集群环境下的VLBI软件相关处理方法研究

论文摘要

甚长基线干涉测量技术(VLBI)具备高精度测角能力，已被应用于对人造卫星及深空航天器的跟踪观测及定位。VLBI相关处理机是VLBI技术中数据预处理的核心设备，它分为硬件相关处理机和基于通用计算机平台的软件相关处理机。近年来，基于高性能PC或服务器平台的软件相关处理机技术已经成为VLBI技术领域的研究热点。软件相关处理技术已经在深空探测领域获得了极大的成功，并且开始在天体物理和空间大地测量方面得到应用。目前，观测站数目的增多与观测带宽的增大，带来了数据速率的提高。软件相关处理技术如何向实时、高速、大规模并行处理是VLBI领域中一个重要的具有前沿性的研究方向。在高性能计算领域，集群已作为主流体系结构而被广泛采用。它具备突出的特点，如能够应对复杂的科学计算，海量数据的并行处理等。通过构建高性能集群来解决复杂的科研及工程问题，已成为当今一个主流的解决方案。本文前三章阐述了VLBI技术背景、国内外软件相关处理系统现状，集群计算原理，以及集群系统在软件相关处理系统中的国内外应用现状。本文重点研究在小规模集群环境下VLBI软件相关处理方法与实现技术。首先分析目前软件处理机的基本原理、特点。其次利用现有资源，组建多节点集群计算系统，提出MPI和Pthread相结合的两级并行模式的相关处理算法，并在此基础上编写并行相关处理软件。最后对并行相关处理软件在集群中的处理性能进行分析，并提出进一步的优化方法。基于本文研究内容，研究并开发了3节点、每节点8个CPU的集群计算系统，以及具备4台站、6条基线、并行相关处理能力的VLBI软件相关处理软件。此软件在并行处理4台站、每台站128Mbps速率的数据中，能够达到118Mbps／台站的相关处理速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题意义
• 1.3 论文主要研究内容及成果
• 第2章 VLBI软件相关处理机
• 2.1 XF型和 FX型相关处理机基本原理
• 2.2 FX型相关处理机原理
• 2.3 VLBI软件相关处理机的发展
• 2.3.1 国外应用现状
• 2.3.2 国内应用现状
• 第3章 高性能计算与集群系统
• 3.1 高性能计算与集群系统的发展
• 3.2 集群计算原理
• 3.2.1 Amdahl定律
• 3.2.2 并行算法
• 第4章 集群环境下软件相关处理机并行算法研究
• 4.1 集群计算平台设计
• 4.1.1 集群硬件平台
• 4.1.2 集群软件环境
• 4.2 软件相关处理机并行算法设计
• 4.2.1 软件相关处理机算法流程
• 4.2.2 软件相关处理机并发类型分析
• 4.2.3 集群环境下软件相关处理机并行算法具体实现
• 第5章 软件相关处理机在集群中的总体结构
• 5.1 整体功能
• 5.2 运行环境
• 5.3 扩展性研究
• 第6章 性能分析与优化
• 6.1 串行算法性能分析
• 6.1.1 串行相关处理程序性能分析
• 6.1.2 并行算法性能估计
• 6.2 并行加速性能分析
• 6.2.1 不同CPU及节点下计算性能分析
• 6.2.2 不同台站数目下计算性能分析
• 6.3 正确性验证
• 6.4 系统运行时性能分析
• 6.5 性能优化
• 6.5.1 节点内性能优化
• 6.5.2 节点间计算性能优化
• 第7章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士期间发表的论文