Алгоритмы и бортовая аппаратура обработки радиосигналов и формирования изображений систем космического базирования

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 ВсалБАЯопределён 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-24 112) 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 25.05.06 г.;

— 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 «Исследование широкополосных сигналов и устройств их обработки», Договор № 1985/98;

— НИР «Исследование технических характеристик и разработка предложений по модернизации составных частей изделия 39Н6», Договор № 2585/01;

— в изделиях 39 116, 48Я6.

3. ЗАО «ЭЛВИИС» г. Зеленоград

— Договор на разработку программного обеспечения системы сигнальной обработки № 19.05.11(1)/Д от 19.05.2011 г.;

— в изделии ОпуеИ-Я.

4. МИ (филиал) ВлГУ г. Муром

— в госбюджетной финансируемой НИР в рамках Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»: «Теория, методы и устройства активно-пассивной радиолокации системы УВД и их применение для повышения безопасности полётов самолётов», НИР №ГБ-316, Шифр 205.06.01.037.

— в госбюджетной финансируемой НИР в рамках Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»: «Методы и алгоритмы обработки сигналов в пассивно-активных радиолокационных системах дистанционного зондирования», НИР № ГБ-358/03, Шифр 205.05.01.057;

— в учебной работе при обучении студентов специальности 210 302 «Радиотехника» и магистрантов по направлению 210 400.68 в лекционных курсах «Теория цифровой обработки сигналов», «Цифровая обработка радиотехнической информации», «Теория и техника радиолокационных и радионавигационных систем», а также при проведении лабораторных и практических занятий по курсам «Статистическая теория радиотехнических систем», «Основы проектирования радиотехнических систем», «Теория случайных процессов», «Процессоры цифровой обработки сигналов».

Акгы внедрения и использования результатов работы приведены в Приложении А.

При выполнении СЧ НИР «Плеск-МИ» автор принимал участие как научный руководитель темы, в НИР договоров № 1985/98, № 2585/01 был ответственным исполнителем, в остальных НИР и СЧ ОКР выступал в роли исполнителя.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем.

1. Методика расчёта геометрических и временных характеристик режима ЗсапЭАК, требования к аппаратуре обработки сигналов с целью реализации в режиме реального времени, реализационные особенности аппаратного и программного 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 реконфигурируемые вычислители повышенной надёжности, интегрируемые с существующей аппаратурой КА.

3. Методики и результаты исследования 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.

По материалам диссертации опубликовано 20 основных 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, 2 учебных пособия и 1 свидетельство на программный продукт.

Приведённые в диссертации результаты получены автором лично. В совместных публикациях автор участвовал с другими авторами в равной степени.

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) — 8th 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).

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.

4.5 Выводы по главе 4

1. Получены значения предельной пространственной разрешающей способности для различных высот орбит космического аппарата и углов визирования для типового случая. Показано, что потенциально достижимы пространственное и радиометрическое разрешения, позволяющие решать большое количество практических задач различных сфер деятельности человека.

2. Предложен метод дробной децимации траекторного сигнала. Показано, что в отличие от авиационных систем, вычислительная избыточность траекторного сигнала мала, а максимальное значение коэффициента прореживания может составлять лишь от 1,2 до 2,2. Проведено исследования сжатия траекторного сигнала для различных значений коэффициента прореживания в условиях безвесовой и весовой обработки. Исследование показало, что при использовании децимации с коэффициентами 1,2.1,8 возможно снижение требований к вычислительной мощности аппаратуры БАОСИ па 20−50% при приемлемом качестве получаемого РФИ.

3. Проведён анализ влияния скорости движения цели на обработку траекторного сигнала. Показано, что наличие движущейся цели приводит к возникновению неоднозначности в измерении частоты траекторного сигнала и к неоднозначности определения положения цели па РФИ. Предложен метод устранения неоднозначности по частоте базирующийся на использовании вобуляции периода следования зондирующих импульсов, позволяющий в 2,5−3 раза уменьшить ошибку определения местоположения движущейся цели на РФИ. На основе предложенного метода синтезирована структурная схема индикатора подвижных целей.

4. Приведены результаты моделирования ключевых фрагментов алгоритмов первичной обработки траекторного сигнала с целью их последующей реализации на аппаратуре БАОСИ. В результате проведённой оптимизации кода согласно предложенным рекомендациям время выполнения 4096-и точечного БПФ в формате

Х16 на 10% меньше, чем время выполнения библиотечной функции и в 2,11 раза меньше, чем для формата с плавающей точкой.

5. Разработан состав программных библиотек формирования и первичной обработки сложных сигналов для БАОСИ космического применения и определены предъявляемые к ним функциональные требования.

Заключение

Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы, заключаются в следующем.

1. Проведённый анализ особенностей использования алгоритмов и аппаратуры обработки траекторного сигнала и формирования изображений на борту космических аппаратов показал, что для обеспечения режима реального времени необходимо жёсткое согласование и использование всех ресурсов алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения. Требования обеспечения радиационной стойкости и высокой надёжности, которые предъявляются к бортовой аппаратуре обработки сигналов и изображений и реализуются специальными технологиями, существенно ограничивают вычислительные мощности и пропускную способность аппаратуры.

2. Сформулированы принципы построения и на их основе синтезированы архитектура и структура перспективной бортовой аппаратуры обработки сигналов и изображений с возможностью быстрой реконфигурации и масштабирования. Определено, что для минимизации массогабаритных и энергетических характеристик аппаратуры, а также с целыо унификации целесообразно использовать на борту КА единый универсальный интерфейс для передачи данных всех типов. 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 в различных задачах цифровой обработки. Получено, что средние значения реальной производительности составляют 30% для SISD-режима и до 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 в зависимости от организации потоков данных.

4. Разработана методика и проведён расчёт основных параметров съемки 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 х 6 м, 16 м х 18 м при радиометрической разрешающей способности 3, 2 и менее 1 дБ соответственно.

5. Разработан алгоритм дробной децимации траекторного сигнала, проведены его исследование и моделирование, которые показали, что коэффициент децимации для систем космического базирования ограничен значениями 1,2. 1,8, а использование алгоритма приводит к снижению входного информационного потока на 20.50%.

6. Разработан алгоритм устранения неоднозначности по частоте, возникающей при наличии движущейся цели, основанный на вобуляции периода повторения импульсов. Проведены исследование и моделирование алгоритма, показывающие, 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.

8. Разработано программное обеспечение, которое позволяет выполнять формирование РФИ в режиме ЗсапЗАИ. па 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 новых алгоритмов обработки траекторного сигнала и устройств построения БАОС 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 времени, передачу изображений по иизкоскоростным линиям спутниковой связи и работу с подвижными абонентами.