GNSS仿真領(lǐng)域的技術(shù)隨著時(shí)代發(fā)展正在不斷進(jìn)步,在過去,只能選擇使用固定的、分配的僅依靠硬件的方式進(jìn)行仿真,而如今,一種被稱為軟件定義架構(gòu)的顛覆性創(chuàng)新型技術(shù)正在迅速取代傳統(tǒng)定制架構(gòu)。
軟件定義GNSS架構(gòu)
軟件定義架構(gòu)(Software Defined Architecture)是一種新型的架構(gòu)模式,它是一種基于軟件的架構(gòu),通過軟件來定義系統(tǒng)的功能,從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和能量效率。軟件定義架構(gòu)可以將硬件資源抽象化,從而使得應(yīng)用程序可以更好地利用硬件資源,提高系統(tǒng)的性能和可靠性。
而基于軟件定義架構(gòu)的GNSS模擬器則是將該架構(gòu)引入了GNSS仿真領(lǐng)域,依托“依托軟件引擎,開放硬件平臺,高效開放的完成GNSS仿真”的虹科Safran Skydel GNSS仿真引擎,結(jié)合軟件定義架構(gòu)推出面向下一代的軟件定義GNSS模擬器——虹科Safran GSG-7/GSG-8。
軟件定義架構(gòu)下的GNSS模擬器主要由以下幾部分組成:
- SSE(Skydel Simulation Engine,Skydel仿真引擎):設(shè)計(jì)靈活,可用于多個(gè)CPU和操作系統(tǒng),甚至可以作為軟件解決方案與第三方硬件集成,所有的功能都基于此獨(dú)立的軟件;
- CPU&OS(Center Processing Unit 中央處理器&Operating Sys. 操作系統(tǒng)):軟件的必要運(yùn)行環(huán)境;
- GPU(Graphics Processing Unit,圖像處理器):Skydel使用GPU處理星座、頻率與軌跡信息,并生成IQ信號;
- SDRs(Software-Defined Radios,軟件定義無線電):Skydel使用SDR進(jìn)行IQ信號的處理與RF信號的輸出。
軟件定義架構(gòu)的先進(jìn)性
軟件定義架構(gòu)這種獨(dú)特、創(chuàng)新和完全現(xiàn)代的方法是未來仿真的必然趨勢,和傳統(tǒng)方法相比:
使用固定、分配的硬件進(jìn)行仿真(定制)
傳統(tǒng)的硬件定制方式雖然很常見,但效率低下且不具備靈活性。除了功能被限制和被劃分之外,固定、分配硬件的方式使用起來有很大的局限性:
需要額外的硬件,長期且昂貴的升級和安裝
- 關(guān)鍵功能的使用受項(xiàng)目影響
- 信號數(shù)量受FPGA通道限制
- 硬件是定制的,只能少量生產(chǎn)
- 通常需要五年或更長時(shí)間進(jìn)行硬件更新
使用開放式軟件定義架構(gòu)進(jìn)行仿真
借助軟件定義的GNSS仿真,可以通過快速的開發(fā)獲得最大的可擴(kuò)展性和靈活性。而要升級最新功能只需要簡單的軟件下載和許可軟件安裝。GPU具有高度并行的結(jié)構(gòu),這使得它們在處理大量數(shù)據(jù)的算法方面比通用CPU更高效,例如可以生成多個(gè)GNSS信號。
虹科Safran Skydel GNSS仿真引擎利用了GPU和CPU單元的計(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)了卓越的模擬性能。
- 它是動(dòng)態(tài)的,面向未來的
- 以更低的成本獲得高端的性能
- 根據(jù)需求隨時(shí)升級更強(qiáng)大的功能
- 集成干擾信號,無需專用硬件
- 可以輕松定制新的實(shí)驗(yàn)信號
- 利用COTS(標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)硬件性能升級來提高系統(tǒng)性能
- 基于軟件解決方案構(gòu)建的開源庫和插件
軟件定義架構(gòu)(SDA)的GNSS仿真有著眾多優(yōu)勢:
- 更低的總成本:較低的初始系統(tǒng)(硬件/軟件)成本和支持成本意味著可以將預(yù)算用于其他項(xiàng)目、購買多個(gè)系統(tǒng)或添加更多軟件解決方案。
- 非專有軟件:專用硬件的方案不靈活,缺乏從同一平臺創(chuàng)建非GNSS信號的能力。純軟件解決方案能夠適配不同機(jī)箱,從而減少硬件,提供可擴(kuò)展性。
- 軟件定義無線電:能夠輕松根據(jù)測試要求重新配置??梢暂p松添加、刪除信號或升級系統(tǒng)。
- 功能強(qiáng)大的現(xiàn)代軟件:所有測試都集中在一個(gè)穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、易于使用的單一軟件包中,大大降低了時(shí)間成本。
- 自動(dòng)化和易于集成:命令和信息已經(jīng)存儲在軟件中。您可以更快地與其他系統(tǒng)集成,并體驗(yàn)自動(dòng)化帶來的生產(chǎn)力指數(shù)級增長。
如何選擇最適合的SDA硬件
軟件定義架構(gòu)的GNSS模擬器依托于COTS(Commercial off-the-shelf,商業(yè)現(xiàn)貨,可及時(shí)交付,無需定制)硬件,而無需專有硬件,因此需要結(jié)合自己的需求選擇最佳的硬件。
如何選擇最佳的CPU與操作系統(tǒng)?
虹科Safran Skydel仿真引擎有基于Linux和Windows兩種型號,可以根據(jù)需求與應(yīng)用進(jìn)行選擇,其中,Linux系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境與大型場景仿真下效果更好。在Linux Ubuntu下,GPU性能提高了30%。推薦計(jì)算機(jī)配置:
如何選擇最佳的GPU?
GPU是一種專用設(shè)備,可加速圖形、視頻和動(dòng)畫的創(chuàng)建和渲染,它由數(shù)百個(gè)內(nèi)核構(gòu)建,可以同時(shí)處理數(shù)千個(gè)線程,更像是一種并行結(jié)構(gòu),并提高了它們的處理效率。對于Nvidia GPU,這些并行處理器通常稱為CUDA核心,通常被用來衡量GPU性能。
虹科Safran Skydel提供了模擬眾多星座、頻率的能力,但GPU中的CUDA內(nèi)核數(shù)量決定您的設(shè)備是否可以處理軟件中定義的數(shù)量。需要注意的是:Skydel GNSS模擬器目前僅支持Nvidia GPU,不支持AMD,因此顯卡應(yīng)選擇Nvidia。
選擇合適的GPU一般需考慮三個(gè)問題:
- 需要模擬多少個(gè)信號?
通常,假設(shè)有12顆衛(wèi)星是可見的需要模擬,此時(shí)模擬12顆衛(wèi)星傳輸GPS L1 C/A需要“12個(gè)信號”。例如:模擬12顆衛(wèi)星發(fā)射GPS L1 C/A+L2C需要“2×12=24個(gè)信號”
需要模擬多徑下的回波時(shí),每一組回波需要乘以每個(gè)模擬回波的信號數(shù)(多徑)。例如:模擬12顆衛(wèi)星發(fā)射GPS L1 C/A+L2C和它們的一組1個(gè)回波需要“2×12×2=48個(gè)信號”。
經(jīng)驗(yàn)法則:對于每個(gè)信號,需要大約16個(gè)CUDA內(nèi)核數(shù),通過CUDA數(shù)來反推GPU型號,以下是快速對照與選擇表:
*RTX A5000是GSG-8 GNSS模擬器標(biāo)配的GPU,GSG-8內(nèi)部可以使用一個(gè)或兩個(gè)RTX A5000。
*RTX A6000是高級模擬項(xiàng)目選擇的GPU。
- 需要模擬多個(gè)星座嗎?
如果要模擬多個(gè)星座,則需要考慮到在多個(gè)頻率上模擬更寬的信號(>50MHz)將需要更多的GPU處理能力。
- 是否需要模擬多個(gè)天線或RTK?
模擬多個(gè)天線需要額外的Skydel實(shí)例,雖然Skydel實(shí)例可以共享同一個(gè)GPU,但共享GPU的效率不如每個(gè)實(shí)例都有一個(gè)專用GPU。
此外Skydel還可以驗(yàn)證準(zhǔn)備的場景是否對GPU要求過高,該功能稱為“GPU基準(zhǔn)測試”。
在GPU Benchmark窗口中,可以指定要模擬的衛(wèi)星數(shù)量和回波數(shù)量,然后單擊“開始”,基準(zhǔn)測試將以最快的速度執(zhí)行10秒的模擬?;鶞?zhǔn)測試完成后會呈現(xiàn)一個(gè)“分?jǐn)?shù)”,當(dāng)分?jǐn)?shù)不低于1.15高時(shí)說明Skydel能夠毫無問題地實(shí)時(shí)運(yùn)行定義的GNSS仿真場景。
如何選擇最佳的SDR?
GNSS信號分為Upper Band(L1)與Lower Band(L2,L5),SDR的數(shù)量與端口數(shù)與需要輸出GNSS信號的頻率有關(guān),單個(gè)端口僅能輸出Upper Band或Lower Band,因此如果需要同時(shí)輸出L1+L2/L5,則可能需要選擇兩個(gè)單端口SDR或一個(gè)雙端口SDR,若在此之外還需要輸出獨(dú)立的干擾信號或要針對RTK等同時(shí)雙軌跡的應(yīng)用,則需要根據(jù)需求添加1個(gè)或雙倍的SDR。
但軟件定義的優(yōu)勢在于可以根據(jù)自己的需求隨時(shí)添加SDR,不會受到過多的硬件與平臺的限制,也無需額外購買軟件擴(kuò)展。
虹科Safran Skydel目前與三個(gè)軟件定義無線電(SDR)制造商兼容,SDR模型的選擇取決于模擬要求或SDR的潛在可用性。
- Ettus N310或X300/310
- NI USRP-294xR/295XR
- Dektec DAT-2115B
下表是一個(gè)快速選擇圖表,可以根據(jù)此進(jìn)行選擇:
一體式軟件定義GNSS仿真方案
虹科提供一體式的軟件定義GNSS設(shè)備,在單個(gè)機(jī)架內(nèi)整合了上述軟件定義的全部部分并提供多種選擇,無需經(jīng)過額外的硬件挑選與安裝調(diào)試,并提供終身有效的軟件與升級咨詢服務(wù)。即開即用的設(shè)計(jì),在開啟電源后無需等待與裝配,即可輸出高質(zhì)量且復(fù)雜的GNSS信號。
針對不同行業(yè)與不同應(yīng)用,虹科Safran推出了GSG-7與GSG-8兩款軟件定義一體式GNSS模擬器,以適應(yīng)各種測試環(huán)境與應(yīng)用場景:
- GSG-711:單頻單星座/多星座,190衛(wèi)星通道,汽車與公共安全、制造測試
- GSG-721:雙頻單星座/多星座,190衛(wèi)星通道,汽車與公共安全、制造測試
- GSG-731:多頻單星座/多星座,190衛(wèi)星通道,汽車與公共安全、制造測試
- GSG-811:單頻單星座/多星座,250衛(wèi)星通道,汽車與公共安全、制造測試
- GSG-821:雙射頻端口,雙頻單星座/多星座,250個(gè)通道,汽車與公共安全、制造測試,多天線與RTK
- GSG-831:三射頻端口,多頻單星座/多星座,250個(gè)通道,汽車與公共安全、制造測試,多天線與RTK
- GSG-842:四射頻端口,多頻單星座/多星座,250個(gè)通道,汽車與公共安全、制造測試,多天線與RTK
無論是基礎(chǔ)的GNSS接收機(jī)測試,還是汽車HIL測試,以及RTK與多天線測試,虹科Safran一體式軟件定義GNSS模擬器解決方案均提供強(qiáng)大與完備的支持,為GNSS測試與仿真提供高效先進(jìn)的高端解決方案。
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