导航接收机实时调度关键技术研究

论文摘要

在我国新一代卫星导航接收机研发过程中,为了满足各种应用需求,接收机种类较多,不仅必须具备多频多通道卫星信号接收的基本功能,通常还需要具备多径抑制、抗干扰、高动态载体导航、信息加解密等功能,某些高端接收机更是集上述功能于一身,功能模块繁多,时序调度控制复杂。同时在研发及试验过程中,设计需求难免会发生变更,需要增加新的功能模块。传统开发方法关注模块级设计,将功能测试正确的模块直接整合到接收机任务集中;对接收机整体调度设计则是较多地停留在方案层,缺少定量的可操作性强的实时调度优化设计方法和性能评估方法,其后果是不能及时发现潜在的时序冲突,在研发中后期需要花费大量的人力时间成本,从而导致开发效率低下。在接收机设计阶段对实时调度进行规划可以有效地提高开发效率。随着不断发展的嵌入式处理器逐渐具备成熟的静态优先级调度内核,接收机设计人员已不再需要自己设计任务调度内核,而是重点对接收机任务的执行时间、优先级、周期和相对截止时间进行离线优化设计,确保调度内核中运行的所有任务实时可调度,并尽可能降低接收机功耗——这正是论文研究的重点。论文针对上述特点,着重研究导航接收机任务集调度优化技术和调度性能评估方法,主要工作和创新如下:系统地研究导航接收机任务参数离线优化技术。论文提出静态优先级实时调度性能评估方法,全面考虑了接收机任务执行时间、优先级、周期和相对截止时间的定量分析。提出并解析证明了接收机有限优先级情况下的可调度判定准则。传统开发中欠缺定量的可操作性强的接收机实时调度优化设计方法,主观决断往往导致开发效率低下。针对上述不足,提出最大允许执行时间均衡二分寻优的离线数值计算方法,指明了使得任务集可调度的最大允许执行时间,有利于解决设计需求变化引发的调度时序冲突;提出并论证了截止期单调保序饱和分配算法能够得到最少优先级,指明系统最少需要分配的优先级数目,有利于设计阶段处理器选型;提出降频节能调度方法,在保障导航任务可调度前提下尽可能降低接收机功耗。研究成果为接收机任务调度、时序分配和功耗规划提供了理论依据。优化设计常用的导航函数是保障任务集可调度、降低接收机功耗的重要手段。对基带信号估计、鉴相、定位解算等常用非线性导航运算进行系统地优化,提出使用差分进化算法离线寻求逼近多项式最优系数的方法,解决了直接运算调度开销太大和传统级数逼近类优化方法精度不够的弱点。以锁相环鉴相为例,在运算精度相同的前提下,本文方法运算量约是Chebyshev级数逼近的1/2,约是Taylor级数逼近的1/1700。在设计阶段关注接收机外围设备调度可以有效地提高接收机开发效率。论证了循环缓冲区可调度充要条件是外围设备总响应时间占总时间的比率小于1,提出求解开辟缓冲区最小空间的离线数值计算方法。提出改进的基于字的行进测试方法,用于快速诊断接收机外设存储器的静态非链接故障。研究成果为保障导航接收机外围设备实时调度提供了重要依据。针对导航任务多精度分档调度问题,提出基于截止期错失率可预测的时间冗余调度方法,消除了传统冗余方法可能引起的多个任务截止期连续错失的多米诺效应。进一步地在本文方法中融合传统时间冗余方法的优点,提出了求解检测点上界位置的离线快速算法,有效降低了截止期错失率。本文研究成果已成功应用于我国导航接收机实时调度设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与选题
• 1.1.1 导航接收机实时调度
• 1.1.2 课题来源及选题
• 1.2 研究发展过程及现状
• 1.2.1 导航接收机实时调度的研究发展过程
• 1.2.2 导航接收机实时调度关键技术的研究现状
• 1.3 研究成果与内容安排
• 1.3.1 理论研究成果
• 1.3.2 工程应用成果
• 1.3.3 内容安排
• 第二章 导航接收机实时调度模型与性能评估方法
• 2.1 引言
• 2.2 导航接收机实时调度模型
• 2.2.1 导航接收机结构
• 2.2.2 导航任务
• 2.2.3 调度算法
• 2.2.4 调度模型
• 2.3 静态优先级可调度判定准则
• 2.3.1 已有的静态优先级可调度判定准则
• 2.3.2 接收机调度判定
• 2.3.3 仿真实验
• 2.3.4 实例分析：导航接收机基带DSP 的可调度判定
• 2.4 导航接收机调度性能评估方法
• 2.4.1 调度性能评估
• 2.4.2 实例应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 实时调度优化技术与导航任务优化方法
• 3.1 引言
• 3.1.1 接收机研发过程中与时序冲突相关的典型案例
• 3.1.2 调度优化技术——规划任务执行时间和优先级
• 3.1.3 导航任务优化方法
• 3.1.4 外围设备调度方法与时间冗余调度方法
• 3.1.5 本章概述
• 3.2 任务最大允许执行时间的二分搜索方法
• 3.2.1 单任务二分搜索与多任务均衡搜索
• 3.2.2 仿真与应用
• 3.3 导航任务优化方法
• 3.3.1 导航任务优化设计的必要性
• 3.3.2 导航接收机中的基带DSP 模块
• 3.3.3 多项式逼近类数字信号处理模块优化方法
• 3.3.4 FFT 执行时间的优化方法
• 3.4 优先级优化分配方法
• 3.4.1 基础理论
• 3.4.2 保序饱和分配
• 3.4.3 性能比较与分析
• 3.4.4 导航任务优先级分配实例
• 3.5 接收机降频节能调度方法
• 3.5.1 基础理论
• 3.5.2 降频节能调度
• 3.5.3 实例分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 外围设备实时调度研究
• 4.1 引言
• 4.2 外围设备实时调度模型
• 4.2.1 基带数字信号处理器与外围设备的时序关系
• 4.2.2 外围设备调度模型
• 4.3 外围设备可调度判定方法
• 4.3.1 FIFO 循环缓冲区调度
• 4.3.2 外围设备缓冲区可调度判定
• 4.3.3 基于带宽预留调度的外围设备缓冲区可调度判定
• 4.4 缓冲区最小空间分配方案
• 4.4.1 缓冲区最小空间计算
• 4.4.2 性能评估
• 4.5 本章小结
• 第五章 外设存储器实时诊断技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 外设存储器故障检测与诊断模型
• 5.2.1 存储器故障集合
• 5.2.2 诊断模型
• 5.3 外设存储器实时诊断方法
• 5.3.1 基于比特的行进与基于字的行进
• 5.3.2 字中耦合故障和字间耦合故障
• 5.3.3 改进的基于字的存储器诊断方法
• 5.3.4 性能评估
• 5.4 导航接收机中的存储器诊断实例应用
• 5.4.1 基带数字信号处理程序加载时的存储器诊断
• 5.4.2 存储器定期诊断
• 5.5 本章小结
• 第六章 时间冗余调度研究
• 6.1 引言
• 6.2 截止期错失率可预测的时间冗余调度
• 6.2.1 截止期错失多米诺效应
• 6.2.2 时间冗余调度模型
• 6.2.3 可调度性分析
• 6.2.4 可预测的截止期错失率
• 6.3 降低截止期错失率的改进方法
• 6.3.1 最大响应时间分析
• 6.3.2 检测点设置与上界ei0 的求解
• 6.3.3 改进的时间冗余调度方案
• 6.3.4 截止期错失率分析
• 6.4 时间冗余调度仿真与实例应用
• 6.4.1 ei /Ci 对截止期错失率的影响
• 6.4.2 λ对截止期错失率的影响分析
• 6.4.3 实例应用——秒计数模糊检测修复
• 6.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果