異地天線組陣相關處理技術研究

于曉黎，孫甲琦

(北京遙測技術研究所，北京 100076)

0 引言

從20世紀60年代起，美國航空航天局(NASA)深空網(Deep Space Network，DSN)就開始研究天線組陣技術［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的信息量。相較于單個大口徑天線，組陣技術可以在低運營成本的基礎上，提供相當于大口徑天線的等效增益，并增加系統的靈活性和可操作性，而且小天線組陣的成本花費要比制造單個大口徑天線小。因此，小天線組陣是深空測控技術今后發展的一個重要方向。

1 異地天線組陣信號合成特點

異地天線組陣就是利用分布不同地點的多個天線組成天線陣列，接收來自同一信號源(深空探測器)發送的信號，利用信號的相干性和噪聲的不相干性，將各個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，異地天線組陣有時鐘不共源、同一信號接收時間不一致等特點［2］。

異地天線組陣信號合成的關鍵主要是時延補償、相位校正算法、合成方案和時鐘校準。其中時延補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測來消除大部分的延遲差，補償的精度取決于測定基線和信源方向的精度。天線組技術有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算法具有節約硬件成本和運算量的性能優勢，因此采用的是Sumple算法。

2 異地天線組陣的并行相關算法

異地天線組陣信號合成的核心就是確定信號延遲、相位偏移和加權值，使合成信號SNR最大。用信號相關來確定陣列中天線間的信號相位和延遲偏移時，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待處理的原始數據量大、計算復雜，無法使用串行程序在單處理機上完成，所以集群系統在高性能計算領域的優勢凸現出來，一方面能夠應對復雜的科學計算，并行處理海量數據;另一方面又具備高性價比、良好的可擴展特性，將大大提高Sumple算法運行效率。這里結合Sumple算法開發了4個節點，每個節點有12個核的集群系統，并在集群架構上處理了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 天線組陣并行相關算法方案和仿真

3.1 天線組陣模擬信號源仿真系統

首先產生PM調制信號，然后經過延遲控制和加噪產生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 信號源產生原理

3.2 并行相關的方案

軟件開發環境采用Linux操作系統，SMP并行程序設計庫是OpenMP，節點間消息傳遞接口庫為OpenMPI 1.4.2。在Linux集群方面，采用5片刀片服務器作為計算節點，每片刀片包括兩路CPU，每路6個核;每核主頻 800 MHz(自動擴展到2.4 GHz)，內存達到512 KB。

Sumple算法的并行模型采用數據流并行和功能并行相結合的方式。每個天線相關和加權的過程分配到不同的刀片(節點)上處理，將求得的新權值傳遞給其他刀片，從而實現功能并行;每個刀片包括多核，可以將數據的分段交給不同的核進行相同的運算，實現數據并行。每個刀片的相關后數據流送合成器的數據傳輸過程可以與刀片內部計算過程形成流水線模型。

4 實驗結果和分析

PSK信號源載波中心頻率為1 MHz，調相指數設為0.7，遙測數據碼率采用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

由仿真結果可以看出，并行算法的結果和理論值相吻合，而且通過在計算仿真中心上的并行算法可以大大提高運行的速度，尤其在迭代過程中的并行相關的運行效率要遠遠高于串行單處理機。但并行算法還存在可以進一步優化的地方，例如可以采用SSE指令，計算與I/O操作的重疊等措施來提高并行計算的性能。

5 結束語

根據異地天線組陣中信號合成的特點，研究現有節點設備的性能，提出了SMP集群中軟件相關處理方法，由于此算法在設計上采用了MPI+OpenMP并行模式，因此充分發揮了SMP集群的優勢，同時也具備了較好的可擴展性。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，從記錄數據中恢復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網傳輸數據，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境中硬件平臺和軟件環境的不斷擴展，異地天線組陣的軟件相關處理會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鍵技術及其發展趨勢［J］.宇航學報，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.高性能并行計算的曙光:集群系統［J］.哈爾濱學院學報，2004，25(2):136－140.