劉燕都，鄭海昕，王希闊

(1.裝備學(xué)院 研究生院，北京 101416；2.石家莊陸軍指揮學(xué)院 20隊(duì)，河北 石家莊 050084)

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基于通用計(jì)算機(jī)的基帶信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

劉燕都1，鄭海昕1，王希闊2

(1.裝備學(xué)院 研究生院，北京 101416；2.石家莊陸軍指揮學(xué)院 20隊(duì)，河北 石家莊 050084)

摘要航天測(cè)控系統(tǒng)是一類強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必須考慮的主要因素。當(dāng)前基于通用計(jì)算機(jī)的基帶信號(hào)處理系統(tǒng)因其靈活性、易擴(kuò)展性，已經(jīng)逐步由原理驗(yàn)證階段過(guò)渡到工程實(shí)現(xiàn)階段，但系統(tǒng)由通用計(jì)算機(jī)搭建，因軟硬件的異步特性，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性還不能很好地滿足測(cè)控任務(wù)需求。研究了航天測(cè)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性，分析了不同類型航天測(cè)控任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，提出了基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)控基帶信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并在平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，基于通用計(jì)算機(jī)的航天測(cè)控基帶信號(hào)處理系統(tǒng)可以滿足實(shí)時(shí)性要求。

關(guān)鍵詞航天測(cè)控；基帶信號(hào)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；實(shí)時(shí)性

0引言

航天測(cè)控系統(tǒng)是各類航天任務(wù)中不可或缺的重要組成部分。近年來(lái)，隨著高性能計(jì)算技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，以通用計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)構(gòu)建的測(cè)控系統(tǒng)由理論驗(yàn)證階段逐漸過(guò)渡到工程實(shí)現(xiàn)階段。航天測(cè)控系統(tǒng)是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果的正確性不僅依賴信號(hào)處理的邏輯正確，還取決計(jì)算結(jié)果的時(shí)間正確[1-2]。當(dāng)前，基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能，對(duì)于一些非功能性問(wèn)題研究較少。本文綜合分析了航天測(cè)控任務(wù)中對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，提出了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)在自主研發(fā)的綜合化擴(kuò)頻測(cè)控基帶信號(hào)處理平臺(tái)上進(jìn)行了仿真與分析，為測(cè)控軟基帶的工程實(shí)現(xiàn)提供了一定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1航天測(cè)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性

1.1航天測(cè)控任務(wù)的時(shí)間特征

實(shí)時(shí)，一般指信號(hào)處理的過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)完成。但實(shí)時(shí)不完全等同于快速，無(wú)論處理器計(jì)算速度有多快或傳輸時(shí)延有多小，只要在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生正確的響應(yīng)，則稱系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。因此，實(shí)時(shí)性是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)的能力[3]。

航天測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)具有嚴(yán)格時(shí)限的強(qiáng)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，時(shí)間是一種重要的資源和要素，因此，航天測(cè)控系統(tǒng)具有以下幾個(gè)重要特征：

① 可預(yù)知性。航天任務(wù)一般按預(yù)先制定的方案執(zhí)行，航天器的飛行軌道、飛行姿態(tài)、機(jī)動(dòng)動(dòng)作和測(cè)控操作執(zhí)行的時(shí)間是確定的，這一點(diǎn)是航天測(cè)控系統(tǒng)最重要的特征。

② 及時(shí)性。航天測(cè)控系統(tǒng)具有精準(zhǔn)的時(shí)限要求，這個(gè)精度一般能達(dá)到ms級(jí)，甚至要求μs級(jí)，而快速并不能對(duì)這種要求做出保證。因此，航天測(cè)控任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)及時(shí)地運(yùn)行任務(wù)比快速更為重要。

③ 并行性。航天測(cè)控中無(wú)論是分離體制還是統(tǒng)一體制，跟蹤測(cè)量在時(shí)間邏輯上都是并行的，各個(gè)測(cè)量系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行和計(jì)算。由此可以看出，航天測(cè)控系統(tǒng)具有并行性特征。

④ 定向性。因?yàn)闇y(cè)控任務(wù)本質(zhì)上是分布的，所以測(cè)控任務(wù)的完成依賴多個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)同，因此測(cè)控系統(tǒng)中的時(shí)間約束具有定向的傳遞性。

1.2航天測(cè)控任務(wù)的實(shí)時(shí)性分析

不同航天任務(wù)有其自身固有的特點(diǎn)和測(cè)控需求。測(cè)控任務(wù)的實(shí)時(shí)性分析就是指根據(jù)不同航天任務(wù)的特點(diǎn)，分析任務(wù)的實(shí)時(shí)性需求；分析測(cè)控網(wǎng)的信息處理能力能否滿足實(shí)時(shí)性要求；分析能否在可測(cè)控弧段內(nèi)安排所要求的各測(cè)控事件，分析測(cè)控系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)完成所需的測(cè)控任務(wù)。

典型的航天任務(wù)及任務(wù)特點(diǎn)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[4-5]。運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)測(cè)控時(shí)間短、距離近，測(cè)控實(shí)時(shí)性要求高，重點(diǎn)在彈道測(cè)量，要求測(cè)控系統(tǒng)能夠及時(shí)提供運(yùn)載火箭的飛行彈道及各類參數(shù)，作為發(fā)射場(chǎng)安控的依據(jù)，要求從捕獲目標(biāo)、輸出測(cè)量信息到監(jiān)視顯示，一般在數(shù)百ms內(nèi)完成[6]。近地軌道衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)和載人航天任務(wù)中，單站的可測(cè)控時(shí)間只有幾分鐘到十幾分鐘，可觀測(cè)窗口極短，但測(cè)定軌要求高，遙測(cè)數(shù)據(jù)率高，測(cè)控的實(shí)時(shí)性要求極高。同步軌道衛(wèi)星的工作軌道相對(duì)地面靜止，衛(wèi)星入軌段控制復(fù)雜，但衛(wèi)星入軌后軌道參數(shù)相對(duì)固定，不需要強(qiáng)實(shí)時(shí)跟蹤，單站可按照時(shí)分的方式測(cè)控多顆衛(wèi)星。深空測(cè)控距離比常規(guī)測(cè)控距離有了明顯增加，信號(hào)傳輸時(shí)延也較大，因其物理限制，對(duì)深空測(cè)控任務(wù)要求較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性是沒(méi)有必要的，可采用復(fù)雜的算法，提高測(cè)量的精度。

根據(jù)以上分析，測(cè)控系統(tǒng)搭建過(guò)程中應(yīng)依據(jù)不同的任務(wù)類型合理調(diào)配資源，采取合理的平臺(tái)和算法，以達(dá)到資源最優(yōu)化。

2測(cè)控基帶信號(hào)處理中的實(shí)時(shí)性

當(dāng)前，航天測(cè)控信號(hào)處理依賴測(cè)控綜合基帶設(shè)備，綜合基帶設(shè)備依靠嚴(yán)格的硬件時(shí)鐘控制，其時(shí)間同步性和實(shí)時(shí)性均能得到保證。測(cè)控系統(tǒng)基帶信號(hào)處理的主要時(shí)間指標(biāo)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

目前，通用計(jì)算機(jī)主要用來(lái)處理文檔、多媒體以及非實(shí)時(shí)的數(shù)學(xué)計(jì)算和分析，如何客觀地評(píng)估數(shù)字信號(hào)處理方法在通用計(jì)算機(jī)中的處理時(shí)長(zhǎng)，最常用的方法是利用指令計(jì)時(shí)，但因?yàn)樘幚砥鞯姆謺r(shí)運(yùn)行，這種方法并不準(zhǔn)確。工程中通常將完成一個(gè)處理過(guò)程的時(shí)間Ti描述為計(jì)算得到每個(gè)輸出yi(n)時(shí)所需的時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)對(duì)yi(n)有影響的下一組輸入xi+1(m)到達(dá)的時(shí)間，以此來(lái)描述信號(hào)計(jì)算中的時(shí)延。

3測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的保障方案

傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算規(guī)模通常較小，但在航天測(cè)控任務(wù)中，信號(hào)多樣、數(shù)據(jù)復(fù)雜，計(jì)算規(guī)模較大。目前，在用的設(shè)備依賴軟件無(wú)線電的硬件體系結(jié)構(gòu)和定制的專有測(cè)控軟件。這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)與某一種數(shù)字信號(hào)處理器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作模式緊密相關(guān)，雖然可以靠加載不同程序?qū)崿F(xiàn)不同功能，但系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)不可重組，程序不易修改，多種功能不易整合集成。利用通用計(jì)算機(jī)搭建的測(cè)控系統(tǒng)，可以減少系統(tǒng)硬件費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)和改造時(shí)間，充分提高系統(tǒng)的通用性和靈活性。

3.1相關(guān)技術(shù)

隨著實(shí)時(shí)信號(hào)處理應(yīng)用的發(fā)展，為保證測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算的研究也逐步形成。實(shí)時(shí)信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)如圖1所示，主要包括系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和處理器。

圖1　實(shí)時(shí)信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)

高性能分布式計(jì)算最初為科學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)，如今被廣泛應(yīng)用于氣象仿真、生物分子模擬和環(huán)境科學(xué)等各行各業(yè)。從分布式計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，分布式并行計(jì)算是高性能計(jì)算的發(fā)展方向。尤其近年來(lái)將GPU作為協(xié)處理器提高運(yùn)行效率的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，CUDA的低開(kāi)發(fā)門檻為高性能計(jì)算的“平民化”提供了很好的平臺(tái)。因此，采用分布式異構(gòu)并行的硬件體系結(jié)構(gòu)，能夠在計(jì)算能力上保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(FPGAs)的可重構(gòu)技術(shù)、MCP封裝技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)為解決通用計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題提供了多種發(fā)展方向。

為了帶來(lái)更高的穩(wěn)定性和重用性，中間件技術(shù)被廣泛采用。CORBA[8]是一個(gè)分布式的面向?qū)ο蟮膽?yīng)用結(jié)構(gòu)規(guī)范，針對(duì)工程應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)，通常在中間件技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成專用的軟總線軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，配置系統(tǒng)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和通信資源，從軟件體系結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)是現(xiàn)在主流的編程技術(shù)，但其編程模式在處理實(shí)時(shí)性方面還缺乏對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確描述和合理的調(diào)度機(jī)制。當(dāng)前最常用的實(shí)時(shí)對(duì)象模型是基于Client/Server的計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2　Client/Server編程模型

該模型公共部分定義了對(duì)象收發(fā)的外部操作，私有部分定義了對(duì)象可實(shí)現(xiàn)的功能。這些功能均以線程的形式體現(xiàn)，并聚集在線程池中，Client/Server模型將常見(jiàn)的對(duì)象間的調(diào)用操作轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)象內(nèi)部線程的優(yōu)先級(jí)操作，對(duì)象響應(yīng)外部操作的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)樗接胁糠值木€程調(diào)用。這樣，對(duì)象調(diào)用的時(shí)間特性描述變?yōu)榱司€程調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)策略，從而不受其他操作的影響，在編程技術(shù)上保證算法的實(shí)時(shí)性。

3.2系統(tǒng)模型

基于通用計(jì)算機(jī)[9]的測(cè)控系統(tǒng)可以用一個(gè)分層模型來(lái)表示，并在每一層的設(shè)計(jì)中提出實(shí)時(shí)性保障方案，如圖3所示。

物理層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，利用前置高性能工作站、高速互聯(lián)模塊和高速存儲(chǔ)模塊等保障。內(nèi)核層由操作系統(tǒng)構(gòu)成，是系統(tǒng)硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件之間的中介，直接與物理層中的各種計(jì)算資源交互，利用多任務(wù)I/O訪問(wèn)、實(shí)時(shí)多線程調(diào)度等保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。鏈路層和傳輸層分別采用優(yōu)化信號(hào)路由和數(shù)據(jù)封裝、標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議的方法優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。在傳輸層，利用測(cè)控幀結(jié)構(gòu)中的時(shí)間同步信息標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)并行數(shù)據(jù)流間的時(shí)間同步。功能實(shí)現(xiàn)層和應(yīng)用層通過(guò)搭建“積木”的軟總線的方式，完成高效的軟件重組和人機(jī)交互，構(gòu)成完整的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)。

圖3　基帶信號(hào)處理系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

3.3設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)思路

基于上述技術(shù)，可以預(yù)見(jiàn)基于通用計(jì)算機(jī)的航天測(cè)控系統(tǒng)將是開(kāi)放的，絕大多數(shù)硬件是可以購(gòu)買到的標(biāo)準(zhǔn)組件(COTS)，而軟件則是采用軟總線技術(shù)構(gòu)成的軟件體系結(jié)構(gòu)。不過(guò)，因?yàn)楹教鞙y(cè)控信號(hào)的特殊性，綜合化處理平臺(tái)仍然需要部分定制的硬件，使系統(tǒng)成為一個(gè)混合的分布式信號(hào)處理系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　基帶信號(hào)處理系統(tǒng)硬件構(gòu)成

由于測(cè)控系統(tǒng)功能十分復(fù)雜，因此，信號(hào)處理集群采用組件化的設(shè)計(jì)方法，將計(jì)算復(fù)雜性分散到各個(gè)處理終端中。對(duì)于計(jì)算密集度較高的功能組件，采用GPU作為協(xié)處理器加速，保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

如1.2節(jié)分析，在實(shí)際的航天測(cè)控系統(tǒng)中，并不是每項(xiàng)任務(wù)都需要保證較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，因此，對(duì)于不同任務(wù)，實(shí)時(shí)性是可選的，例如對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的深空測(cè)控任務(wù)，通過(guò)加載更為復(fù)雜的信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)更高的精度。

4測(cè)試結(jié)果分析

基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)由多臺(tái)高性能工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接而成，高性能計(jì)算機(jī)以千兆以太網(wǎng)卡作為網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)雙絞線(6類UTP線)與千兆以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接?；赪indows操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議可以達(dá)到千兆以太網(wǎng)的最大有效帶寬，采用基于端口匯聚式交換機(jī)的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作在全雙工模式下，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)工作模式示意

核心的計(jì)算硬件為高性能工作站，惠普Z(yǔ)820(E5-2620/4 GB/1 TB/Q2000)采用英特爾E5-2620六核處理器，4 GB DDR3 1 333 GHz內(nèi)存，1 000 GB SATA3硬盤，NVIDA Q2000 1 GB 專業(yè)圖形顯卡，可通過(guò)機(jī)架安裝的系統(tǒng)提供7個(gè)擴(kuò)展槽、7個(gè)擴(kuò)展托架和4通道集成DDR3內(nèi)存(帶有16個(gè)插槽，支持的內(nèi)存容量高達(dá)512 GB)。

系統(tǒng)搭建后，采用“CPU+GPU”異構(gòu)全并行的方式設(shè)計(jì)擴(kuò)頻測(cè)控信號(hào)捕獲模塊，將原有典型的二維串行搜索轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模多線程并行搜索，并對(duì)不同擴(kuò)頻系數(shù)的500 ms測(cè)控信號(hào)進(jìn)行仿真測(cè)試。經(jīng)過(guò)100次測(cè)試統(tǒng)計(jì)平均后的測(cè)試結(jié)構(gòu)如表1所示，測(cè)試結(jié)果表明捕獲的相位精度均可達(dá)到1/4。

表1　基于GPU的擴(kuò)頻信號(hào)并行捕獲時(shí)間測(cè)試

利用軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)信號(hào)跟蹤模塊，輸入1 ms數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)路整體執(zhí)行時(shí)間經(jīng)過(guò)100次測(cè)試統(tǒng)計(jì)平均，串行執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)9.6 ms，并行執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)0.78 ms，加速比達(dá)到12.3，實(shí)時(shí)性可達(dá)到1∶0.78。

經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，能夠在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)完成計(jì)算，并具備較強(qiáng)的系統(tǒng)重組能力。

5結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比文獻(xiàn)[10]中的測(cè)控信號(hào)處理系統(tǒng)，基于通用計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)能夠完成現(xiàn)階段的大部分測(cè)控功能，并保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，且具有更強(qiáng)的功能重組能力、更低的成本和更強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能夠根據(jù)不同實(shí)時(shí)性任務(wù)需求，動(dòng)態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)保持相對(duì)較優(yōu)，是測(cè)控設(shè)備發(fā)展的重要方向之一。后續(xù)將繼續(xù)完善系統(tǒng)功能，考慮向自主可控平臺(tái)過(guò)渡。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.09

收稿日期：2016-03-16

基金項(xiàng)目：武器裝備預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140A24070509KG02)。

中圖分類號(hào)TN914.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0034-04

作者簡(jiǎn)介

劉燕都男，(1986—)，碩士研究生。主要研究方向：高速數(shù)字信號(hào)處理、航天測(cè)控技術(shù)。

鄭海昕女，(1974—)，碩士，副教授。主要研究方向：航天測(cè)控技術(shù)、空間數(shù)據(jù)傳輸。

Real-time Performance Analysis of TT&C Baseband Signal Processing Based on General Computer

LIU Yan-du1,ZHENG Hai-xin1,WANG Xi-kuo2

(1.SchoolofPostgraduate,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;2.Squadron20,ArmyCommandAcademy,ShijiazhuangHebei050084,China)

AbstractIn aerospace TT&C system,real-time performance is of great importance and it is the main factor that must be considered in system design and implementation process.Currently,the TT&C baseband signal processing systems based on general computer have already transitioned from the principle validation phase to the engineering implementation phase due to their flexibility and scalability.However,these systems are set up by general computers,and their real-time performance cannot meet the demand of aerospace TT&C task well due to the asynchronous features of the hardware and software.The real-time performance of aerospace TT&C systems is studied in this paper.The requirements of different types of aerospace TT&C tasks for real-time performance are analyzed.A baseband signal processing system based on general computer implementation scheme is proposed,and experiments on platform are conducted.The simulation results show that space TT&C baseband signal processing system based on general computer can meet the real-time performance requirements.

Key wordsaerospace TT&C;baseband signal;system structure;real-time performance

引用格式：劉燕都,鄭海昕,王希闊.基于通用計(jì)算機(jī)的基帶信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析[J].無(wú)線電工程,2016,46(7):34-37.