● 摘要
在不久的将来，全球卫星导航领域将呈现出GPS、COMPASS、GLONASS、Galileo四大系统并存的格局。如何充分利用空间卫星资源，实现高可靠性、高精度的多星座联合导航，成为了当前导航领域研究的热点。在多星座联合导航系统内，随着导航信号数量的大幅增加，导航兼容接收机需要实现更多的基带信道去追踪导航信号，这将导致基带系统的硬件资源与功耗急剧上升。随着卫星导航技术越来越多地被应用到功耗受限设备中，如何在不影响导航性能的前提下，降低卫星导航接收机的体积与功耗成为了一个迫切需要解决的问题。
COMPASS是我国独立研发，拥有自主知识产权的新一代全球卫星导航系统，其对我国的国民经济发展以及国家战略安全都具有重要的意义。研制低功耗COMPASS/GPS兼容接收机不仅能为我国卫星导航事业提供必要的技术积累与储备，同时也能满足目前国内卫星导航市场的迫切需求，对我国整个卫星导航产业的发展有着巨大的推动作用。
本文从研究COMPASS与GPS兼容接收机低功耗基带软硬件架构角度出发，从体系结构层面对兼容接收机基带优化设计所涉及的一些关键技术进行了深入的研究。体系结构级优化方法针对实际应用环境，综合考虑系统整体结构与性能之间的关系，不仅能够取得显著的优化效果，而且还不受加工工艺等因素的限制。本文研究的主要内容包括对COMPASS与GPS系统的兼容性研究、COMPASS/GPS兼容基带信道设计方法、嵌入式处理器体系结构级低功耗Cache设计方法以及兼容接收机基带低功耗配置管理算法等，开发了课题背景所要求的软、硬件，并在COMPASS/GPS兼容接收机半物理仿真平台以及嵌入式处理器仿真平台上进行了测试实验，所获得的结果满足项目设计要求并通过了验收。
具体来说，本文完成的主要工作与创新点如下：
1. 提出了一种COMPASS/GPS兼容基带信道设计方法，该方法利用COMPASS与GPS在导航基带信号处理上的共性，通过参数配置，基于相同的硬件，分别实现对COMPASS与GPS基带信号的处理。该方法最大程度地实现了系统资源共享，能够减少COMPASS/GPS兼容接收机基带信道数量，从而降低基带处理芯片的功耗与面积。
2. 提出了一种COMPASS/GPS兼容接收机基带架构设计方法，该架构由20个COMPASS/GPS兼容基带信道，基带信道配置模块以及嵌入式处理器构成。其中嵌入式处理器负责运行导航数据处理软件，基带信道配置模块负责管理COMPASS/GPS兼容基带信道组。在COMPASS/GPS导航卫星信号源、射频模块的辅助下，搭建了COMPASS/GPS兼容接收机半物理仿真平台，并完成对COMPASS/GPS兼容基带的功能验证与性能测试。
3. 提出了一种基于关键指令踪迹辅助的行缓冲指令Cache设计方法。该方法通过分析程序运行时指令内在关联特性，基于表征行缓冲失效的关键指令踪迹（Key Instruciton Trace，简称KIT），设计高效的行缓冲辅助预测机制，通过提高行缓冲的命中率，有效降低传统行缓冲指令Cache的功耗。实验结果表明，KIT辅助机制带来的硬件开销很小，只增加了约2.5%的芯片面积；基于SPEC CPU 2006与Mibench的测试用例结果表明，在相同的工艺条件下，相较于传统行缓冲指令Cache，KIT辅助指令Cache能够提高23.5%的行缓冲命中率，带来32%的性能提升以及19%的功耗优化；而针对本项目中兼容接收机导航软件，KIT结构能够提高约27%的行缓冲命中率，带来近40%的性能提升与30%的功耗优化，表明该设计对降低导航接收机整体功耗非常有意义。
4. 提出了一种采用预测校正的动态可重构指令Cache设计方法，该方法从另外一个角度对指令Cache进行体系结构级功耗优化。Cache的主要参数对其性能与功耗有着重要影响，从严格意义上讲，每个特定环境下的应用程序都对应着一个最优Cache参数。动态可重构Cache的目标是让其能够在不同的运行环境下自主调节参数至最优配置。该方法提出了一种兼顾性能与功耗的Cache评价指数，通过对运行时Cache评价指数的分析，以较小的检索代价找到最优Cache配置，从而达到优化处理器整体性能与功耗的目的。实验结果表明，动态预测校正机制只增加了3.4%的硬件资源。相比于穷举法，该方法减少了近80%的检索迭代次数；而相比于传统的降维检索法，提高了约15%的全参数预测准确率，其中对最为关键的容量参数的预测改善尤为显著，其准确率提高了近50%。针对COMPASS/GPS兼容导航接收机的测试结果表明，该方法成功找到了最优Cache容量与最优Cache块大小设置，能够有效应用在导航接收机环境中。
5. 提出了一种适用于COMPASS/GPS兼容接收机的低功耗基带配置管理算法。该算法将星座选择思想应用到对基带兼容信道的配置管理中，通过关闭不必要的基带信道达到降低基带功耗的目的。首先基于接收机中的导航电文等相关信息建立卫星可见性判定模型，并以卫星星座几何布局与GDOP值之间的关系为出发点，通过对低、中、高空域的划分，以最大离散分布为准则，提出一种快速卫星星座选择方法。该方法以卫星之间的相对位置作为判据，避免了多星座联合导航系统中的一般兼容性问题，并且成功避开了对GDOP值的直接计算，大大降低了导航数据处理的运算量。实验结果表明，由算法激活的基带信道捕获成功率接近80%，表明卫星可见性模型以及配置管理算法是行之有效的。在实验中，设定COMPASS/GPS兼容接收机包含20个兼容基带信道，在基带配置管理算法的辅助下，接收机只需要激活其中一半的信道就能达到全信道模式下的导航定位效果，从而能够降低了基带信道近一半的动态功耗。