流场计算程序并行化方法的研究

利用“流场分区”的方法把流场计算程序并行化,并成功地在Transputer并行计算机上运行,并行效率可达到80％。介绍了流场划分、并行编程以及提高并行效率的方法。     

基于FPGA的北斗B1频点接收机 基带信号处理器设计

针对北斗二代B1频点信号比特翻转频繁的问题,设计并实现了基于FPGA的北斗B1频点导航接收机基带处理器.该处理器在信号捕获过程中设计了频率精细搜索的精捕获算法,避免了假捕获并且提高了捕获频率的精度;在载波跟踪环路中设计2阶锁频环辅助3阶锁相环的方案,以提高环路跟踪的动态性能.其中,锁频环和锁相环均设计了对比特翻转敏感的鉴别器,保证环路跟踪的准确性.试验结果表明,该基带处理器设计具有较高精度的捕获频率和良好的高动态跟踪能力.     

轨道预测辅助GPS载波跟踪技术用于低轨道卫星定位研究

针对低轨道卫星及其特定的运动环境,研究了星载GPS接收机载波跟踪问题。基于卫星轨道可模化、可预测的特性,提出了利用预测卫星轨道计算多普勒频移,并用于辅助载波环路跟踪的新方法。该方法有效地降低了低轨道卫星GPS信号跟踪中的动态,从而在跟踪过程中可以采取降低环路阶数、减小环路带宽、增加预检测积分时间这几种措施来提高环路跟踪弱信号的能力,有助于提高低轨道卫星的定位性能。     

高动态下惯性加速度辅助三阶锁相环性能分析

针对高阶跟踪环路稳定性比低阶环路差,大带宽带来测量误差大的问题。研究在高动态环境下,惯导加速度信息辅助卫星接收机三阶载波锁相环跟踪算法,以及不同环路参数下跟踪环路的性能。对载体高动态场景、加速度信息延迟进行建模,并对算法进行了数学仿真。仿真分析结果表明,在加速度信息辅助下,即使压缩载波跟踪环路等效噪声带宽到3Hz,在高达1200g/s的加速度动态下,环路跟踪同样稳定可靠。     

基于权值调整的FLL辅助PLL方法

锁相环技术越来越广泛应用于雷达、导航设备、空间技术等方面,特别是近年来在高动态信号环境中的应用更为广泛,但在此环境中存在环路带宽和高信噪比的矛盾,跟踪高动态信号时需要增加环路的带宽,但在增加带宽的同时会导致信噪比降低,反之,提高信噪比必须减少带宽.文中利用FLL有较高动态性能的特点,采用了FLL辅助PLL的方法来解决这对矛盾.而FLL辅助PLL的方法有多种,文中首先介绍了FLL/PLL(FLL牵引PLL)和FLL&PLL(FLL与PLL)的辅助方法原理及优缺点,最后通过改进采用了基于权值调整的FLL辅助PLL的方法,并用VHDL对它进行了设计,最后对三种方法进行了仿真验证.     

一种三维并行自适应计算方法

基于串行网格划分软件METIS与并行化消息传递编程接口（ MPICH2）对现有串行自适应程序进行简单的并行化改造,给出了一种三维可压缩无粘流数值模拟的并行自适应方法。首先利用单个进程调用METIS,串行划分网格;然后对所有进程并行计算以获得初始网格下的流场解;再次利用单个进程对整个流场运用自适应方法进行局部网格加密并调用METIS串行划分网格;最后全部进程在流场初始解的基础上继续并行计算,以获得自适应网格下的流场解。数值模拟算例验证了此方法的可靠性与高效性。     

S频段小数分频锁相环频率合成器实现与应用

传统的整数分频锁相环频率合成技术无法在单个环路实现高频率、低分辨率和低相噪的目标,小数分频锁相环在提高鉴相频率的同时减小分频计数值,从而降低相位噪声。针对USB统一测控系统的需要,本文提出基于单片小数分频锁相环的微波频率合成方法。实验结果表明,小数分频锁相环频率合成器具备良好的信号输出特性,可以为测控系统提供低成本频率合成方案。     

基于多普勒辅助的惯性/卫星深组合技术研究

针对高动态、强干扰环境下高精度组合导航应用需求,基于卫星导航环路误差模型,仿真分析了不同精度等级惯性辅助对环路的影响,量化分析了多普勒辅助对环路性能的提升效果;给出了多普勒辅助环路实现方法,结合卫星导航环路处理流程,提出了多普勒速度辅助环路实现方案;基于高动态轨迹进行了仿真实验,结果表明,基于多普勒辅助的惯性/卫星深组合技术能够有效提升环路高动态跟踪能力,在惯性信息辅助下,能够实现在25g/s加加速度、50g加速度高动态环境下对卫星信号的稳定跟踪。     

小卫星/小运载可重构多核计算机设计

通过共用小卫星与小运载的电子系统,能够降低卫星发射成本、实现卫星与运载的快速集成及测试、减少卫星的发射与入轨时间,从而达到快速响应自然灾害等突发事件的目的。传统航天器电子系统难以兼顾运载段任务的高实时性和在轨段任务的高可靠性要求,因此本文将多核处理器技术、可重构技术和航天器电子系统设计相结合,提出了基于可重构技术的小卫星/小运载多核计算机设计方案。该设计方案分为运载和在轨两种工作模式,通过现场可编程门阵列(FPGA)的快速重构来实现计算机两种工作模式的快速切换。其中运载模式将FPGA配置成并行构架的三核处理器,通过3个处理器并行计算来提升计算机的处理能力;在轨模式将FPGA配置成冗余构架的三核处理器,通过3个处理器互为冗余备份来提升计算机的长期可靠性。经过基于Markov过程理论的系统可靠性分析,表明系统在轨段的长期可靠性得到显著提升。同时经过地面半物理仿真系统仿真测试,运载段的控制周期可以达到10ms,满足运载段任务的实时性要求。     

一种DSMC方法的并行策略

为提高直接模拟蒙特卡罗（DSMC）仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口（MPI）的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。     

Low C/N_0 Carrier Tracking Loop Based on Optimal Estimation Algorithm in GPS Software Receivers

Suppressing jitter noises in a phase locked loop(PLL) is of great importance in order to keep precise and continuous track of global positioning system(GPS) signals characterized by low carrier-to-noise ratio(C/N0).This article proposes and analyzes an improved Kalman-filter-based PLL to process weak carrier signals in GPS software receivers.After reviewing the optimal-bandwidth-based traditional second-order PLL,a Kalman-filter-based estimation algorithm is implemented for the new PLL by decorrelating the model error noises and the measurement noises.Finally,the efficiency of this new Kalman-filter-based PLL is verified by experimental data.Compared to the traditional second-order PLL,this new PLL is in position to make correct estimation of the carrier phase differences and Doppler shifts with less overshoots and noise disturbances and keeps an effective check on the disturbances out of jitter noises in PLL.The results show that during processing normal signals,this improved PLL reduces the standard deviation from 0.010 69 cycle to 0.007 63 cycle,and for weak signal processing,the phase jitter range and the Doppler shifts can be controlled within ±17° and ±5Hz as against ±25° and ±15 Hz by the traditional PLL.     

GPS软件接收机的捕获与跟踪算法

研究了GPS软件接收机的捕获与跟踪算法。分析了时域串行滑动相关捕获算法和频域基于FFT的并行相关捕获算法,设计了适合GPS软件接收机的并行算法,实现了对空中可见卫星的捕获。针对GPS信号的特点,设计了基于DLL与PLL相结合方法的GPS跟踪算法。利用实测中频信号对上述捕获与跟踪算法进行了验证分析,测试结果表明,基于FFT的并行相关捕获算法能够有效增强软件接收机的捕获能力,采用DLL与PLL相结合的方法能够实现对GPS信号的有效跟踪。     

基于数据操作的航天测控软件测试复用模型

测试复用技术是提高软件测试效率和质量的重要技术手段,在分析航天测控软件行为模式的基础上提出了基于数据操作的航天测控软件测试复用模型,给出了测试用例搜索和匹配算法;以航天测控外测数据处理软件的可靠性测试为例给出了模型的具体应用。结果表明,基于给定模型的测试复用方法可提供该软件约65%的测试用例,有效提高了测试效率,所提出的模型和方法对专业领域软件测试效率和质量的提高具有一定的借鉴意义。     

Design, implementation and evaluation of parallel pipelined STAP onparallel computers

Performance results are presented for the design and implementation of parallel pipelined space-time adaptive processing (STAP) algorithms on parallel computers. In particular, the issues involved in parallelization, our approach to parallelization, and performance results on an Intel Paragon are described. The process of developing software for such an application on parallel computers when latency and throughput are both considered together is discussed and tradeoffs considered with respect to inter and intratask communication and data redistribution are presented. The results show that not only scalable performance was achieved for individual component tasks of STAP but linear speedups were obtained for the integrated task performance, both for latency as well as throughput. Results are presented for up to 236 compute nodes (limited by the machine size available to us). Another interesting observation made from the implementation results is that performance improvement due to the assignment of additional processors to one task can improve the performance of other tasks without any increase in the number of processors assigned to them. Normally, this cannot be predicted by theoretical analysis     

多块多重网格法及其跨声速转子内流并行模拟

为提高压气机内部复杂流动计算的收敛速度,发展了一种多块多重网格上的可压缩流动并行计算流体动力学(CFD)方法,数值模拟了跨声速转子NASA Rotor 35内部流动及气动性能,重点分析了对接分区方式和内界面通信模式对并行性能的影响。结果表明:对接分区方法和多块多重网格内界面数据处理方法能够保证串、并行CFD方法结果基本一致,且与实验数据吻合良好;并行精度基本不受分区数目和通信模式的影响,并行效率随着相对通信负载的增大而降低。所发展的并行计算方法对跨声速转子气动分析和设计具有一定的可靠性,为开发大型流体机械复杂流动的基础并行算法及软件提供了参考价值。     

国家数值风洞(NNW)工程中的黏性自适应笛卡尔网格方法研究进展

相比传统的结构和非结构网格,笛卡尔网格具有自动化和高质量兼顾的优势,是未来网格技术发展的重要方向。面向笛卡尔网格生成软件开发需求,依托国家数值风洞（NNW）工程,介绍了黏性自适应笛卡尔网格技术相关课题的研究工作进展,重点从网格生成技术、自适应方法、黏性物面边界处理方法等方面展开。网格生成技术方面,基于全线程树数据结构的思想,开展了叉树数据结构的优化;针对物面离散单元信息的快速检索,构建了稳定、平衡、高效的叉树式物面网格数据结构;对于网格单元类型的判断,发展了染色方法和包围盒方法以提高效率;针对大规模网格量,发展了高性能并行计算技术。自适应技术方面,发展了基于几何特征和流场解特征的自适应方法,建立了流场结构捕捉判据,并开展了三维复杂构型的应用;为了降低全局网格规模,发展了各向异性自适应方法,构建了各向异性特征识别的综合判据;发展了边界层法向射线加密技术,以减少边界层内的网格数目。物面边界处理方面,发展了重叠笛卡尔网格方法,构建了重叠网格尺度匹配技术和数据交互方法;开展了壁面函数方法在笛卡尔网格框架下的适应性应用,以放宽壁面网格尺度限制、降低边界层网格规模,并通过典型算例验证了方法的可靠性。     

基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统的优化研究

为了优化传统基于滑模观测器(SMO)的永磁同步电机(PMSM)无传感器控制系统的性能,分析了传统控制系统中相应模块的数学模型和控制算法存在的问题,建立了优化的基于SMO的PMSM无传感器控制系统模型并进行了仿真。通过分析传统SMO的数学模型,在保证SMO满足Lyapunov稳定条件的前提下,根据电机不同工况对滑模增益进行实时优化,提高了SMO的观测性能。为了提高锁相环(PLL)输出信号的质量,在PLL输入端加上低通滤波器,并对低通滤波环节造成的位置角度偏差进行补偿。通过仿真验证上述所采用优化策略的正确性和可行性,结果表明:优化模型在保证系统动态性能的同时能够获得比传统观察系统质量更高的观测信号。     

基于嵌入式GPU的三天线GNSS基带信号处理加速技术

GNSS软件接收机因其可移植性及灵活性等优点,持续受到业内关注。但传统的软件接收机存在计算量大、耗时长的捕获和跟踪基带信号处理过程,使得软件接收机往往跟踪通道较少,且难以在嵌入式系统上运行。利用嵌入式图形处理器(GPU)的高浮点性能和并行运算能力,对GNSS软件接收机中耗时长且并行性明显的模块进行加速,实现采用CUDA流的数据读取,以及多采样点并行的捕获和多采样点、多卫星并行的跟踪。采用嵌入式GPU进行加速后,可将数据读取速度提高3.43倍,卫星搜捕速度提高16.83倍,卫星跟踪速度提高11.28倍。实验结果表明,在嵌入式Jetson TX2平台上可以支持超过90个62MHz采样的GNSS卫星信号处理。研制了三天线GNSS信号的定位和测姿接收机,为未来小型嵌入式PNT系统的研制提供新思路。     

Impulse feature extraction method for machinery fault detection using fusion sparse coding and online dictionary learning

Impulse components in vibration signals are important fault features of complex machines. Sparse coding(SC) algorithm has been introduced as an impulse feature extraction method, but it could not guarantee a satisfactory performance in processing vibration signals with heavy background noises. In this paper, a method based on fusion sparse coding(FSC) and online dictionary learning is proposed to extract impulses efficiently. Firstly, fusion scheme of different sparse coding algorithms is presented to ensure higher reconstruction accuracy. Then, an improved online dictionary learning method using FSC scheme is established to obtain redundant dictionary and it can capture specific features of training samples and reconstruct the sparse approximation of vibration signals. Simulation shows that this method has a good performance in solving sparse coefficients and training redundant dictionary compared with other methods. Lastly, the proposed method is further applied to processing aircraft engine rotor vibration signals. Compared with other feature extraction approaches, our method can extract impulse features accurately and efficiently from heavy noisy vibration signal, which has significant supports for machinery fault detection and diagnosis.     

适用于空间通信的LDPC码GPU高速译码架构

鉴于目前空间通信对高速、可重配置信道译码器的需求,利用图形处理器(GPU)的并行化运算特点,提出了一种低密度奇偶校验(LDPC)码软件高速译码架构。通过优化Turbo消息传递译码(TDMP)算法节点更新运算线程块内和块间并行度、减少非规则行重造成的线程分支、降低线程对节点更新信息存储资源的访问延时以及合理量化译码器存储信息来提升译码内核函数的执行效率。并在此基础上引入异步统一计算设备构架(CUDA)流处理机制,设计优化的译码器输入输出数据传输和内核函数之间的执行调度方式以及CUDA流上的译码线程资源配置方式,最大化译码吞吐率的同时降低译码延时。在Nvidia最新的Tesla K20和GTX980平台上对国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)遥测标准LDPC码进行的TDMP译码实验结果表明,本架构进行10次迭代译码的吞吐率最高可达约500 Mbps,平均译码延时约为2ms左右。与现有结果相比,本架构在保持软件架构配置灵活性的同时更加有效的兼顾了译码吞吐率和延时性能。