基于通用CPU的纯软件GPS高灵敏度基带信号处理实时加速算法研究

本课题研究软件高灵敏度GPS接收机基带信号处理中基于软件的加速引擎若干关键技术，以解决目前无法采用通用CPU完成纯软件GPS实时基带信号处理的难题。通过优化基带信号处理算法、采用多线程和并行计算技术并充分利用目前通用CPU的多核和多媒体处理能力同时依据RF前端中频数据集值域集合的有限性，不依赖任何外加辅助硬件加速部件，解决软件GPS接收机基带信号处理中，运算量巨大的信号捕获和实时跟踪问题，使软件GPS接收机在具备高灵敏度实时接收和处理GPS导航系统定位信息的同时具有兼容多系统的灵活性和适应性。研究内容包括：高灵敏度软件处理算法以及基带信号处理的软件加速算法等。本课题的研究成果，不仅对软件GPS接收机的实时实现和大规模应用具有重要的现实意义，同时对实时软件导航（GNSS）接收机的基带信号处理提供必要的理论和算法支持，更重要的是，本课题的研究成果可以为我国的北斗II卫星导航系统提供技术支撑。

围绕课题的总体目标和研究内容，课题组成员分成了高灵敏度算法和并行算法两个研究小组开展研究工作。按照课题预先确定的研究方法和技术路线，我们采取先关键技术攻关和软件算法仿真，后进行开发平台验证，再进行整体测试的策略。各部分的研究基本完成，先后完成了高灵敏度算法的研究以及基于PC系统的串行跟踪算法的研究，算法集成和借助基带信号处理平台验证、算法优化、有限值域快速算法研究、捕获算法并行化研究、跟踪算法并行化研究、多核并行处理算法集成、整体测试等工作。并取得了一定的阶段性成果。1、在高灵敏度处理方面，我们提出了“基于最佳路径的捕获算法”并将该算法采用C++/C#语言，移植到PC系统中。同时，基于我们前期的GPS接收机开发平台，完成了串行跟踪算法开发和仿真的工作，并在此基础上，2、提出了“软件GPS接收机跟踪阶段的自适应帧选择算法”，3、为了解决GPS系统中多径带来的定位误差，我们对GPS 多径误差的包络进行了理论和仿真研究，得到了误差包络的解析表达式，为今后的进一步研究工作打下了良好的理论基础。4、为了解决恶劣环境下（低信噪比），误码率的增大导致帧同步性能恶化问题，对帧同步的两个性能指标——漏同步概率和假同步概率与误码率以及容错码元数这几者的关系进行了研究和仿真提出了“GPS软件接收机导航电文帧同步算法”。通过仿真和实际接收证明，该算法在低信噪比环境下，可以通过增加容错码元数来提高帧同步性能。5、为了使跟踪环路能更快的跟踪信号，同时减小噪声的影响，我们提出了“一种提高多普勒频移估计精度的算法”。在软件GPS接收机中采用广义延拓逼近法来提高多普勒频移估计精度，使得在提高估计精度的同时，运算量保持在很低的水平。更为重要的是，该算法与常规精捕获算法相比对噪声的免疫力大大提高。仿真和实验结果表明，提出的广义延拓逼近算法其捕获精度比传统的加长FFT 算法有所提高，对噪声的敏感度也大大降低，而运算量仅为加长FFT 算法的1/100，非常适合在软件GPS接收机中采用。6、为了对所有的算法进行验证和集成，我们开发了“基于C#的GPS软件接收平台”。该软件系统属于SDR结构的纯软件接收机，具备完整的信号的接收、捕获、跟踪、星历提取、位置解算、处理过程实时显示等一系列功能，为整个项目各个部分的算法验证、集成提供平台。