Программно-аппаратные платформы и вычислительные наноструктуры

:

Инструктивный синтез нанометровых вычислительных структур. От элементной базы к алгоритмически ориентированным субпроцессорам.
[+]
Опубликован: 01.10.2013 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 9:

Оценка производительности и живучести МКМД-БИТ-потокового предпроцессора системы астронавигации
A
|
версия для печати
< Лекция 8 || Лекция 9: 123456789 || Лекция 10 >
Аннотация: В лекции синтезирован МКМД-бит-потоковый субпроцессор, ориентированный на решение задач астронавигации космических летательных аппаратов, и на его основе проиллюстрированы особенности использования информационных технологий "собственных нужд" с использованием микропрограммного уровня доступа.
Ключевые слова: определение, площадь, ВС, основание, производительность, отказоустойчивость, бит, устойчивость, устойчивость к отказам, точность, координаты, жесткая связь, управляющие, функциональная схема, алгоритм, скользящее окно, матрица, инструкция пользователя, разрядность, инструкция, процессор, поток, цикла, индекс, реакция, единица, погрешности вычислений, коэффициенты, класс, место, DTM, SMM, ресурс, разбиение, минимум, потоковый процессор, модуль, константы, время задержки, управляемый модуль, триггер, счетный вход, выход, пропускная способность, таймер, генератор, управляющий сигнал, входной, интерфейс, ASU, операнд, операции, значение, подстановка результатов, делитель частоты, сглаживание, накапливающий сумматор, DWH, меандр, инверсия, сумматор, управляющий блок, множитель, Произведение, переменная, аргумент, вес, представление, DCC, фиксированная запятая, восстановление остатка, остаток, дополнительный код, топология, контроль, SLC, доступ, затраты, управляемые данные, распараллеливание вычислений, конвейерная обработка, макроконвейер, поток инструкций, логический вентиль, Абсолютной погрешностью, денормализация, блок принятия решений, ложная тревога, вероятность отказа, гиперпространство

8.1. Описание предметной области и системы преобразований МКМД-бит-потокового субпроцессора слежения за "центром масс" астроориентира

В основе решения задач автоматической астронавигации лежит определение пространственного положения линии визирования от космического летательного аппарата (КЛА) до центра некоторой "неподвижной" яркой звезды, используемой в качестве астроориентира. В идеале с помощью обработки бинарного видеоизображения звездного пространства можно достаточно четко "провести" линию визирования до центра астроориентира (рис. 8.1-а). Однако в звездном пространстве существуют не только астроориентиры, но и мириады звезд (рис. 8.1-б), которые для алгоритма обработки бинарного изображения представляют собой "точечную" помеху, способную сместить вычисленный "центр масс" даже очень крупного астроориентира. Такого рода помехи наиболее эффективно фильтруются медианным фильтром (см. раздел 4.5 [290]), апертура которого должна более чем в два раза превышать площадь каждой яркой звезды, бли зко примыкающей в пространстве к астроориентиру.

Для решения такого рода задач на борту КЛА необходимо иметь видеокамеры (желательно по одной на астроориентир, чтобы жестко связать их положение с осями КЛА), которые формируют бинарные (черно-белые) изображения требуемого участка звездного пространства. Апертура таких видеокамер не должна быть очень большой (не более 128*128 пикселей), чтобы за счет малого "угла зрения" снизить паразитные влияния остальных звезд.

Частота определения собственного положения в пространстве КЛА невелика, как невелика и сложность задачи обработки такого изображения. Поэтому современные ЦПОС способны справиться с решением в реальном времени подобного рода задач. Однако высочайшая ответственность за успех космической экспедиции и достаточно продолжительное негативное влияние на (Б)ВС жестких космических излучений и других внешних воздействующих факторов выдвигают на первый план требование к (сверх)высокой живучести вычислительных комплексов, отвечающих за решение задач астронавигации, а значит, и за эффективность автономного управления полетом КЛА.

  • определение "центра масс" после медианной фильтрации интенсивной "точечной" помехи
  • ошибка определения "центра масс" при наличии интенсивной "точечной" помехи
Влияние звездного пространства на точность визирования "центра масс" астроориентира

увеличить изображение
Рис. 8.1. Влияние звездного пространства на точность визирования "центра масс" астроориентира

Аналогичные задачи решаются при посадке ЛА в плохих погодных условиях на подвижное основание, при дозаправке в воздухе группы самолетов и т. д. Но здесь уже требуются как (сверх)высокая (109-1012 оп/ сек) производительность, так и (сверх)высокая отказоустойчивость при выполнении особо сложных маневров, сопряженных с опасностью потери ЛА или гибелью экипажей.

Задачи, решаемые такими пассивными системами микро- и астронавигации, содержат достаточно полный набор функций (слов-инструкций), который можно рассматривать как представительную смесь, объективно

характеризующую возможности работы системы обеспечения живучести практически всех МКМД-бит-потоковых субпроцессоров. Поэтому полученные для такого проблемно-ориентированного субпроцессора характеристики системы обеспечения живучести с высокой степенью достоверности можно распространить на весь МКМД-бит-потоковый субпроцессорный тракт (см. рис. 4.5 раздела 4.2).

Таким образом, в субпроцессором тракте (Б)ВС КЛА требуется решить в реальном времени следующие задачи:

  • медианную фильтрацию кадров для устранения "точечных" помех, отвечающих "скользящему окну" размером 5x5 пикселей;
  • нахождение "центра масс" для каждого из 5-10 астроориентиров;
  • определение рассогласования между текущим направлением движения и заданным;
  • формирование сигналов управления.

Ориентированный на решение перечисленных задач субпроцессорный тракт (Б)ВС КЛА должен иметь пред- и сопроцессор, на первый из которых возлагаются первые две задачи, а на второй - последние. Покажем, что основное достоинство такой схемы построения отечественных (Б)ВС состоит в том, что при этом повышается не только производительность, но и вычислительная устойчивость, устойчивость к отказам, а с ними и отказобезопасность всего БЭО отечественных (К)ЛА.

При разработке МКМД-бит-потокового предпроцессора слежения за "центром масс" астроориентира будем считать, что исходное видеоизображение имеет размеры 128x128 черно-белых пикселей x_{ij}\in\{0,1\} (i, j = \overline{1,128}). Такие размеры обрабатываемого видеоизображения обеспечивают приемлемую угловую избирательность порядка 10о-15о, которая, с одной стороны, снижает влияние естественных и искусственных видеопомех, а с другой стороны - обеспечивает достаточно высокую точность определения угловых координат "центра масс" астроориентира порядка 0,08о-0,12о. Вычисленные линейные координаты "центра масс" фигуры, идентифицированной как астроориентир, по отношению к центру плоского (двумерного) черно-белого изображения, должны быть жестко связаны с продольной и другими осями (К)ЛА, по отношению к которым и вырабатываются управляющие воздействия извне и со стороны собственной системы автоматического управления (САУ). При этом система обеспечения живучести субпроцессора должна обнаружить в темпе реального времени все функционально значимые отказы аппаратуры.

Структурно-функциональная схема канала обработки астронавигационной информации приведена на рис. 8.2, а укрупненный алгоритм его работы имеет вид:

  1. Обработать изображение \{х_{ij}\} медианным фильтром со скользящим окном размером 5x5 пикселей. В результате получим изображение y_{rc} = med_{5\times 5}\{ x_{ij}\}^{rc}, в котором индексы r, c соответствуют положению центрального элемента "скользящего окна" и связаны с индексами i, j строк и столбцов исходного изображения правилом r = i_1+2, а c = j_{1}+2, где i_{1}, j_{1} - координаты левого верхнего угла "скользящего окна".
  2. Подавить паразитные взаимодействия элементов "скользящего окна" при его переходе со строки на строку:
    y_{rc} = \begin{cases} y_{rc}, & \text{ если } 2 < c < 127, \\ 0, & \text{ если } c \ge 2, c \ge 127. \end{cases}
  3. Составить гистограмму по строкам \{y_{r}\}, где
    y_r = \sum\limits_{}^{128}y_{rc}
  4. Обработать гистограмму двухэлементным скользящим окном
    a_{r} = (y_r + y_{r+1})/2
  5. Обнулить паразитные взаимодействия в двухэлементном "скользящем окне" при переходе от одного кадра обрабатываемого изображения к другому:
    a_{rc} = \begin{cases} a_{r}, & \text{ если } r > 1, \\ 0, & \text{ если } r = 1. \end{cases}
    Структурно-функциональная схема видеоканала

    Рис. 8.2. Структурно-функциональная схема видеоканала
  6. Выполнить свертку вектор-столбца \{a_r\} по правилу
    a_r^* = \sum\limits_{r=1}^{127}(a_r\cdot r)
  7. Вычислить суммарную яркость обрабатываемого изображения:
    a_r^{\sim} = \sum\limits_{r=1}^{127}a_r
  8. Определить координату x^0_p центра масс изображения по отношению к его верхнему левому углу: х_{p}^0 =a_{r}^*/a^{\sim}_r, где p - номер фотоприемника, для которого найдена координата.

Для вычисления координаты y^{0}_p матрица \{x_{ij}\} транспонируется и полученная матрица \{x_{ji}\}^{\tau} обрабатывается аналогичным образом, где после первого этапа вычислений формируется матрица \{y_{cr}\}, после четвертого этапа - вектор-столбец \{a_{c}\}, а на восьмом этапе - у_{p}^0 =a_{c}^8/a^{\sim}_{c}

Бит-матрица используется с разделением времени как при определении каждой координаты "центра масс" астроориентира (x_p^0) и (y^{0}_p), так и при обработке изображений от каждого из пяти фотоприемников.

Дальше >>
< Лекция 8 || Лекция 9: 123456789 || Лекция 10 >

Вопросы и ответы

вопросов: 1
Евгений Акимов
Евгений Акимов

Добрый день!

 

Скажите, пожалуйста,планируется ли продолжение курсов по нанотехнологиям?

Спасибо,

Евгений

 

ответить

Студенты

всего: 23
Nozimjon Fayziev
Nozimjon Fayziev
Таджикистан, Душанбе
предложить дружбу
Анна Волкова
Анна Волкова
Россия, г. Новосибирск
предложить дружбу