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A real-time high-precision frequency estimation algorithm for Starlink signals with CPU+GPU parallel acceleration
Received date: 2025-03-28
Revised date: 2025-04-14
Accepted date: 2025-06-16
Online published: 2025-06-27
Supported by
National Natural Science Foundation of China(61973314);National Social Science Fund of China(2024SKJJB037)
The design and implementation of a real-time high-precision frequency estimation algorithm for Starlink downlink signals is a critical technology for the engineering application of LEO satellite dynamic opportunistic navigation. Traditional algorithms such as maxi-mum likelihood estimation， frequency-domain sliding window estimation， and Kalman filtering suffer from poor robustness and insufficient real-time performance in capturing low Signal-to-Noise Ratio （SNR） Starlink signals. To address these issues， this paper proposes a Multi-Carrier Joint Frequency Estimation （MC-JFE） algorithm， which enhances frequency estimation accuracy and real-time performance by deeply exploiting the multi-subcarrier structural characteristics of signals and jointly optimizing carrier frequency and frequency interval parameters. To overcome the intensive computational bottleneck in the engineering application of the MC-JFE algorithm， an innovative CPU+GPU heterogeneous parallel acceleration architecture is constructed， achieving over an order of magnitude improvement in execution efficiency through coordinated scheduling of CPU logic control and GPU large-scale parallel computing capabilities. To validate the theoretical and technical effectiveness of the proposed algorithm， real-time frequency estimation experiments were conducted on 5 978 Starlink satellite downlink beacon signals generated by a hardware-in-the-loop simulation platform， along with a comparative Doppler estimation studies using measured signals from China’s border regions. Results show that the MC-JFE algorithm maintains the lowest estimation error boundary across the full SNR range （-10 dB to 10 dB）， with over 50% improvement in estimation accuracy at 0 dB. Moreover， stable out-put is maintained during partial subcarrier interruptions through a phase information fusion mechanism. The CUDA-optimized CPU+GPU heterogeneous architecture achieves 0.1 Hz-level high-precision frequency estimation， with a peak speedup ratio of 47× （2.8× faster than traditional CPU solutions） and a positive correlation between accuracy and acceleration， providing highly reliable and real-time frequency estimation technical support for LEO satellite dynamic opportunistic navigation， demonstrating significant engineering application value.
Chuanjin DAI , Peijie QIN , Lin LI , Bo ZANG . A real-time high-precision frequency estimation algorithm for Starlink signals with CPU+GPU parallel acceleration[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2025 , 46(24) : 332038 -332038 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32038
| [1] | 崔志颖， 岳富占， 田润， 等. 基于铱星突发信号的导航定位技术研究［J］. 全球定位系统， 2021， 46（2）： 77-85. |
| CUI Z Y， YUE F Z， TIAN R， et al. Research on positioning technology based on Iridium burst signal［J］. GNSS World of China， 2021， 46（2）： 77-85 （in Chinese）. | |
| [2] | 秦红磊， 谭滋中， 丛丽， 等. 基于ORBCOMM卫星机会信号的定位技术［J］. 北京航空航天大学学报， 2020， 46（11）： 1999-2006. |
| QIN H L， TAN Z Z， CONG L， et al. Positioning technology based on ORBCOMM signals of opportunity［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 46（11）： 1999-2006 （in Chinese）. | |
| [3] | 王学宇， 武坦然. OneWeb低轨道卫星系统及其军事应用分析［J］. 航天电子对抗， 2022， 38（4）： 59-64. |
| WANG X Y， WU T R. Analysis on OneWeb LEO satellite system and its military application［J］. Aerospace Electronic Warfare， 2022， 38（4）： 59-64 （in Chinese）. | |
| [4] | 翟光， 王妍欣， 孙一勇. 基于低轨星网的多目标协同跟踪滤波技术［J］. 系统工程与电子技术， 2022， 44（6）： 1957-1967. |
| ZHAI G， WANG Y X， SUN Y Y. Cooperative tracking filtering technology of multi-target based on low orbit satellite constellation［J］. Systems Engineering and Electronics， 2022， 44（6）： 1957-1967 （in Chinese）. | |
| [5] | 陈全， 杨磊， 郭剑鸣， 等. 低轨巨型星座网络： 组网技术与研究现状［J］. 通信学报， 2022， 43（5）： 177-189. |
| CHEN Q， YANG L， GUO J M， et al. LEO mega-constellation network：Networking technologies and state of the art［J］. Journal on Communications， 2022， 43（5）： 177-189 （in Chinese）. | |
| [6] | 孟光， 刘昶， 杨冬春， 等. 美国SpaceX超重-星舰首飞分析及对中国航天产业的启示［J］. 航空学报， 2023， 44（10）： 028914. |
| MENG G， LIU C， YANG D C， et al. First flight of SpaceX heavy-lift starship： Enlightenment for aerospace industry in China［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（10）： 028914 （in Chinese）. | |
| [7] | 张小红， 马福建. 低轨导航增强GNSS发展综述［J］. 测绘学报， 2019， 48（9）： 1073-1087. |
| ZHANG X H， MA F J. Review of the development of LEO navigation-augmented GNSS［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica， 2019， 48（9）： 1073-1087 （in Chinese）. | |
| [8] | 南子寒， 刘大禹， 董明， 等. GNSS拒止下多源自主导航鲁棒滤波方法［J］. 航空学报， 2024， 45（S1）： 730782. |
| NAN Z H， LIU D Y， DONG M， et al. Robust filtering method for GNSS denied multi-source autonomous navigation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（S1）： 730782 （in Chinese）. | |
| [9] | 丁虎山， 陈帅， 宋华， 等. 低轨卫星增强GNSS/MIMU紧组合定位性能分析［J］. 导航定位学报， 2024， 12（6）： 70-75. |
| DING H S， CHEN S， SONG H， et al. Performance analysis of LEO satellites enhanced GNSS/MIMU tight integration positioning［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2024， 12（6）： 70-75 （in Chinese）. | |
| [10] | 李喆， 林威洪， 邓伟， 等. Starlink下行信号的多普勒效应影响分析［J］. 通信学报， 2024， 45（3）： 131-141. |
| LI Z， LIN W H， DENG W， et al. Analysis of the influence of Doppler effect on Starlink downlink signals［J］. Journal on Communications， 2024， 45（3）： 131-141 （in Chinese）. | |
| [11] | 张嵩， 张洋， 田文飚， 等. 基于Starlink卫星信号的海面目标被动探测［C］∥第三届中国空天安全会议论文集. 北京：中国指挥与控制学会， 2021： 184-189. |
| ZHANG S， ZHANG Y， TIAN W B， et al. Passive detection of sea surface targets based on Starlink satellite signals［C］∥Proceedings of the 3rd China Aerospace Safety Conference. Beijing： Chinese Institute of Command and Control， 2021： 184-189 （in Chinese）. | |
| [12] | 刘涵， 方胜良， 范有臣， 等. 机会信号导航综述［J］. 兵器装备工程学报， 2022， 43（7）： 78-86， 158. |
| LIU H， FANG S L， FAN Y C， et al. Review of navigation via signals of opportunity［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering， 2022， 43（7）： 78-86， 158 （in Chinese）. | |
| [13] | 秦红磊， 杜岩松. 一种Iridium机会信号/MEMS-INS组合定位技术［J］. 导航定位学报， 2023， 11（3）： 45-52. |
| QIN H L， DU Y S. An integrated positioning algorithm of Iridium opportunity signals and MEMS-INS［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2023， 11（3）： 45-52 （in Chinese）. | |
| [14] | 张艺超， 赵祥天， 赵亚飞， 等. 低轨卫星机会信号导航定位方法［J］. 天地一体化信息网络， 2024， 5（4）： 3-16. |
| ZHANG Y C， ZHAO X T， ZHAO Y F， et al. Navigation and positioning methods using signal of opportunity of low earth orbit satellites［J］. Space-Integrated-Ground Information Networks， 2024， 5（4）： 3-16 （in Chinese）. | |
| [15] | 秦红磊， 李志强， 赵超. Iridium/ORBCOMM机会信号融合定位技术［J］. 北京航空航天大学学报， 2022， 48（10）： 1845-1853. |
| QIN H L， LI Z Q， ZHAO C. Fusion positioning based on Iridium/ORBCOMM signals of opportunity［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2022， 48（10）： 1845-1853 （in Chinese）. | |
| [16] | 秦红磊， 张宇. 星链机会信号定位方法［J］. 导航定位学报， 2023， 11（1）： 67-73. |
| QIN H L， ZHANG Y. Positioning technology based on Starlink signal of opportunity［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2023， 11（1）： 67-73 （in Chinese）. | |
| [17] | 袁祎平， 易建新， 万显荣， 等. 基于星链信标信号的多普勒定位方法与实验［J］. 系统工程与电子技术， 2024， 46（8）： 2535-2545. |
| YUAN Y P， YI J X， WAN X R， et al. Doppler positioning method and experiment based on Starlink beacon signal［J］. Systems Engineering and Electronics， 2024， 46（8）： 2535-2545 （in Chinese）. | |
| [18] | 沈利荣， 李守兵， 孙海峰， 等. 基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法［J］. 导航定位与授时， 2024， 11（2）： 72-82. |
| SHEN L R， LI S B， SUN H F， et al. Integrated navigation method based on Starlink opportunity signal/INS［J］. Navigation Positioning and Timing， 2024， 11（2）： 72-82 （in Chinese）. | |
| [19] | KHALIFE J， NEINAVAIE M， KASSAS Z M. The first carrier phase tracking and positioning results with starlink LEO satellite signals［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 58（2）： 1487-1491. |
| [20] | NEINAVAIE M， KHALIFE J， KASSAS Z M. Acquisition， Doppler tracking， and positioning with starlink LEO satellites： First results［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 58（3）： 2606-2610. |
| [21] | 陈小莉， 朱溢涛， 郭文飞， 等. 基于卡尔曼滤波的铱星信号多普勒跟踪方法与参数设计［J］. 电讯技术， 2025， 65（5）： 756-766. |
| CHEN X L， ZHU Y T， GUO W F， et al. Doppler tracking method and parameter design of Iridium signal based on Kalman filtering［J］. Telecommunication Engineering， 2025， 65（5）： 756-766 （in Chinese）. | |
| [22] | 张健， 李瑞田， 邓亮， 等. 面向多核CPU/众核GPU架构的非结构CFD共享内存并行计算技术［J］. 航空学报， 2024， 45（7）： 128888. |
| ZHANG J， LI R T， DENG L， et al. Shared-memory parallelization technology of unstructured CFD solver for multi-core CPU/many-core GPU architecture［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（7）： 128888 （in Chinese）. | |
| [23] | 张东飞， 高军辉. GPU加速高阶谱差分方法在风扇噪声中的应用［J］. 航空学报， 2024， 45（8）： 128941. |
| ZHANG D F， GAO J H. Application of GPU-accelerated high-order spectral difference method in fan noise［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（8）： 128941 （in Chinese）. | |
| [24] | 刘嫒荣， 熊永清， 惠建江， 等. SpaceX星链卫星发布星历的研究［J］. 天文学报， 2024， 65（6）： 42-61. |
| LIU A R， XIONG Y Q， HUI J J， et al. Research on Starlink ephemeris published by SpaceX［J］. Acta Astronomica Sinica， 2024， 65（6）： 42-61 （in Chinese）. | |
| [25] | HUMPHREYS T E， IANNUCCI P A， KOMODROMOS Z M， et al. Signal structure of the starlink ku-band downlink［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2023， 59（5）： 6016-6030. |
| [26] | WEI S. A new location method based on Internet satellite beacon signal［C］∥2024 7th International Conference on Information Communication and Signal Processing （ICICSP）. Piscataway： IEEE Press， 2024： 8-12. |
| [27] | KHALIFE J， NEINAVAIE M， KASSAS Z M. Blind Doppler tracking from OFDM signals transmitted by broadband LEO satellites［C］∥2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference （VTC2021-Spring）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 1-5. |
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