[发明专利]基于GPU和IMU的卫星导航软件接收机及其导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航信号捕获与卫星导航软件接收机技术领域，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。

背景技术

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(IMU)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800～1000Hz。

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6.187×10¹²bit，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。

本发明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。

发明内容

本发明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IMU，通过IMU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。

本发明的问题之一，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。

本发明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IMU，通过IMU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。