航单元输出的速度信息估计多普勒频移量的大小fv，同时，通过所述惯性导航单元输出的加速度信息估计多普勒频移量的漂移程度f" v;步骤3、所述中央处理器读入所述惯性导航单元输出的速度信息和加速度信息，根据所述本地P码、所述多普勒频移量的大小fv及所述多普勒频移量的漂移程度r v估计当前历元卫星导航信号的P码频率搜索范围，进而调整粗捕获过程中载波NCO和本地P码发生器的P码相位搜索范围；步骤4、通过所述天线模块接收卫星导航信号，再通过所述射频前端模块对接收到的卫星导航信号进行低噪声放大和滤波处理，然后再由所述中频数字信号采集模块对接收到的卫星导航信号进行采样，得到中频采样数据，根据P码的特性将所述中频采样数据的长度进行放大后，计算所述中频采样数据的FFT结果，并取其共轭记为序列s ；步骤5、将所述P码相位搜索范围分成N段，得到每段P码相位数据，根据P码的特性将所述P码相位数据的长度进行放大后，通过所述图形处理器进行并行计算，得出每段所述P码相位数据的FFT结果，依次记为序列ri?r N；步骤6、通过所述图形处理器进行并行计算，将所述序列Γι?r ,分别与所述序列s相乘，然后将每个结果分别做IFFT，求出全部结果序列的模值，找出所有模值中的最大值；步骤7、根据所述最大值从卫星导航信号中解读出导航信息数据，再根据该导航信息数据并通过所述中央处理器进行定位解算，得出接收机的当前位置。进一步地，所述步骤4中将所述中频采样数据的长度进行放大，其放大的倍数为原来长度的2倍。进一步地，所述步骤5中将所述P码相位数据的长度进行放大，其放大的倍数为原来长度的2倍。本专利技术具有如下优点:1、加入惯性导航单元(MU)获取接收机对于地面的速度，与从星历读取的卫星速度进行矢量相加，更准确地计算出接收机与卫星的相对速度，从而辅助接收机锁定和跟踪卫星导航信号；2、采用P码直接捕获技术增强接收机防欺骗和抗干扰能力，并获得精度更高的导航定位信息；3、采用GPU代替CPU分析处理P码数字中频信号，利用GPU强大的并行处理能力，进行快速傅里叶变换(FFT)与快速傅里叶逆变换(IFFT)，极大缩短了解析信号的时间，满足导航定位实时性需求。【附图说明】下面参照附图结合实施例对本专利技术作进一步的说明。图1为本专利技术一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机的结构示意图。图2为本专利技术一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机的导航方法执行流程图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机，包括天线模块、射频前端模块、中频数字信号采集模块以及数据处理模块，其特征在于：所述数据处理模块包括图形处理器、中央处理器以及惯性导航单元，通过所述天线模块接收卫星导航信号，再通过所述射频前端模块对接收到的卫星导航信号进行低噪声放大和滤波处理，然后再由所述中频数字信号采集模块对接收到的卫星导航信号进行采样，得到中频采样数据，再将该中频采样数据传输给所述数据处理模块，并由所述惯性导航单元提供辅助数据来缩小频率捕获范围，由所述中央处理器和所述图形处理器完成卫星导航信号的捕获、跟踪和解算。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁祥，余卫平，苏航宇，陈旭迪，程千涛，
申请(专利权)人：福建星海通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35