异地天线组阵相关处理技术研究

于晓黎，孙甲琦

(北京遥测技术研究所，北京 100076)

0 引言

从20世纪60年代起，美国航空航天局(NASA)深空网(Deep Space Network，DSN)就开始研究天线组阵技术［1］，依靠地面天线组阵提高接收信号的信噪比，从而提高深空探测器传输的信息量。相较于单个大口径天线，组阵技术可以在低运营成本的基础上，提供相当于大口径天线的等效增益，并增加系统的灵活性和可操作性，而且小天线组阵的成本花费要比制造单个大口径天线小。因此，小天线组阵是深空测控技术今后发展的一个重要方向。

1 异地天线组阵信号合成特点

异地天线组阵就是利用分布不同地点的多个天线组成天线阵列，接收来自同一信号源(深空探测器)发送的信号，利用信号的相干性和噪声的不相干性，将各个天线的接收信号合成，从而获得高信噪比信号。相比其他天线组阵，异地天线组阵有时钟不共源、同一信号接收时间不一致等特点［2］。

异地天线组阵信号合成的关键主要是时延补偿、相位校正算法、合成方案和时钟校准。其中时延补偿可以通过航天器轨迹与跟踪天线的位置以及相对变化在过境跟踪前通过离线处理预测来消除大部分的延迟差，补偿的精度取决于测定基线和信源方向的精度。天线组技术有5种基本处理方案，获得最佳遥测性能的是全频谱合成(FSC)方案［3］，而相位校正算法中，Sumple算法具有节约硬件成本和运算量的性能优势，因此采用的是Sumple算法。

2 异地天线组阵的并行相关算法

异地天线组阵信号合成的核心就是确定信号延迟、相位偏移和加权值，使合成信号SNR最大。用信号相关来确定阵列中天线间的信号相位和延迟偏移时，主要研究Sumple算法。Sumple合成算法的基本原理如图1所示。

图1 Sumple合成算法的原理

由于天线组阵合成技术待处理的原始数据量大、计算复杂，无法使用串行程序在单处理机上完成，所以集群系统在高性能计算领域的优势凸现出来，一方面能够应对复杂的科学计算，并行处理海量数据;另一方面又具备高性价比、良好的可扩展特性，将大大提高Sumple算法运行效率。这里结合Sumple算法开发了4个节点，每个节点有12个核的集群系统，并在集群架构上处理了4路异地组阵信号的合成。理论上，4路相同信噪比的信号合成后能有6 dB的增益改善［5］。并行算法流程如图2所示。

图2 并行算法流程

3 天线组阵并行相关算法方案和仿真

3.1 天线组阵模拟信号源仿真系统

首先产生PM调制信号，然后经过延迟控制和加噪产生4路组阵合成信号源。Simulink仿真信号源的原理图如图3所示。

图3 信号源产生原理

3.2 并行相关的方案

软件开发环境采用Linux操作系统，SMP并行程序设计库是OpenMP，节点间消息传递接口库为OpenMPI 1.4.2。在Linux集群方面，采用5片刀片服务器作为计算节点，每片刀片包括两路CPU，每路6个核;每核主频 800 MHz(自动扩展到2.4 GHz)，内存达到512 KB。

Sumple算法的并行模型采用数据流并行和功能并行相结合的方式。每个天线相关和加权的过程分配到不同的刀片(节点)上处理，将求得的新权值传递给其他刀片，从而实现功能并行;每个刀片包括多核，可以将数据的分段交给不同的核进行相同的运算，实现数据并行。每个刀片的相关后数据流送合成器的数据传输过程可以与刀片内部计算过程形成流水线模型。

4 实验结果和分析

PSK信号源载波中心频率为1 MHz，调相指数设为0.7，遥测数据码率采用10 kbps，遥测副载波频率为66537 Hz。信号合成前和后的功率谱如图4和图5所示，信号合成前后信噪比如表1所示。

图4 信号合成前功率谱

图5 信号合成后功率谱

表1 信号合成前后信噪比

由仿真结果可以看出，并行算法的结果和理论值相吻合，而且通过在计算仿真中心上的并行算法可以大大提高运行的速度，尤其在迭代过程中的并行相关的运行效率要远远高于串行单处理机。但并行算法还存在可以进一步优化的地方，例如可以采用SSE指令，计算与I/O操作的重叠等措施来提高并行计算的性能。

5 结束语

根据异地天线组阵中信号合成的特点，研究现有节点设备的性能，提出了SMP集群中软件相关处理方法，由于此算法在设计上采用了MPI+OpenMP并行模式，因此充分发挥了SMP集群的优势，同时也具备了较好的可扩展性。对于天线组阵而言，如果采用软件并行合成器可以引入新的算法提高处理速度，从记录数据中恢复信息采用事后处理的方法可以提高信号合成效率。在DSN大型阵中还可通过互联网传输数据，并行处理天线信号，合成来自不同阵站的信号。相信随着在高性能集群环境中硬件平台和软件环境的不断扩展，异地天线组阵的软件相关处理会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 飞，匡麟玲，詹亚锋.深空通信天线组阵关键技术及其发展趋势［J］.宇航学报，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 风.高性能并行计算的曙光:集群系统［J］.哈尔滨学院学报，2004，25(2):136－140.