автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритмы и бортовая аппаратура обработки радиосигналов и формирования изображений систем космического базирования

На правах рукописи

Ракитин Алексей Валерьевич

АЛГОРИТМЫ И БОРТОВАЯ АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ РАДИОСИГНАЛОВ И ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

Специальность: 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

2 3 МАЙ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005059835

Владимир 2013

005059835

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

Научный руководитель:

Костров Виктор Васильевич доктор технических наук, профессор кафедры РТ МИ (филиала) ВлГУ г. Муром

Официальные оппоненты:

Толстов Евгений Фёдорович, доктор технических наук, профессор ГУЛ НПЦ «СПУРТ», г. Москва

Архипов Евгений Анатольевич кандидат технических наук, доцент кафедры РТ и РС ВлГУ, г. Владимир

Ведущая организация:

ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР», г. Москва, Электрический переулок, д.1

Защита состоится «18» июня 2013 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, д. 87, ауд. 301-3.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан «14» мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

А.Г. Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Постоянно растущие требования к качеству космической информации и увеличивающееся количество её потребителей предъявляют все более высокие требования к бортовым техническим средствам обработки и передачи данных. Существующая в настоящее время практика передачи первичной информации в наземные центры обработки значительно ограничивается недостаточной пропускной, способностью каналов связи, что снижает эффективность использования радиотехнических средств космического базирования. Временная задержка на обработку принятых данных в наземных пунктах и последующую передачу результатов потребителям может достигать до восьми суток, что часто приводит к существенному снижению ценности получаемой информации. Формирование радиофизических изображений (РФИ), включая обработку и сжатие радиосигналов с помощью вычислительных устройств на борту космического аппарата (КА), позволит снизить требования к пропускной способности каналов связи, сложности наземной аппаратуры и квалификации персонала, а также обеспечить подготовку информации для оперативного её использования конечными потребителями.

Обработка радиотехнических сигналов и формирование РФИ на борту КА требует разработки вычислителей и алгоритмов, адаптированных для реализации на современных процессорах цифровой обработки сигналов (ПЦОС), а также создания программных библиотек, как средств разработки программного обеспечения.

Решение этих задач позволит сократить стоимость и сроки разработки бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений (БАОСИ), целевого программного обеспечения и расширить круг задач, оперативно и эффективно решаемых с помощью космических комплексов дистанционного наблюдения поверхности Земли.

Задачи формирования РФИ решались отечественными и зарубежными разработчиками — учёными и специалистами, среди которых можно выделить Кондра-тенкова Г.Ф., Антипова В.Н., Горяинова В.Т., Толстова Е.ф., Вербу B.C., Нерон-ского Л.Б., Карпова O.E., Лаврова A.A., Титова М.П., Орлова М.С., Самарина О.Ф., Фролова А.Ю., Каррару В.Г., Гудмана P.C., Маевского P.M., Камминга И.Г., Кур-ландера Дж.К., Пилаи С.Ю. и др. Однако основное внимание авторов уделялось наземным средствам обработки, технике синтезирования апертуры антенны и формирования РФИ для систем авиационного базирования. Изложенные в известных работах подходы не позволяют реализовать оперативное извлечение информации из РФИ, особенно на подвижных объектах (корабли, самолёты, автомобили), на ко-

торых сложно организовать полномасштабную обработку траекторного сигнала. Большое место в исследованиях Земли занимают оптические средства, которые имеют ряд существенных недостатков - большая задержка выдачи информации, зависимость результатов съёмки от погодных условий и условий освещённости.

Одним из центральных направлений в решении этих проблем является одновременное использование радиотехнических средств зондирования Земли и осуществление цифровой обработки траекторного сигнала на борту КА в режиме реального времени. Для этих целей в состав бортовой аппаратуры вводится цифровой вычислительный комплекс. Использование процессоров цифровой обработки сигналов (ЦОС) в составе БАОСИ ставит перед разработчиками целый комплекс научно-технических задач. К их числу можно отнести такие проблемы как минимизация массогабаритных характеристик, обеспечение радиационной стойкости и высокой надёжности, возможность динамической реконфигурации архитектуры, создание нового и повышение эффективности существующего программно-алгоритмического обеспечения. О сложности проблематики свидетельствует тот факт, что до настоящего времени бортовая аппаратура формирования РФИ на отечественных КА не устанавливалась, а опыт её разработки отсутствует. Однако в ближайшей перспективе существенное развитие настоящей тематики предусматривается Государственной космической программой РФ «Космическая деятельность России на 2013 — 2020 годы».

Одним из наиболее сложных и в то же время востребованных режимов зем-леобзора является технология БсалБАК. Основные тактико-технические характеристики режима, его реализационные особенности не нашли достаточного освещения в научной литературе. При современном развитии техники именно он позволяет формировать РФИ на борту КА и передавать его потребителю в реальном масштабе времени, поэтому задачи исследования алгоритмов обработки сигналов и формирования изображений для реализации режима ЗсапБАК с обработкой на борту КА является актуальными.

: Объектом исследований диссертационной работы являются бортовые устройства цифровой обработки траекторного сигнала, алгоритмы обработки траекторного сигнала при формировании радиофизических изображений, а также специализированные устройства цифровой обработки сигналов.

Предмет исследований - разработка алгоритмов обработки, направленных на снижение вычислительных затрат, повышение разрешающей способности и качества формирования радиофизических изображений, а также выработка требований к бортовой аппаратуре обработки сигналов и разработка её структуры.

Целью настоящей диссертационной работы являются разработка архитектуры и структуры бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений КА с длительными сроками активного существования (САС), исследование характеристик специализированной отечественной элементной базы, а также разработка алгоритмов обработки радиосигналов, направленных на повышение качества формирования РФИ в режиме реального времени.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач.

1. Проведение анализа особенностей методов и алгоритмов обработки траек-торного сигнала по технологии ЗсапБАК в различных режимах синтезирования РФИ на борту космических аппаратов.

2. Разработка архитектуры и структуры бортового цифрового вычислительного устройства обработки траекторного сигнала с возможностью реконфигурации, а также определение требований к устройствам интерфейса в системах обработки траекторного сигнала, использующих технологию ЗсапйАК.

3. Исследование вычислительных возможностей и пропускной способности интерфейсов отечественных сигнальных процессоров, обладающих радиационной стойкостью и предназначенных для работы в составе БАОСИ.

4. Разработка методики расчёта основных пространственно-временных параметров съёмки с учётом структуры цифровых устройств обработки траекторного сигнала.

5. Моделирование и экспериментальные исследования алгоритмов формирования РФИ с применением быстрых алгоритмов обработки сигналов.

6. Разработка состава программных библиотек формирования и первичной обработки сложных сигналов для БАОСИ космического применения и определение предъявляемых к ним функциональных требований.

Методы исследований. Поставленные задачи решались при помощи теории и методов цифровой обработки сигналов, включая методы спектрального анализа и свёртки цифровых сигналов, теории программирования, теории параллельных вычислительных систем, теории надёжности. Широко использовались методы математического моделирования на ЭВМ и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Разработана методика расчёта геометрических и временных характеристик съёмки для режима 8сал8А11; определён комплекс требований по пропускной способности входных/выходных интерфейсов и производительности процессоров бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений.

2. Синтезированы архитектура и структура бортового устройства КА с длительными сроками активного существования предназначенного для цифровой об-

работки траекторного сигнала при формировании РФИ по технологии БсапЗАЯ с применением мультипроцессорных вычислительных структур для работы в реальном масштабе времени.

3. Разработаны методики измерения и получены оценки реальной производительности и эффективной скорости передачи данных процессора цифровой обработки сигналов.

4. Разработаны алгоритм дробной децимации в обработке траекторного сигнала с целью снижения вычислительных затрат, а также алгоритм обработки сигналов с вобуляцией периода повторения для снижения погрешности определения местоположения подвижных объектов.

Практическая значимость.

1. Разработанная в соответствии с определёнными в работе требованиями структура БАОСИ позволяет строить современные отказоустойчивые бортовые вычислители с гибкой архитектурой, предназначенные для выполнения цифровой обработки траекторного сигнала на борту КА в режиме реального времени.

2. Полученные численные значения реальных производительности процессора 1892ВМ8Я и пропускной способности его интерфейсов для различных задач цифровой обработки сигналов позволяют более точно априорно оценивать различные проекты бортовых систем обработки сигналов и изображений.

3. Разработанный алгоритм дробной децимации траекторного сигнала позволяет снизить требования, предъявляемые к пропускной способности интерфейсов и вычислительной мощности процессоров азимутальной обработки на 20...50%.

4. Разработанный алгоритм устранения неоднозначности по частоте позволяет уменьшить ошибку определения местоположения движущейся цели в 2,5...3 раза.

5. Разработанное программное обеспечение позволяет выполнять формирование радиофизического изображения для режима ЗсапЗАЯ в реальном масштабе времени и может быть использовано в различных радиотехнических системах.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ОАО «НИИ «Субмикрон», ОАО МЗ РИЛ, ЗАО «ЭЛВИИС» при разработке алгоритмического и программного обеспечения для различных систем обработки сигналов и изображений. Основная часть проведённых в работе исследований использовалась в НИР и ОКР, выполняемых по Постановлениям Правительства РФ о Государственном оборонном заказе.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Методика расчёта геометрических и временных характеристик режима БсалБАК, требования к аппаратуре обработки сигналов с целью реализации в ре-

жиме реального времени, реализационные особенности аппаратного и программ-нош обеспечения,

2. Вычислительная среда космического аппарата с длительным сроком активного существования и структура бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений с, гибкой архитектурой, позволяющие строить программно реконфи-гурируемые вычислители повышенной надёжности, интегрируемые с существующей аппаратурой КА.

,3. Методики и результаты исследований реальной производительности и эффективной скорости передачи данных для сигнального процессора 1892ВМ8Я в различных задачах цифровой обработки сигналов.

4. Алгоритм дробной децимации траекторного сигнала для систем космического базирования, позволяющий снизить требования по вычислительной мощности на 20...50% при удовлетворительном качестве синтезируемого РФИ.

5. Алгоритм устранения неоднозначности по частоте, возникающей при наличии на РФИ наземной движущейся цели, основанный на методе вобуляции периода повторения, позволяющий в 2,5...3 раза снизить ошибку определения местоположения цели на РФИ.

Апробацпя работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 и 13 Международной НТК «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA) (Москва, 2009, 2011); German Radar Symposium (Berlin, 2000); 8-th International Conference on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies (PRIA-8-2007) (Yoshkar-Ola, Russia, 2007); V Всероссийская научная конференция «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» (Муром, 2012); 1 и 2 Всероссийской конференции «Всероссийские научные Зворыкинские чтения» (Муром, 2009, 2010); 1 Всероссийской конференции «Космическая радиолокация» (Муром, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, среди которых: 4 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в научно-технических журналах и сборниках, 10 докладов в трудах и тезисах международных, всероссийских и отраслевых конференций, 1 свидетельство на программный продукт, а также 2 учебных пособия. В совместных публикациях автор участвовал с другими авторами в равной степени. .....

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии из 117 наименований, 3 приложений. Содержание работы изложено на 145 стр. основного текста, включая 48 иллюстраций, 10 стр. библиографии и 9 стр. приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, сформулированы цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту; ойределён круг вопросов, касающихся решения поставленных задач.

В первой главе рассматриваются особенности- проектирования цифровой системы обработки радиоголограмм при получении РФИ в режиме съёмки по технологии 8сап8АЯ. Отмечается, что данный вид обзора обеспечивает широкую полосу захвата, что важно для формирования изображений больших территорий, предоставляет возможность передавать получаемые изображения по низкоскоростным спутниковым линиям связи и воспроизводить их в реальном масштабе времени. Не смотря на невысокое пространственное разрешение получаемых РФЙ, данные обстоятельства делают режим БсапЯАИ востребованным, а его исследование и реализацию в бортовой аппаратуре - актуальными.

Применительно к режиму съёмки БсалБАК рассмотрены различные уровни обработки радиофизических данных. Предложены различные варианты распределения работ по формированию и обработке РФИ между БАОСИ и наземным пунктом. В любом варианте формирование первичного РФИ парциальных кадров выполняется на борту КА по алгоритмам, которые включают в себя сжатие сложного сигнала по дальностной координате, сжатие траекторного сигнала по азимутальной координате и формирование первичного РФИ.

На рисунке 1 представлена базовая структура устройства формирования РФИ, в которой для сжатия сложного сигнала (обработка сигнала по дальности) используется алгоритм быстрой свёртки (БС), а для азимутальной обработки - метод гармонического анализа (ГА). На рисунке приняты обозначения: БПФ — блок вычисления быстрого преобразования Фурье; ОБПФ — блок вычисления обратного быстрого преобразования Фурье; КП - комплексный перемножитель; ВК-Д, ВК-А — блоки хранения весовых коэффициентов по дальности и азимуту соответственно; ВО - блок выполнения вспомогательных операций.

Рисунок 1 — Последовательность вычислений в режиме 8сап8АЫ

Поскольку на параметры алгоритма обработки существенно влияют геометрические характеристики землеобзора, детально рассмотрены особенности геометрии съёмки. Представлена оценка влияния параметров сканирования на характеристики пространственного разрешения получаемого РФИ.

Разработаны рекомендации по выравниванию энергетического профиля РФИ по азимутальной координате; показано, что центр парциального кадра при обработке целесообразно сместить на величину АЯ^/2, а размер самого кадра уменьшить на величину смещения КА за время синтеза Д/?с„„. Получены точные соотношения для расчёта скорости движения луча по поверхности Земли, проведён анализ степени её изменения для низкоорбитальных КА при изменении углов визирования и высоты орбиты. Показано, что доя организации режима съёмки БсалБАК целесообразно использовать углы визирования в диапазоне (5°...20°)< /7< (58°...70°). Нижняя граница обусловлена существенной деградацией пространственной разрешающей способности, а верхняя - критическими углами визирования.

Разработана методика расчёта основного набора из более чем 40 геометрических и временных параметров режима съёмки БсалБАК. Проведён расчёт необходимого объёма вычислений на проведение операции синтеза апертуры. При проведении расчётов учитывалось использование алгоритмов быстрой свёртки для обработки по дальности и гармонического анализа для обработки по азимутальной координате. Показано, что общее число операций, необходимых для получения одной полоски РФИ составляет порядка 3-108 операций, которые нужно выполнить за несколько десятков миллисекунд. Проведённые расчёты свидетельствуют о том, что формирование РФИ при съёмке по технологии БсапВАЯ требует значительных вычислительных затрат.

Отмечается, что реальная производительность БАОСИ ограничена рядом факторов: требованием по обеспечению радиационной стойкости элементной базы; требованием высокой надёжности, способности к самовосстановлению при сбоях в работе; ограничениями по энергопотреблению и массогабаритным характеристикам; жёсткими требованиями по механическим воздействиям. На основании их анализа сделан вывод о необходимости более тщательной оптимизации баланса алгоритмического, программного обеспечения и аппаратной реализации.

Вторая глава посвящена вопросам разработки архитектуры и структуры перспективной БАОСИ. С целью определения технических требований к БАОСИ был выполнен расчёт информационных потоков и требуемой вычислительной

9

мощности для типовой задачи землеобзора в режиме ScanSAR. В соответствии с разработанной методикой расчёта рассмотрены три основных этапа формирования РФИ: сжатие по дальности, синтез апертуры и некогерентное накопление. Получено суммарное требование по производительности не менее 3,2 GFLOPS. Результирующее требование по пропускной способности входного интерфейса определено как 75-106 отсчётов/сек.

Рассмотрена проблема радиационной стойкости бортовых вычислителей космических аппаратов с длительными САС. Проведён анализ воздействий спецфакторов космического пространства, методов повышения радиационной стойкости аппаратуры, а также предлагаемой элементной базы. В результате анализа выявлено, что меры обеспечения радиационной стойкости приводят к ограничению тактовых частот процессоров, что существенно снижает производительность их вычислительных ядер и интерфейсов. В результате анализа радиационно-стойких отечественных процессоров ЦОС сделан вывод о целесообразности построения БАОСИ на базе процессора 1892ВМ8Я (MC-24R2) платформы «Мультикор» с последующим переходом на совместимый с ним перспективный ПЦОС MC-30SF6.

Рассмотрена проблема коммутации информационных потоков на борту космического аппарата. Анализ современных структур бортовых вычислительных и управляющих систем показывает, что можно выделить шесть основных видов бортовых межсоединений: шина датчиков, шина управления, телеметрическая шина, шина данных, шина временной синхронизации и шина сигналов системных событий. Для передачи управляющих сигналов и телеметрии используется интерфейс МКО выполняемый в соответствии с ГОСТ Р 52070-2003. Передача иных информационных потоков отечественными стандартами не регламентирована, что приводит к использованию на борту множества разнородных не унифицированных систем передачи данных. Разумным решением проблемы представляется принятие отраслевого стандарта на единый перспективный универсальный интерфейс, позволяющий объединить и унифицировать передачу разнородной информации. Исходя из характеристик передачи различной бортовой информации, были сформулированы основные требования к такому интерфейсу. Анализ современных решений показал, что наиболее перспективной является технология Space Wire и её дальнейшие развития в Space Wire-RT и SpaceFibre.

Приведены реализационные особенности бортовой аппаратуры и программного обеспечения. Показано, что с одной стороны имеются жёсткие ограничения по производительности, а с другой - повышенные тактико-технические требова-

ния к бортовым системам обработки. В результате этого существующие решения обладают вычислительной мощностью в десятки раз меньшей, чем требуемая. Скорость передачи данных по интерфейсам также в несколько раз ниже необходимой. В таких условиях особо остро встают задачи определения значений реальных производительности и пропускной способности интерфейсов процессора при решении задач обработки сигналов, оптимизации алгоритмов обработки с целью уменьшения требований по вычислительной мощности, а также проведения многоуровневой оптимизации программного обеспечения.

С учётом современных тактических, технических и производственных требований к аппаратуре космических аппаратов были сформулированы общие принципы построения аппаратуры: модульность, унификация, модернизируемость, масштабируемость, многофункциональность, конфигурируемость и преемственность. На основе указанных принципов синтезирована архитектура бортовой вычислительной среды космического аппарата (рисунок 2).

Рисунок 2 - Архитектура бортовой вычислительной среды КА

В предлагаемой архитектуре в качестве основного элемента выступает коммуникационная среда единой сети с коммутацией пакетов, к которой на равных правах подключаются узлы распределённой вычислительной сети КА. Применение единой сети для передачи всех типов данных между различными бортовыми устройствами КА принципиально отличает предлагаемую архитектуру от существующих вариантов. На основе предлагаемой архитектуры была синтезирована упрощённая структурная схема бортовой вычислительной среды КА (рисунок 3).

С учётом структуры и технологии построения бортовой вычислительной среды КА, сформулированных принципов построения вычислителя, а также рассмотренных ограничений и недостатков существующих решений была разработана структура перспективной БАОСИ, представленная на рисунке 4.

SpaceWire/

SpaeeFibre

ЦБК < > EAOCIl

Spa ceWi re/Spsc* Fibre (MKO)

Г 1

SpeeeFibre

L1 II A

TT^ ТШТГ 1TTTÏÏ

T n-iTpb-firfit.™. Прлеодйкя

БСКБУ-M

СУД

rniriüir

Исполнительные Датчики мешнеиы. датчики

Рисунок 3 - Структурная схема бортовой вычислительной среды

Введение в состав БАОСИ дополнительных МОС позволяет существенно облегчить решение задачи по резервированию аппаратуры. При этом появляется возможность резервирования отдельных микроконтроллеров в составе МОС. Был проведён сравнительный анализ структур БАОСИ с точки зрения показателей надёжности. Показано, что, при использовании предлагаемой структуры с дополнительным резервированием 2-х или 3-х модулей ввода-вывода (МВБ) время безотказной работы увеличивается в 3,1 и 90 раз соответственно по сравнению с традиционной схемой резервирования цепочек «МВВ-МОС» БАОСИ.

Мультиплексный канал обмена (МКО)

SW/ SF

Коммутатор SpaceWire/ SpaeeFibre

SW/SF Router

к другим МОС

МОС

т

SW/SF Router

Tim

TTTT

LINK Router

МОС

МОС

SW/SF

Рисунок 4 - Структурная схема перспективной БАОСИ

В третьей главе приведены результаты исследования значений реальной производительности процессора 1892ВМ8Я и эффективных скоростей обмена данными по его интерфейсам в задачах цифровой обработки сигналов. Проведён анализ современных методик оценки реальной производительности процессоров. Показано, что существующие методики дают лишь относительные индексы производительности и не позволяют получить значений, выраженных в единицах FLOPS. Наличие таких значений важно при решении практических задач, поскольку они требуется для определения числа процессоров, необходимых для выполнения алгоритмов с известными требованиями к вычислительной мощности. Для получения указанных значений разработана оригинальная методика оценки реальной производительности, построенная на анализе плотности исходного кода. Эмпирическая формула для расчёта коэффициента использования ресурсов процессора, показывающего оценку реальной производительности процессора относительно пиковой, в SISD-режиме имеет вид:

к _ 0,125Nx + 0,25jY, + 0,375iV3 + 0,5N4 Nl+N2+N3+N4

где NitN2,N3,N4 — количество строк программы, содержащих одну, две, три и четыре инструкции, выполняемых за один такт соответственно. В случае SIMD-режима значения коэффициентов должны быть удвоены.

В результате анализа множества реализаций было выявлено, что реальная производительность процессоров ЦОС в среднем составляет около 30% относительно пиковой для SISD-режима и 60% для SIMD-режима. Полученный результат значительно отличается от известной оценки для процессоров общего назначения в 10... 20%.

Разработана методика программного измерения эффективной скорости передачи данных по различным интерфейсам процессора. В соответствии с методикой на прототипе МОС были проведены измерения значения эффективной скорости передачи для более чем 50 вариантов организации потоков данных. Получено, что на обмен с внешней памятью SDRAM одшш 32-х разрядным словом с помощью контроллера прямого доступа к памяти (ПДП) может расходоваться от 1,25 до 6,11 тактов. Приведены результаты измерения эффективной скорости передачи данных для LlNK-интерфейса. Показано, что наилучшие значения эффективной скорости находятся в пределах 30...35,7 Мбайт/с при заявленных значениях канальной скорости 40 Мбайт/с. Значения эффективной скорости для наихудшего случая составляют 21,2 Мбайт/с. Полученные в результате измерений процентные

соотношения эффективной скорости передачи относительно канальной скорости для интерфейса Space Wire аналогичны соотношениям для LINK-интерфейса.

Исходя из полученных результатов, сформулированы рекомендации по организации хранения данных и механизмам обращения к ним, что потенциально позволяет увеличить эффективную скорость передачи в несколько раз.

Четвертая глава посвящена разработке путей снижения требований к вычислительной мощности БАОСИ, а также решению вопросов повышения качества РФИ. Показано, что скорость оцифровки данных в приёмнике может быть несколько увеличена за счёт накопления данных за время стробирования приёмника Тщ,ы и трансформации времени при выдаче данных (увеличение времени выдачи до периода следования зондирующих импульсов Тп). Анализ блока изменения временного масштаба показал, что частоту дискретизации в АЦП можно увеличить примерно на 40...50% и довести в зависимости от режима съёмки до 100... 110 МГц при имеющихся значениях эффективной скорости передачи данных.

Получены оценки предельной пространственной разрешающей способности в маршрутном режиме съёмки и режиме Scan SAR. В зависимости от требуемого радиометрического разрешения у синтезируемых РФИ значение разрешающей способности на местности для высот орбиты КА 250. ..950 км составляет 7 м х 6,5 м (у =2...2,4 дБ), 16м х 18 м (/ < 1 дБ). При расчётах был учтён выявленный в диссертации эффект улучшения разрешающей способности по азимутальной координате за счёт снижения скорости движения луча по поверхности Земли. Введён коэффициент улучшения разрешающей способности Кл, значения которого могут достигать 15...20% для больших высот орбиты КА.

Для устранения информационной избыточности сигнала предложено использовать дробную децимацию. Показано, что в отличие от авиационных систем в космических приложениях максимальное значение коэффициента децимации vmax невелико и составляет 1,2...2,2. Однако даже такое снижение вычислительной избыточности сигнала является существенным.

Схема устройства дробной децимации представлена на рисунке 5, где приняты следующие обозначения: L - умножитель частоты дискретизации в целое число раз, равное £; ФНЧ - фильтр нижних частот с коэффициентом усиления ^; М - компрессор частоты дискретизации в целое число М, М > L. На выходе системы образуется новый траекторный сигнал Sd(n) с пониженной частотой дискретизации Fd = LFp /М, где Fp - частота повторения зондирующих импуль-

сов. Данная схема при исследованиях встраивалась в общую структуру БАОСИ (рисунок 4).

5(п)

ФНЧ

\м

Рисунок 5 - Схема устройства дробной децимации сигналов

На рисунке 6 представлен результат сжатия траекторного сигнала после децимации с коэффициентом 1,5 при безвесовой обработке и Рр = 1,5 ■ 44», где Д/иах -ширина спектра, занимаемого траекторным сигналом.

Л, дБ Л, дБ

т

Рисунок 6 - Панорама сжатого траекторного сигнала (безвесовая обработка)

Рисунок 7 - Панорама сжатого после децимации траекторного сигнала (весовая обработка, линейный интерполяционный ФНЧ)

График показывает общие тенденции изменения отклика на точечную цель при использовании дробной децимации: появляются два симметрично расположенных дискретных боковых лепестка (ДБЛ) с уровнями минус 27 дБ и минус 44 дБ, создающих дополнительные помехи на РФИ. Применение весовой обработки (окно Хэмминга) и ФНЧ в виде линейного интерполяционного фильтра улучшает общий фон (рисунок 7), но незначительно (на 5,4 дБ и 13 дБ) снижают ДБЛ.

Дальнейшее повышение качества РФИ связано с увеличением подавления в полосе задерживания ФНЧ. С целью выявления влияния величины коэффициента затухания вне полосы прозрачности был рассмотрен ряд фильтров с различными характеристиками подавления. На рисунке 8 представлен результат сжатия сигнала при использовании ФНЧ с характеристикой подавления вне полосы А3 =-39 дБ.

При этом уровень самого мощного ДЕЛ снизился почти на 20 дБ и составил минус 51,5 дБ, что можно считать приемлемым для формирования РФИ.

На рисунке 9 приведены графики зависимостей относительного уровня боковых лепестков иа от коэффициента передачи ФНЧ в полосе задерживания А3. Стрелками отмечены точки графика, соответствующие использованию интерполяционного фильтра. Кривая 1 соответствует дискретной составляющей, ближайшей к основному пику; кривая 2 - УБЛ в дальней зоне от основного пика.

А, дБ

(Л,, ДБ

4-

' 1 12С0 ™ 1600

0 400 800

Рисунок 8 - Результат сжатия траектор-ного сигнала при использовании ФНЧ (Л =-39 дБ)

Интерполяционный фильтр

Лз, дБ

—I—'—I

-33.00 -1500

Рисунок 9 - Зависимости относительного уровня боковых лепестков от коэффициента передачи ФНЧ в полосе задерживания Исследования показали, что уровень помехи в дальней зоне слабо зависит от степени подавления в полосе задерживания ФНЧ. Уровень ближнего к основному пику ДБЛ практически линейно зависит от А3. Пунктирные линии 3 и 4 определяют зону отклонения ±1,5 дБ от усреднённой линейной зависимости 5. Для предварительных инженерных оценок уровня боковых лепестков при сжатии после децимации получено соотношение Пх, = 0,875 ■ Л3дБ -16,1 [дБ]. Использование децимации с рациональным коэффициентом позволяет снизить требования к азимутальному процессору на 20...50 % при приемлемом качестве РФИ.

Для случая АФАР с одним выходом дан анализ влияния скорости движения целей на результаты обработки траекторного сигнала в режиме съёмки БсапЯАК. Показано, что движение цели приводит к появлению доплеровского смещения частоты и частотной модуляции, что ухудшает разрешение объектов и снижает динамический диапазон; при формировании РФИ движение цели приводит к неустранимым погрешностям определения её местоположения.

. Разработан алгоритм устранения неоднозначности азимутальных измерений, основанный на использовании неэквидистантных последовательностей. Платой за устранение неоднозначности является появление на РФИ сопутствующего ложного сигнала с широкой полосой частот и уровнем, на 10...14 дБ меньше сигнала подвижной цели. Для повышения качества изображения и подавления ложного сигнала предложена схема индикатора движущихся целей (рисунок 10).

Рисунок 10 - Структурная схема индикатора подвижных целей

В анализаторе спектральных составляющих рассматриваются участки спектра положительных и отрицательных частот, которые удовлетворяют условию Бр/2 < | /1 < Рр. В решающем устройстве (РУ) выносится решение о наличии высокоскоростных целей на краях парциального кадра по азимутальной координате. Это позволяет в 2,5...3 раза уменьшить ошибку определения их местоположения.

Для оценки реализационных характеристик проведено моделирование ключевых фрагментов алгоритма формирования РФИ. Рассмотрены компактные реализации алгоритмов вычисления 8-ми, 64-х и 4096-ти точечного БПФ при максимальном использовании регистров, имеющихся в распоряжении БЭР-ядра. В результате проведённой оптимизации кода согласно предложенным в работе рекомендациям время выполнения 4096-и точечного БПФ в формате XI6 снижено на 10% по сравнению со временем выполнения библиотечной функции. На базе созданного программного обеспечения разработана библиотека формирования и обработки радиосигналов, оптимизированная для платформы «Мультикор».

В заключении сформулированы основные научные положения и практические результаты диссертационной работы, которые заключаются в следующем.

1. Проведённый анализ особенностей использования алгоритмов и аппаратуры обработки траекторного сигнала и формирования изображений на борту КА показал, что для обеспечения режима реального времени необходимо жёсткое согласование и использование всех ресурсов алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения. Требования обеспечения радиационной стойкости существенно ограничивают вычислительную мощность и пропускную способность аппаратуры.

2. Сформулированы основные положения построения и на их основе синтезированы архитектура и структура перспективной БАОСИ с возможностью быстрой реконфигурации и масштабирования. Определено, что с целью унификации, минимизации массогабаритных и энергетических характеристик аппаратуры целесообразно использовать единый универсальный интерфейс. В результате проведённого анализа в качестве такого интерфейса выбрана технология Space Wire.

3. Разработаны методики оценки и проведены исследования реальной производительности процессора ЦОС 1892ВМ8Я и эффективной скорости передачи данных по его интерфейсам. Получено, что средние значения реальной производительности составляют 30% для SISD-режима и 60% для SIMD-режима относительно пиковой, что существенно отличается от известных оценок в 10...20% для универсальных систем. Значения эффективной скорости передачи по LINK и SW интерфейсам составляют от 53% до 89% относительно канальной скорости.

4. Разработана методика и проведён расчёт основных параметров съёмки с учётом разработанной структуры БАОСИ. Проведена оценка предельной пространственной разрешающей способности системы формирования РФИ по технологии ScanSAR, показывающая, что при высоте орбиты 650 км и угле визирования 60° достижимы величины порядка 3 м х 2 м, 6 м * 6 м, 16 м х 18м при радиометрической разрешающей способности 3, 2 и менее 1 дБ соответственно.

5. Разработан алгоритм дробной децимации траекторного сигнала, проведено его исследование, которое показало, что коэффициент децимации для систем космического базирования ограничен значениями 1,2...2,2, а применение алгоритма приводит к снижению требований к азимутальному процессору на 20...50%.

6. Разработан алгоритм устранения неоднозначности по частоте, возникающей при наличии движущейся цели, основанный на вобуляции периода повторения импульсов. Проведено его исследование, показывающее, что ошибка определения местоположения цели может быть уменьшена в 2,5...3 раза.

7. Разработан состав программных библиотек формирования и первичной обработки сложных сигналов для БАОСИ космического применения и определены предъявляемые к ним функциональные требования. Разработано программное обеспечение, которое позволяет выполнять формирование РФИ в режиме ScanSAR на базе предложенной аппаратной реализации БАОСИ в реальном масштабе времени, и может быть использовано при построении систем космического базирования и в иных радиотехнических системах, использующих сходные алгоритмические решения.

По результатам проведённых в диссертационной работе исследований можно сделать вывод, что поставленная цель - разработка эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов обработки траекторного сигнала, структуры и устройств построения БАОСИ достигнута. В диссертационной работе решена крупная научно-техническая задача, связанная с созданием программно-алгоритмического обеспечения и технических средств комплекса бортовой аппаратуры космического базирования, обеспечивающих формирование радиофизических изображений в реальном масштабе времени, передачу изображений по низкоскоростным линиям спутниковой связи и работу с подвижными абонентами.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, входящих в Перечень ВАК

1. Костров В.В., Ракитин А.В., Сидоров А.А. Проектирование алгоритмов ЦОС на базе вычислительных кластеров, состоящих из сигнальных процессоров семейства «МУЛЬТИКОР» //Технология и проектирование радиоэлектронных средств. 2010. №1. С.57-60.

2. Zhiganov S.N., Rakitin A.V. Comparative Analysis of the Efficiency of Algorithms for False Alarm Stabilization in Image Processing // Pattern Recognition and Image Analysis. 2008. Vol. 18. No. 4. Pp. 682-687.

3. Костров B.B., Ракитин A.B. Применение дробной децимации в системах обработки траекторного сигнала РСА космического базирования // Цифровая обработка сигналов. 2011. Вып. 2. С.37-46.

4. Ракитин А.В., Костров В.В. Особенности цифровой обработки траекторного сигнала в РСА при съёмке по технологии ScanSAR // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2012. Вып. 3. С.27-31.

Прочие публикации

5. Костров В.В., Ракитин А.В., Сидоров АЛ. Повышение вычислительной эффективности алгоритмов выполнения БПФ при их реализации на ПЦОС семейства «Муль-тикор» //Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011. Вып.1. С.59-62.

6. Костров В.В., Ракитин А.В., Сидоров АЛ. Особенности применения дискретного преобразования Хартли для обработки комплексных сигналов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011. Вып.З. С. 63-67.

7. Костров В.В., Ракитин А.В., Жиганов С.Н. Качественные характеристики обнаружения квантованных сигналов // Системы и устройства передачи и обработки информации / Межвузовский сборник научных трудов. Вып.2 - С.Пб.: Гидрометеоиздат, 2002. — С.72-77.

8. Rakitin A.V., Zhiganov S.N. The comparative analysis of false alarms stabilization algorithms while processing images // 8th Int. Conf. "Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies": Vol.1. Yoshkar-Ola, 2007. Pp.170-173.

9. Sosulin Y.G., Kostrov V.V., Rakitin A.V., Zhiganov S.N., Harchuk S.M. The Simulation of Detectors of Determined Signals in the Presence of Non-Gaussian Clutter // German Radar Symposium - GRS2000,11-12 Oct 2000, Berlin, Germany. Pp.125-138.

10. Костров B.B., Жиганов C.H., Ракитин A.B. Характеристики бортовых вычислителей спутниковых РСА в задачах зондирования земной поверхности // Цифровая обработка сигналов и ее применение / Труды 11 МК «DSPA-2009», Москва - М.:ВНТО РЭС им.АС.Попова, 2009. Вып.Х1-2. - С.322-325.

11.Ракитин А.В. Архитектура высокопроизводительного бортового вычислителя на базе платформы «Мультиборт» // Всероссийские научные Зворыкинские чтения — I.: сб.

тез. докл. Т. 1. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2009. - С.59.

12.Ракитин A.B. Общие принципы организации ПО высокопроизводительного бортового вычислителя // Всероссийские научные Зворыкинские чтения - I.: сб. тез. докл. Т. 1. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2009. - С.60.

13.Ракитин A.B., Костров В.В., Сидоров A.A. Оценка реальной скорости обмена данными для радиационностойких процессоров семейства «Мультикор» в космических радиолокационных приложениях // Космическая радиолокация: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А.Арманда. / Сб. докл. НПК. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2010. - С.96-100.

14.Ракитин A.B. Способ определения реальной производительности процессоров цифровой обработки сигналов семейства «Мультикор» // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России [Электронный ресурс]: II Всероссийские научные Зворыкинские чтения. Сб. тез. докладов. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2010. С.534.

15. Костров В.В., Ракитин A.B., Жиганов С.Н. Облик бортового вычислителя спутниковых РСА в задачах зондирования земной поверхности // Космическая радиолокация: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти H.A. Арманда. / Сб. докл. НПК. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2010. - С.65-69.

16.Ракитин A.B., Сидоров А. А., Костров В.В. Особенности реализации и временная оценка выполнения алгоритмов БПФ для процессоров семейства «Мультикор» // Цифровая обработка сигналов и её применение / Труды 13 МК «DSPA-2011», Москва.-М.:ВНТО РЭС им.А.С.Попова, 2011. Вып.ХШ-2.- С.279-282.

17.Костров В.В., Ракитин A.B., Сидоров A.A. Оценка предельной пространственной разрешающей способности РСА космического базирования с бортовой обработкой сигналов // Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред: V Всероссийская научная конференция - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2012. - С.454-458.

18. Сосулин Ю.Г., Костров В.В., Жиганов С.Н., Ракитин A.B., Харчук С.М. Моделирование обнаружителей сигналов в условиях гауссовских и негауссовских помех: учебное пособие. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2001 .-88 с.

19. Ракитин A.B. Процессоры цифровой обработки сигналов: учебное пособие. -Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2012. - 82 с.

20. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011613966. Программа вычисления БПФ 4096 для сигнального процессора 1892ВМ2Я / Ракитин A.B. // Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 23.05.2011.

Ракитин Алексей Валерьевич

АЛГОРИТМЫ И БОРТОВАЯ АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ РАДИОСИГНАЛОВ И ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Формат 60x84/16. Бумага для множительной техники. Гарнитура Тайме. Печать ризографня. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 2390. Муромский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» Издательско-полиграфический центр Адрес: 602264, Владимирская область, г. Муром, ул. Орловская, 23.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Муромский институт (филиал)

04201359692

На правах рукописи

Ракитин Алексей Валерьевич

АЛГОРИТМЫ И БОРТОВАЯ АППАРАТУРА ОБРАБОТКИ РАДИОСИГНАЛОВ И ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.04 — «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Костров Виктор Васильевич

Владимир 2013

Содержание

Введение.................................................................................................................................4

Глава 1 Особенности проектирования цифровой системы обработки радиоголограмм при получении радиофизического изображения в режиме съёмки по технологии 8сап8АЯ................................................................................................................................11

1.1 Методы обзора поверхности Земли.............................................................................11

1.2 Особенности геометрии съёмки по технологии Бса^АЯ........................................19

1.3 Алгоритмы первичной обработки данных при формировании РФИ в режиме

БсапЗАЯ................................................................................................................................26

1.3.1. Синтез апертуры........................................................................................................27

1.3.2 Некогерентное накопление........................................................................................33

1.4 Выводы по главе 1.........................................................................................................34

Глава 2 Облик перспективной бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений.........................................................................................................................36

2.1 Расчёт информационных потоков и требуемой производительности БАОСИ......36

2.2 Проблема радиационной стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов

с длительными сроками активного существования.........................................................39

2.3 Проблема коммутации информационных потоков....................................................44

2.4 Реализационные особенности БАОСИ и ПО БАОСИ...............................................49

2.5 Структура и облик перспективной БАОСИ КА с гибкой архитектурой.................52

2.6 Выводы по главе 2......................................................................................................... 66

Глава 3 Исследование реальных производительности и скоростей обмена данными процессора МС-24Я2..........................................................................................................69

3.1 Методика и результаты оценки реальной производительности...............................70

3.2 Методика и результаты оценки реальной скорости передачи данных по различным интерфейсам.........................................................................................................................74

3.3 Выводы по гл. 3.............................................................................................................83

Глава 4 Пути повышения качества обработки траекторпого сигнала...........................85

4.1 Оценка предельной пространственной разрешающей способности........................85

4.2 Применение дробной децимации.................................................................................88

4.2.1 Особенности параметров траекторного сигнала РСА космического базирования..........................................................................................................................88

4.2.2 Характеристики обработанных траєкторних сигналов при малой частоте дискретизации......................................................................................................................91

4.2.3 Использование дробной децимации при обработке траєкторного сигнала.........94

4.2.4 Децимация траєкторного сигнала с коэффициентом прореживания 1,5..............96

4.2.5 Особенности использования весовых функций для снижения УБЛ сжатого сигнала..................................................................................................................................98

4.2.6 Выбор АЧХ фильтра нижних частот......................................................................101

4.3 Влияние скорости движения целей на результаты обработки траєкторного сигнала................................................................................................................................104

4.3.1 Анализ траєкторного сигнала.................................................................................104

4.3.2 Устранение неоднозначности по частоте при обработке траєкторного сигнала 112

4.4 Результаты моделирования ключевых фрагментов алгоритмов первичной обработки сложных сигналов...........................................................................................117

4.4.1 Реализация алгоритма вычисления 8-ми точечного БПФ....................................117

4.4.2 Реализация алгоритма вычисления 64-х точечного БПФ....................................118

4.4.3 Реализация алгоритма вычисления 4096-ти точечного БПФ...............................121

4.4.4 Разработка состава библиотек формирования и обработки сигналов................121

4.5 Выводы по главе 4.......................................................................................................123

Заключение.........................................................................................................................125

Список использованных источников..............................................................................127

Приложение А....................................................................................................................137

Приложение Б....................................................................................................................142

Приложение В....................................................................................................................145

Введение

Постоянно растущие требования к качеству космической информации и увеличивающееся количество её потребителей предъявляют все более высокие требования к бортовым техническим средствам обработки и передачи данных. Существующая в настоящее время практика передачи первичной информации в наземные центры обработки значительно ограничивается недостаточной пропускной способностью каналов связи, что снижает эффективность использования радиотехнических средств космического базирования. Временная задержка на обработку принятых данных в наземных пунктах и последующую передачу результатов потребителям может достигать до 8 суток, что часто приводит к существенному снижению ценности получаемой информации. Формирование радиофизических изображений (РФИ), включая обработку и сжатие радиосигналов с помощью вычислительных устройств на борту космического аппарата (КА), позволит снизить требования к пропускной способности каналов связи, сложности наземной аппаратуры и квалификации персонала, а также обеспечить подготовку информации для оперативного её использования конечными потребителями.

Обработка радиотехнических сигналов и формирование РФИ на борту КА требует разработки бортовых вычислителей и алгоритмов, адаптированных для реализации на современных сигнальных процессорах, а также создания программных библиотек, как средств последующей разработки программного обеспечения (ПО) бортового вычислительного устройства.

Решение этих задач позволит сократить стоимость и сроки разработки бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений (БАОСИ), целевого программного обеспечения и расширить круг задач, оперативно и с высокой эффективностью решаемых с применением многофункциональных высокоинформатнвиых космических комплексов дистанционного наблюдения поверхности Земли.

Задачи формирования РФИ решались отечественными и зарубежными разработчиками - учёными и специалистами, среди которых можно выделить работы Кондратенкова Г.Ф., Антипова В.Н., Горяинова В.Т., Толстова Е.Ф., Вербы B.C., Неронского Л.Б., Карпова O.E., Лаврова A.A., Титова М.П., Орлова М.С., Самарина О.Ф., Фролова А.Ю., Каррары В.Г., Гудмана P.C., Маевского P.M., Камминга И.Г., Курландера Дж.К., Пилаи С.Ю. и др.

Однако основное внимание авторов уделялось наземным средствам обработки, технике синтезирования апертуры антенны и формирования РФИ для систем авиационного базирования. Изложенные в известных работах подходы не позволяют реализовать оперативное извлечение информации из РФИ, особенно па подвижных объектах (корабли, самолёты, автомобили), на которых сложно организовать полномасштабную обработку траекторного сигнала.

Большое место в исследованиях Земли занимают оптические средства, которые имеют ряд существенных недостатков - большое время задержки выдачи информации, зависимость результатов съёмки от погодных условий и условий освещённости.

Одним из центральных направлений в решении этих проблем является одновременное использование радиотехнических средств зондирования Земли и осуществление цифровой обработки траєкторного сигнала на боргу КА в режиме реального времени. Для этих целей в состав бортовой аппаратуры вводится специализированный сигнальный цифровой вычислительный комплекс. Использование цифровых процессоров обработки сигналов в составе БАОСИ ставит перед разработчиками целый комплекс научно-технических задач. К числу основных вопросов можно отнести такие специфические для космических приложений проблемы как минимизация массогабаритных характеристик, обеспечение радиационной стойкости и высокой надёжности, возможность реконфигурации архитектуры вычислительных средств в процессе работы, создание нового и повышение эффективности существующего программно-алгоритмического обеспечения в различных режимах формирования РФИ. О сложности проблематики свидетельствует тот факт, что до настоящего времени бортовая аппаратура формирования РФИ на отечественных КА не устанавливалась, а опыт её разработки практически отсутствует. Однако в ближайшей перспективе существенное развитие настоящей тематики предусматривается Государственной космической программой Российской Федерации «Космическая деятельность России на 2013 - 2020 годы», утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2012 г. № 2594-р.

Одним из наиболее сложных и в то же время востребованных режимов землеобзора является технология ScanSAR, требующая наличия на борту КА активной фазированной антенной решётки, сложных систем управления, высокой производительности БАОСИ. Основные тактико-технические характеристики режима, его реализационные особенности не нашли достаточного освещения в научной литературе. При современном развитии техники именно этот режим позволяет формировать РФИ на борту КА и передавать его потребителю в реальном масштабе времени, поэтому задачи исследования алгоритмов обработки сигналов и формирования изображений для реализации режима ScanSAR с обработкой на борту КА является актуальными.

Объектом исследований диссертационной работы являются бортовые устройства цифровой обработки траєкторного сигнала, алгоритмы обработки траєкторного сигнала при формировании радиофизических изображений, а также специализированные устройства цифровой обработки сигналов.

Предмет исследований — разработка алгоритмов обработки, направленных на

снижение вычислительных затрат, повышение разрешающей способности и качества формирования радиофизических изображений, а также выработка требований к бортовой аппаратуре обработки сигналов и разработка её структуры.

Целыо настоящей диссертационной работы являются определение требований к БАОСИ, исходя из условий эксплуатации, разработка её архитектуры и структуры па основе указанных требований, исследование характеристик существующей специализированной отечественной элементной базы, а также разработка алгоритмов обработки траєкторного сигнала, направленных на повышение качества формирования РФИ по технологии 8сап8А11 и минимизацию вычислительных затрат с целыо последующей разработки программных библиотек режима реального времени.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач.

1. Анализ особенностей методов и алгоритмов обработки траєкторного сигнала по технологии 8сап8АІІ в различных режимах синтезирования РФИ па борту космических аппаратов.

2. Разработка архитектуры и структуры бортового цифрового вычислительного устройства обработки траєкторного сигнала с возможностью быстрой реконфигурации.

3. Разработка требований к устройствам интерфейса в многопроцессорной системе обработки траєкторного сигнала в системах, использующих технологию БсапЗАЛ.

4. Исследование вычислительных возможностей и пропускной способности интерфейсов отечественных сигнальных процессоров, обладающих радиационной стойкостью и предназначенных для работы в составе БАОСИ.

5. Разработка методики расчёта основных пространственно-временных параметров съёмки с учётом структуры цифровых устройств обработки траєкторного сигнала.

6. Оценка предельной разрешающей способности систем формирования РФИ по технологии БсапБАІІ при использовании многопроцессорных систем па базе платформы «Мультикор».

7. Моделирование и экспериментальные исследования алгоритмов формирования РФИ с применением быстрых алгоритмов обработки сложного траєкторного сигнала.

8. Разработка состава программных библиотек формирования и первичной обработки сложных сигналов для БАОСИ космического применения и определение предъявляемых к ним функциональных требований.

Поставленные выше задачи решались при помощи теории и методов цифровой обработки сигналов, включающие в себя методы спектрального анализа и методы свёртки цифровых сигналов, теории программирования, теории параллельных

вычислительных систем, теории надёжности. Широко использовались методы математического моделирования на ЭВМ и экспериментальных исследований.

Научная новизна изложенных в работе материалов заключается в следующем.

1. Разработана методика расчёта геометрических и временных характеристик съёмки для режима ВсалБАЯ; определён комплекс требований по пропускной способности входных/выходных интерфейсов и производительности процессоров бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений.

2. Синтезированы архитектура и структура бортового устройства КА с длительными сроками активного существования (САС) предназначенного для цифровой обработки траекторного сигнала при формировании РФИ по технологии ЭсапЗАЯ с применением мультипроцессорных вычислительных структур для работы в реальном масштабе времени.

3. Разработаны методики и получены оценки реальных производительности и эффективной скорости передачи данных процессора ЦОС в задачах цифровой обработки радиотехнических сигналов и изображений.

4. Разработаны алгоритм дробной децимации в обработке траекторного сигнала с цслыо снижения вычислительных затрат, а также алгоритм обработки сигналов с вобуляцией периода повторения для снижения погрешности определения местоположения подвижных объектов.

Практическая значимость полученных результатов может быть определена следующим образом.

1. Разработанная в соответствии с определёнными в работе требованиями структура БАОСИ позволяет строить современные отказоустойчивые бортовые вычислители с гибкой архитектурой, предназначенные для выполнения цифровой обработки траекторного сигнала на борту КА с длительными сроками активного существования в режиме реального времени.

2. Полученные численные значения реальных производительности процессора 1892ВМ8Я и пропускной способности его интерфейсов для различных задач цифровой обработки сигналов позволяют более точно априорно оценивать различные проекты бортовых систем обработки сигналов и изображений.

3. Разработанный алгоритм дробной децимации траекторного сигнала позволяет снизить требования, предъявляемые к пропускной способности интерфейсов и вычислительной мощности процессоров на 20...50%.

4. Разработанный алгоритм устранения неоднозначности по частоте, позволяет уменьшить ошибку определения местоположения движущейся цели в 2,5...3 раза.

5. Разработаны рекомендации по созданию и оптимизации программного обеспечения цифровой обработки сигналов бортовых систем КА, позволяющие создавать коды реального времени в условиях жёстких аппаратных ограничений.

6. Разработанное программное обеспечение для процессора 1892ВМ8Я

(МС-24112) позволяет выполнять формирование радиофизического изображения для режима Бса^АЯ в реальном масштабе времени и может быть использовано в различных радиотехнических системах при решении задач цифровой обработки радиосигналов и изображений.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в НИР, ОКР и учебном процессе следующих организаций:

1. ОАО «НИИ «Субмикрон» г. Зеленоград

- СЧ НИР «Плеск-Субмикрон», выполняемой по постановлению Правительства Российской Федерации от 29 декабря 2005 г. № 825-50 «О государственном оборонном заказе на 2006 год», Государственный контракт № 8-07-01-06 от 25.05.06г.;

- СЧ НИР «Плеск-МИ» по контракту № 3837/09 от 1 апреля 2009 г.;

- СЧ ОКР «Обработка-11-СМ», выполняемой по постановлению Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2011 г. №1116-36 «О государственном оборонном заказе на 2012 год и плановый период 2013 и 2014 годов»;

- СЧ НИР «Аракс-Субмикрон», Государственный контракт № 11/2/211-11-ДОГОЗ от 25 ноября 2011 г.;

- СЧ НИР «Платформа-ЦСКБ» Договор № 5/2012 от 27.02.2012 г.;

- СЧ ТП «Пиксел-КО» Договор № 460 от 01.05.2012 г.

2. ОАО МЗ РИП г. Муром

- НИР «Исследовани