異地天線組陣相關(guān)處理技術(shù)研究

于曉黎，孫甲琦

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

從20世紀(jì)60年代起，美國(guó)航空航天局(NASA)深空網(wǎng)(Deep Space Network，DSN)就開(kāi)始研究天線組陣技術(shù)［1］，依靠地面天線組陣提高接收信號(hào)的信噪比，從而提高深空探測(cè)器傳輸?shù)男畔⒘?。相較于單個(gè)大口徑天線，組陣技術(shù)可以在低運(yùn)營(yíng)成本的基礎(chǔ)上，提供相當(dāng)于大口徑天線的等效增益，并增加系統(tǒng)的靈活性和可操作性，而且小天線組陣的成本花費(fèi)要比制造單個(gè)大口徑天線小。因此，小天線組陣是深空測(cè)控技術(shù)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 異地天線組陣信號(hào)合成特點(diǎn)

異地天線組陣就是利用分布不同地點(diǎn)的多個(gè)天線組成天線陣列，接收來(lái)自同一信號(hào)源(深空探測(cè)器)發(fā)送的信號(hào)，利用信號(hào)的相干性和噪聲的不相干性，將各個(gè)天線的接收信號(hào)合成，從而獲得高信噪比信號(hào)。相比其他天線組陣，異地天線組陣有時(shí)鐘不共源、同一信號(hào)接收時(shí)間不一致等特點(diǎn)［2］。

異地天線組陣信號(hào)合成的關(guān)鍵主要是時(shí)延補(bǔ)償、相位校正算法、合成方案和時(shí)鐘校準(zhǔn)。其中時(shí)延補(bǔ)償可以通過(guò)航天器軌跡與跟蹤天線的位置以及相對(duì)變化在過(guò)境跟蹤前通過(guò)離線處理預(yù)測(cè)來(lái)消除大部分的延遲差，補(bǔ)償?shù)木热Q于測(cè)定基線和信源方向的精度。天線組技術(shù)有5種基本處理方案，獲得最佳遙測(cè)性能的是全頻譜合成(FSC)方案［3］，而相位校正算法中，Sumple算法具有節(jié)約硬件成本和運(yùn)算量的性能優(yōu)勢(shì)，因此采用的是Sumple算法。

2 異地天線組陣的并行相關(guān)算法

異地天線組陣信號(hào)合成的核心就是確定信號(hào)延遲、相位偏移和加權(quán)值，使合成信號(hào)SNR最大。用信號(hào)相關(guān)來(lái)確定陣列中天線間的信號(hào)相位和延遲偏移時(shí)，主要研究Sumple算法。Sumple合成算法的基本原理如圖1所示。

圖1 Sumple合成算法的原理

由于天線組陣合成技術(shù)待處理的原始數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜，無(wú)法使用串行程序在單處理機(jī)上完成，所以集群系統(tǒng)在高性能計(jì)算領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)出來(lái)，一方面能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算，并行處理海量數(shù)據(jù);另一方面又具備高性價(jià)比、良好的可擴(kuò)展特性，將大大提高Sumple算法運(yùn)行效率。這里結(jié)合Sumple算法開(kāi)發(fā)了4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有12個(gè)核的集群系統(tǒng)，并在集群架構(gòu)上處理了4路異地組陣信號(hào)的合成。理論上，4路相同信噪比的信號(hào)合成后能有6 dB的增益改善［5］。并行算法流程如圖2所示。

圖2 并行算法流程

3 天線組陣并行相關(guān)算法方案和仿真

3.1 天線組陣模擬信號(hào)源仿真系統(tǒng)

首先產(chǎn)生PM調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)延遲控制和加噪產(chǎn)生4路組陣合成信號(hào)源。Simulink仿真信號(hào)源的原理圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)源產(chǎn)生原理

3.2 并行相關(guān)的方案

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Linux操作系統(tǒng)，SMP并行程序設(shè)計(jì)庫(kù)是OpenMP，節(jié)點(diǎn)間消息傳遞接口庫(kù)為OpenMPI 1.4.2。在Linux集群方面，采用5片刀片服務(wù)器作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每片刀片包括兩路CPU，每路6個(gè)核;每核主頻 800 MHz(自動(dòng)擴(kuò)展到2.4 GHz)，內(nèi)存達(dá)到512 KB。

Sumple算法的并行模型采用數(shù)據(jù)流并行和功能并行相結(jié)合的方式。每個(gè)天線相關(guān)和加權(quán)的過(guò)程分配到不同的刀片(節(jié)點(diǎn))上處理，將求得的新權(quán)值傳遞給其他刀片，從而實(shí)現(xiàn)功能并行;每個(gè)刀片包括多核，可以將數(shù)據(jù)的分段交給不同的核進(jìn)行相同的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行。每個(gè)刀片的相關(guān)后數(shù)據(jù)流送合成器的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程可以與刀片內(nèi)部計(jì)算過(guò)程形成流水線模型。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

PSK信號(hào)源載波中心頻率為1 MHz，調(diào)相指數(shù)設(shè)為0.7，遙測(cè)數(shù)據(jù)碼率采用10 kbps，遙測(cè)副載波頻率為66537 Hz。信號(hào)合成前和后的功率譜如圖4和圖5所示，信號(hào)合成前后信噪比如表1所示。

圖4 信號(hào)合成前功率譜

圖5 信號(hào)合成后功率譜

表1 信號(hào)合成前后信噪比

由仿真結(jié)果可以看出，并行算法的結(jié)果和理論值相吻合，而且通過(guò)在計(jì)算仿真中心上的并行算法可以大大提高運(yùn)行的速度，尤其在迭代過(guò)程中的并行相關(guān)的運(yùn)行效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串行單處理機(jī)。但并行算法還存在可以進(jìn)一步優(yōu)化的地方，例如可以采用SSE指令，計(jì)算與I/O操作的重疊等措施來(lái)提高并行計(jì)算的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)異地天線組陣中信號(hào)合成的特點(diǎn)，研究現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的性能，提出了SMP集群中軟件相關(guān)處理方法，由于此算法在設(shè)計(jì)上采用了MPI+OpenMP并行模式，因此充分發(fā)揮了SMP集群的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具備了較好的可擴(kuò)展性。對(duì)于天線組陣而言，如果采用軟件并行合成器可以引入新的算法提高處理速度，從記錄數(shù)據(jù)中恢復(fù)信息采用事后處理的方法可以提高信號(hào)合成效率。在DSN大型陣中還可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，并行處理天線信號(hào)，合成來(lái)自不同陣站的信號(hào)。相信隨著在高性能集群環(huán)境中硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境的不斷擴(kuò)展，異地天線組陣的軟件相關(guān)處理會(huì)得到更大的性能提高。 ■

［1］POTTER P，MERRICK W，LUDWIG A.Large Antenna Apertures and Arrays for Deep Space Communications［R］.California:JPL Technical Report，1965:19 －44.

［2］姚 飛，匡麟玲，詹亞鋒.深空通信天線組陣關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010，31(10):2231－2238.

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