【摘 要】
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数据仿真软件作为北斗卫星导航系统项目下导航模拟源的核心组成部分,需要对GPS系统、Galileo系统、GLONASS系统、北斗系统四大导航系统的观测量和导航电文进行实时仿真,然后将仿真信息传输到模拟源硬件,完成对导航信息的仿真。数据仿真软件的仿真过程中包含大量的卫星信息以及用户轨迹信息,计算复杂,并且对时间的要求极其严格,单个导航系统的处理与传输流程的时延要求控制在2ms以内,因此单位时间内数据处
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数据仿真软件作为北斗卫星导航系统项目下导航模拟源的核心组成部分,需要对GPS系统、Galileo系统、GLONASS系统、北斗系统四大导航系统的观测量和导航电文进行实时仿真,然后将仿真信息传输到模拟源硬件,完成对导航信息的仿真。数据仿真软件的仿真过程中包含大量的卫星信息以及用户轨迹信息,计算复杂,并且对时间的要求极其严格,单个导航系统的处理与传输流程的时延要求控制在2ms以内,因此单位时间内数据处理的吞吐量非常大。此外,高通量信息流的处理与传输也是软件化雷达以及北斗导航卫星信号质量评估软件的重要环节,因此对高通量信息流实时处理与传输关键技术的研究与实现就变得极其重要。本文深入分析了数据仿真软件中的数据仿真流程,分别对其信息流处理和传输的时延进行了指标定义和测试,确定了优化的目标,分析了影响其实时性的因素。然后针对影响其实时性的因素,提出了实时性优化技术,并通过可行性分析,设计了数据仿真软件中信息流处理与传输的实时性优化方案。未优化前的数据仿真软件中的信息流处理流程的时延已经超过了2ms,方差也超过了200000μs~2,信息流传输的时延也超过了300μs。对于信息流的处理流程的加速,本文先详细分析了当前的信息流处理时延存在瓶颈的原因,然后分别分析了线程绑定CPU核心和内核实时抢占补丁两种方案针对瓶颈进行的优化。线程绑定CPU核心配合CPU隔离,确保仿真线程可以只在绑定的CPU核心上运行,且无其他非系统线程的竞争,降低了信息流处理的时延,提高了时延的稳定性;通过对Ubuntu 16.04系统安装内核实时抢占补丁,提高了系统的硬实时能力,提高了系统的响应速度的同时降低了系统的延迟,减少了信息流处理时延的抖动性。在对Ubuntu 16.04系统安装实时补丁并将仿真线程绑定CPU核心之后,数据仿真软件中各个导航系统的信息流处理的时延降低到了1.7ms以内,方差也控制在了40000μs~2以内。针对信息流传输的实时性,本文详细分析了使用传统Socket方式进行报文收发存在的瓶颈,分析Intel开源的数据平面开发套件DPDK对这些瓶颈进行的优化,然后通过使用DPDK来对其优化。DPDK通过旁路内核、用户态IO以及主动轮询等方法提高了数据包从网卡到内存的传输速度。使用腾讯基于DPDK的开源网络框架F-Stack弥补了DPDK无协议栈的缺陷,它在拥有基于DPDK的报文处理能力的同时,还拥有了基于Free BSD的上层协议栈能力,并且具有良好的API兼容能力。针对F-Stack单进程单线程模型的设计,通过多路复用实现了在逻辑线程进行收发报文的能力。最终完成了完了对信息流传输的优化加速,时延降低到了210μs,方差也降低到了10μs~2以内,其实时性和稳定性都有了极大地提高。经过对信息流处理和传输的实时性优化,最后数据仿真软件中GPS系统、Galileo系统、GLONASS系统、北斗系统四大导航系统仿真流程的时延均降低到了2ms以内,满足了数据仿真软件的实时性要求,也为软件化雷达以及北斗导航卫星信号质量评估软件的实时性优化提供了方向和经验。
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