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AST3实时数据处理系统关键技术的研究

作 者: 曹玮
导 师: 孙济洲
学 校: 天津大学
专 业: 计算机系统结构
关键词: 天文图像处理 并行计算 通用GPU计算 自治计算
分类号: TP274
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 32次
引 用: 1次
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内容摘要


AST3是计划部署在南极昆仑站的三台施密特天文望远镜,用于在南极极夜进行无人职守观测及实时数据处理分析,是南极科考的重要部分。AST3的第一架望远镜及其数据处理计算机将于2011年南极科考时随―雪龙号‖运抵南极昆仑站并投入使用。由于南极地理位置及气候条件的特殊性,目前还不具备为越冬观测配备专门观测人员的条件;同时,望远镜在4个月左右的观测中会产生大量的数据,这些数据无法全部经卫星传回远程进行处理,因此要求AST3具有实时数据处理分析的能力。本文针对课题中一系列关键问题展开了深入的研究,提出了一套系统的解决方案,为无人职守条件下测光流程自动化、系统高可靠性及数据处理的实时性提供了必要的支持。在流程整合及自动化管理方面,采用了基于Linux平台守护进程服务的设计方案:通过监听文件系统事件,自动触发测光流程,并在执行过程中对流程进行有效监控,同时保存必要的日志信息以备后续检查。在可靠性保障方面,本文设计了一套基于“自治计算”的多级保障模型,即在系统的各个层面分别提供有针对性的保障。从最基本的进程级监控、工作流监控到守护进程交叉保护、局域网多处理计算机间负载均衡与数据备份等,并提供了基于读写工作断点方式的崩溃恢复机制,为系统的全局可靠性提供有效支持。在测光流程实时性保证方面,首先深入分析了制约整体性能的瓶颈所在,继而在不产生过多额外功耗的前提下,利用多核CPU及CPU加高性能GPU的并行硬件平台,分别设计了基于OpenMP及CUDA的并行优化方案,通过测试,得到较好的结果,为满足实时性要求奠定了坚实的基础。同时,为了确保系统能在南极严峻的自然环境下长期工作,本文还设计了一套非常严格的测试机制。AST3软件系统的所有代码都经过严格的验证:包括各个模块的单元测试及系统整体的整合测试。此外,还通过自动化脚本模拟错误注入的方式,进行了长期压力实测,初步验证了设计的有效性。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-11
  1.1 课题背景  7
  1.2 当前研究状况  7-8
  1.3 本文创新工作  8-9
  1.4 研究意义  9-10
  1.5 本文大纲  10-11
第二章相关背景综述  11-21
  2.1 AST3 课题简介  11-12
    2.1.1 背景及研究意义  11
    2.1.2 数据处理流程  11-12
  2.2 关键技术难点  12-15
    2.2.1 可靠性需求  12-13
    2.2.2 实时性需求  13-15
  2.3 相减测光算法及ISIS 软件介绍  15-21
    2.3.1 ISIS 软件结构及流程简介  15-16
    2.3.2 图像注册算法流程  16-17
    2.3.3 图像相减的数学模型及算法  17-20
    2.3.4 变源检测的相关算法  20-21
第三章设计方案  21-40
  3.1 总体架构设计  21-25
    3.1.1 AST3 数据处理任务  21-22
    3.1.2 基于守护进程的方案  22-25
    3.1.3 数据处理服务器方案  25
  3.2 可靠性保障模型  25-29
    3.2.1 自治计算模型  25-26
    3.2.2 多级保障模型  26-29
  3.3 性能优化方案  29-40
    3.3.1 性能瓶颈分析  29-30
    3.3.2 优化方案  30-34
    3.3.3 基于OpenMP 的方案  34-36
    3.3.4 基于GPU 的方案  36-40
第四章实现与性能分析  40-58
  4.1 守护进程实现机制  40-45
    4.1.1 守护进程主流程  40
    4.1.2 核心功能  40-44
    4.1.3 通信机制  44-45
  4.2 可靠性保障实现机制  45-50
    4.2.1 容错功能的实现  45-48
    4.2.2 实时资源配置  48-50
  4.3 测光算法优化结果对比与分析  50-55
    4.3.1 实验设计与软硬件环境  51
    4.3.2 结果数据分析  51-55
  4.4 系统整合测试  55-58
第五章 总结与前景展望  58-60
参考文献  60-63
发表论文和参加科研情况说明  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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