Optimierung einer Multi-GNSS-Signalverarbeitung auf Grundlage heterogener Programmierung:
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| Published: |
Braunschweig
TU Braunschweig, Niedersächsisches Forschungszentrum für Luftfahrt
2015
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2015,25 2015,25 Berichte aus der Luft- und Raumfahrttechnik |
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| adam_text | IN H ALTSVERZEICH N IS
A B B ILD U N G SV E R Z E IC H N IS X V
T A B E LLE N V E R Z E IC H N IS X IX
N O M E N K LA TU R X X I
1 E IN LE ITU N G 1
1.1 MOTIVATION
............................................................................
1
1.2 KONTEXT DER A RB E
IT................................................................ 2
1.3 EINORDNUNG IN DEN STAND DER T E C H N IK
................................
3
1.3.1 HISTORISCHE ENTWICKLUNG VON S OFT WAR E- GNSS-EMP-
F AE N G E R N
...................................................................... 4
1.3.2 AKTUELLE FORSCHUNGSRICHTUNGEN............................... 8
1.3.3 VEROEFFENTLICHUNGEN DES AUTORS MIT THEMENBEZUG . 9
1.4 STRUKTUR DER ARBEIT
............................................................. 10
2 D IE G N S S -S IG N A LSTR U K TU R 11
2.1 ALLGEMEINE FORM EINES GNSS-ORTUNGSSIGNALS
..................
12
2.1.1
SIGNALTRAEGER................................................................
13
2.1.2 N
UTZDATEN...................................................................
14
2.1.3
SPREIZCODES................................................................
14
2.1.4 S U B TRAE G E
R................................................................... 16
2.1.5 S
EKUNDAERCODES..........................................................
18
2.2 GLOBAL POSITIONING S YSTEM
.................................................... 19
2.2.1 K
ONSTELLATION.............................................................
20
2.2.2
SIGNALUEBERSICHT..........................................................
21
2.3 G ALILEO............................................
.........................................
27
2.3.1 K
ONSTELLATION.............................................................
28
2.3.2
SIGNALUEBERSICHT..........................................................
29
2.4 GLONASS
............................................................................
34
2.4.1 K
ONSTELLATION.............................................................
35
2.4.2
SIGNALUEBERSICHT..........................................................
36
2.5 BEIDOU
..................................................................................
42
2.5.1 K
ONSTELLATION.............................................................
43
2.5.2
SIGNALUEBERSICHT..........................................................
43
2.6 LOKALE
SATELLITENSYSTEME................................................... 46
2.6.1 SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM
....................
46
2.6.2 QUASI-ZENITH SATELLITE S YSTEM
.............................
48
2.6.3 INDIAN REGIONAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM .... 50
2.7 F A Z
IT.........................................................................................
51
3 G R U N D LA G EN D ES G N S S -S IG N A LE M P FA N G S 53
3.1
SIGNALTRACKING..........................................................................
55
3.1.1 TRAEGERPHASENM ESSUNG
.........................................
56
3.1.2 CODEPHASENMESSUNG
............................................
58
3.1.3 STRATEGIEN IM UMGANG MIT BIT-TRANSITIONEN .... 62
3.1.4 VARIANTEN EINER REGELUNG DES MESSZEITPUNKTES . . 64
3.2 SIGNALAKQUISITION
...................................................................
65
3.3 ABSCHAETZUNG DES RECHENAUFWANDS
...............
65
3.3.1 TYPISIERUNG DER GNSS-SIGNALE AUS EMPFANGSPER
SPEKTIVE
......................................................................
65
3.3.2 HERLEITUNG DES SIGNALSPEZIFISCHEN RECHENAUFWANDS
IM EMPFAENGER
........................................................
67
3.4 F A Z
IT.........................................................................................
70
4 H E TE R O G E N E P R O G R A M M IE R U N G A U F D ER X 8 6 -R E CH
N E RA R CH I-
TE K TU R 71
4.1 EIGENSCHAFTEN DER X86-MIKROPROZESSORARCHITEKTUR
............
72
4.1.1 WICHTIGE ENTWICKLUNGEN DER X86-MIKROPROZESSORFA-
M ILIE
........................................................................
72
4.1.2 LEISTUNGSMERKMALE EINER CPU ............................... 76
4.2 EIGENSCHAFTEN VON
GRAFIKPROZESSOREN.................................. 80
4.2.1 KONZEPT VON C U D A
............................................
81
4.2.2 VORAUSSETZUNGEN FUER DIE VERWENDUNG VON CUDA . 83
4.2.3 ERSTELLUNG EINER CUDA ANWENDUNG DURCH NVCC . 84
4.2.4 BERUECKSICHTIGUNG DER COMPUTE C APABILITY
.......
85
4.2.5 PROGRAM M IERM ODELL
............................................
85
4.2.6 ASYNCHRONE A USFUEHRUNG
......................................
87
4.2.7 S TRE A M
S.................................................................. 88
4.2.8 LEISTUNGSMERKMALE EINER G P U .......................... 89
4.3 F A Z
IT.........................................................................................
91
5 E N TW IC K LU N G E IN E R M U LTI-G N S S -S IG N A LV E R A R L E
ITU N G M IT
TE LS H E TE R O G E N E R P R O G R A M M IE R U N G 95
5.1 DISKUSSION VERSCHIEDENER BEREITSTELLUNGSANSAETZE
................
95
5.1.1 EINGANGSSIGNAL
.....................................................
95
5.1.2 KOMPLEXES REPLIKAT DES TRAEGERS ............................ 98
5.1.3 BINAERE
SEQUENZEN......................................................... 98
5.2 AUFBAU DES K E R N E
L................................................................ 103
5.2.1 PARAMETER DES K E R N E L
.............................................. 104
5.2.2 DEMODULATION
.................................................................
106
5.2.3 PARALLELE REDUKTION
................................................. 107
5.2.4 DIMENSIONIERUNG DER B LOCKGROESSE................................108
5.3 F A Z
IT.........................................................................................
110
6 E N TW ICK LU N G D ER O P TIM IE R U N G S U M G E B U N G 113
6.1 MESSUNG DER V
ERARBEITUNGSDAUER........................................ 113
6.1.1 X86 TIME STAMP C O U N TE
R........................................ 114
6.1.2 DER CUDA
PROFILER.................................................... 115
6.2 MINIMIERUNG VON
STOEREINFLUESSEN........................................... 117
6.2.1
HARDWAREEBENE..........................................................
117
6.2.2 SOFTWAREEBENE
.......................................................... 117
6.3 T O O LCH AIN
...............................................................................
118
6.3.1 MULTI-GNSS-SIGNALGENERATOR .................................. 118
6.3.2 EMPFANGSMODUL
....................................................... 126
6.4 F A Z
IT.............................................................................................128
7 O P TIM IE R U N G D ER S IG N A L V ERARB EITU N G 131
7.1
SIMULATIONSSZENARIO................................................................
131
7.1.1
SIMULATIONSUMGEBUNG..................................................131
7.1.2 DEFINITION DER VIRTUELLEN K ONSTELLATION
......................
133
7.1.3 THEORETISCHER RECHENLEISTUNGSBEDARF
.........................
133
7.2 OPTIMIERUNG
.........................................................................
136
7.2.1
AUSGANGSLAGE.............................................................
136
7.2.2 ABSCHLIESSENDE AKKUMULATION MITTELS SIMD .... 139
7.2.3 OPTIMIERUNG DES DATENTRANSFERS ............................ 140
7.2.4 VERMEIDUNG RECHENINTENSIVER O PERATIONEN
................
142
7.2.5 NUTZUNG SPEZIALISIERTER KERNEL ............................... 143
7.2.6 OPTIMIERUNG DES PARALLELISIERUNGSGRADES
...............
145
7.2.7 EINSCHRAENKUNGEN DURCH KERNEL-OPTIMIERUNG .... 149
7.2.8 OPTIMIERUNGSERGEBNISSE UNTER L IN U X
.........................
150
7.3 EINORDNUNG DER ERGEBNISSE
................................................. 152
7.3.1 VERGLEICH DER ERZIELTEN ERGEBNISSE MIT THEORETISCHER
RECHENLEISTUNG..........................................................
153
7.3.2
LITERATURVERGLEICH...........................................................154
7.3.3 SKALIERBARKEIT DER RECHENLEISTUNG
...........................
156
7.3.4 F A Z
IT................................................................................
157
8 Z U SA M M E N FA SSU N G U N D A U SB LIC K 159
L ITE RA T URVER ZE IC H N IS
A A U SW E R TU N G D ER M E SSD A TE N
B T H E O R E TISC H E G P U -A U S LA S TU N G
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