于曉黎，孫甲琦

(北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

從20世紀(jì)60年代起，美國航空航天局(NASA)深空網(wǎng)(Deep Space Network，DSN)就開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的信噪比，從而提高深空探測器傳輸?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，接收來自同一信號源(深空探測器)發(fā)送的信號，利用信號的相干性和噪聲的不相干性，將各個(gè)天線的接收信號合成，從而獲得高信噪比信號。相比其他天線組陣，異地天線組陣有時(shí)鐘不共源、同一信號接收時(shí)間不一致等特點(diǎn)［2］。

異地天線組陣信號合成的關(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)償可以通過航天器軌跡與跟蹤天線的位置以及相對變化在過境跟蹤前通過離線處理預(yù)測來消除大部分的延遲差，補(bǔ)償?shù)木热Q于測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，因此采用的是Sumple算法。

2 異地天線組陣的并行相關(guān)算法

異地天線組陣信號合成的核心就是確定信號延遲、相位偏移和加權(quán)值，使合成信號SNR最大。用信號相關(guān)來確定陣列中天線間的信號相位和延遲偏移時(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)勢凸現(xiàn)出來，一方面能夠應(yīng)對復(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路異地組陣信號的合成。理論上，4路相同信噪比的信號合成后能有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 天線組陣模擬信號源仿真系統(tǒng)

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

圖3 信號源產(chǎn)生原理

3.2 并行相關(guān)的方案

軟件開發(fā)環(huán)境采用Linux操作系統(tǒng)，SMP并行程序設(shè)計(jì)庫是OpenMP，節(jié)點(diǎn)間消息傳遞接口庫為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)傳輸過程可以與刀片內(nèi)部計(jì)算過程形成流水線模型。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

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

圖4 信號合成前功率譜

圖5 信號合成后功率譜

表1 信號合成前后信噪比

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提高并行計(jì)算的性能。

5 結(jié)束語

根據(jù)異地天線組陣中信號合成的特點(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，同時(shí)也具備了較好的可擴(kuò)展性。對于天線組陣而言，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合成效率。在DSN大型陣中還可通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，并行處理天線信號，合成來自不同陣站的信號。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［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010，31(10):2231－2238.

［3］ROGSTAD D，MileantA，Pham T.Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network［M］.Hoboken:A John Wiley ＆ Sons，lnc，2003.

［4］ROGSTAD D.Suppressed Carrier Full-spectrum Combining［R］.California:The Telecommunications and Data Acquisition Progress Report，1991:12 －20.

［5］FERIA Y，STATMAN J.Signal-to-noise Ratio Losses in Full Spectrum Combining of Signals with a Down converted Subcarrier［R］.California:The Telecommunication and Data Acquisition Progress Report，1993:123 －129.

［6］于秀敏，丁建中，郭 風(fēng).高性能并行計(jì)算的曙光:集群系統(tǒng)［J］.哈爾濱學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25(2):136－140.