卫星测控

关键词： 计算机系统 选择 性能 评价

卫星测控（精选四篇）

卫星测控 篇1

在我国载人航天任务中, 由“天链“系列中继卫星构成的天基测控网的应用极大地提升了航天测控网的覆盖范围, 从根本上弥补了地基测控通信覆盖率低的问题。天基测控所使用的Ka/S频段的数传/测控信道, 具有通信频带宽、返向链路容量大的特点, 有效地保证了交会对接、太空授课等各类在轨试验活动的顺利执行。在我国后续的空间站及空间实验室任务中, 载人航天系列发射任务更加频繁, 航天员在轨时间更长, 进行的各类在轨操作与科学实验更多, 对测控网的高速数传、多目标测控等技术要求也更高, 因此天基测控在后续载人航天任务中的应用将更加广泛。

二、基于中继卫星的天基测控体系的优势

天基测控系统主要包括数据中继卫星系统和导航卫星系统等天基系统, 本文仅讨论基于数据中继卫星系统的天基测控在载人航天中的相关应用及发展。

数据中继卫星系统是在地球同步轨道上布设专用的数据中继卫星, 通过与其它卫星建立星间链路通信, 完成前、返向数据的转发和中继, 与地面站建立起通信链路。理论上, 只要在地球同步轨道上布设三颗相互夹角为120°的数据中继卫星, 即可以实现对全球低轨道空间飞行器100%的轨道覆盖。但是对我国而言, 这必须有一个地面站建立在国外, 实现起来非常困难。如果在地球同步轨道上布设两颗数据中继卫星, 即可实现80%~92%的轨道覆盖, 这可以满足载人航天任务的轨道覆盖要求。因此, 采用数据中继卫星为平台, 建设我国星座组网的载人航天天基测控通信系统, 是解决我国载人航天测控通信问题的有效途径。

载人航天任务增加天基测控手段, 可带来如下所述的优点。1) 高测控覆盖率。通过加装中继用户终端, 可利用中继卫星实现对载人航天器的大范围测控, 延长测控弧段, 大大提高测控覆盖率;2) 高数据传输实时性。利用中继卫星, 载人航天器的大量载荷数据可及时回传到国内, 改变以前卫星过境回传数据的历史, 卫星观测数据回传时效性有了质的飞跃, 卫星应用效能得到显著提升;3) 大幅度提高测控数传可靠性。中继卫星系统和地基测控系统相互备份、相互补充, 可以明显提高测控数传的可靠性, 降低了测控风险;4) 多目标同时测控。在交会对接和未来空间站任务中, 需要对目标飞行器和追踪飞行器2个或多个目标进行同时测控。

三、基于中继卫星的天基测控体系工作原理

数据中继卫星系统, 由“天链“系列中继卫星、地面测控站和载人航天器中继终端设备组成。中继卫星地面站将发往载人航天器的相关遥控指令和上注数据等信息, 调制到S/Ka频段链路上, 发往中继卫星, 再由中继卫星转发给载人航天器;载人航天器将要传给地面的遥测信息和应急话音等数据, 先经S/Ka频段星间链路发往中继卫星, 再由中继卫星将相关信息转发至地面中继测控站, 并行相关解调、解扰、译码处理。

中继卫星天基测控系统工作原理如图l所示。

四、天基测控终端的组成及关键技术

载人航天器天继测控终端是安装在载人航天器上的测控终端设备, 完成信号的接收和转发, 通过总线接口、RS422接口与载人航天器的指令分系统、数管分系统、遥测分系统相连接, 完成对载人航天器的测控和数据传输功能。用于满足地面测控网视距范围外的测控通信, 以延长测控时间、实施空间快速响应任务和应急情况下对载人航天器的监视和控制, 并且为用户卫星提供多种速率遥控遥测服务。

4.1天基测控终端的组成及功能

载人航天器天基测控终端主要由中继测控终端、高频电缆、测控天线组成, 其组成原理框图如图2所示。

前向的处理过程为:接收来自中继星转发的前向遥控、测距扩频信号, 传送到中继S终端射频接收模块, 射频接收模块对信号进行滤波、低噪声放大、下变频、中频滤波、中频信号放大和AGC控制。输出中频信号送到基带信号处理模块, AD采样后在数字基带内完成捕获、跟踪、比特同步, 最终解调、译码出遥控PCM码流, 码型变换后送遥控单元, 同时恢复测距伪码;返向的处理过程为:接收遥测PCM信号后送基带模块, 经过对遥测数据组帧、RS编码、加扰处理后进行卷积编码, 上行没有锁定时, 采用本地产生的长码进行直接序列扩频, 上行锁定后采用恢复的上行测距伪码进行扩频, 成形滤波之后, 经过射频通道进行载波调制、滤波放大后, 经天线送中继星。

4.2天基测控终端的关键技术研究

天基测控终端的研制突破了多项关键技术, 解决了多项技术难点。以下对其采用的关键技术进行说明:

4.2.1宽波束中继测控天线的“车轮状”波束赋形技术

天基测控终端作为载人飞行器和中继卫星通信的设备, 其目的是为了延长测控通信时间, 测控弧段主要为境外测控。所以要求中继测控天线的增益覆盖范围为, 全方位面且具有一定角度的俯仰角, 类似于“车轮状”赋形波束。

为了达到“车轮状”这种特定的波束覆盖, 中继测控天线在选取传统的双绕背射螺旋天线的基础上, 进行了电性能重新设计, 主要在螺旋天线传统的辐射模式的基础上, 进行了波束赋形设计, 使天线的工作状态为法向模和轴向模结合, 产生了特殊的“车轮状”赋形波束。

采用此种天线方向图, 在星体能满足天线视场条件下, 大部分通信覆盖区域有效地避开地基通信的覆盖区域, 同时合理运用螺旋天线方向图仰角调整的方法, 在不损失链路增益的情况下有效地增加了天基测控终端在地基通信以外的覆盖区域。不仅满足了载人飞行器与中继卫星的通信时间的要求, 还大大提高了单轨最长测控时间、每天总测控时间、测控覆盖率及传输时效性。图3为载人航天器与中继卫星之间可视时间和可视区域的STK软件仿真情况说明, 红线为建立通信链路的区域。从仿真结果可以看出, 在载人航天飞行器正常姿态情况下, 每天与任意一颗中继卫星的测控时间均大幅延长, 载人飞行器的天基测控能力显著提升。

4.2.2大多普勒范围直接序列扩频信号的高灵敏度快捕跟踪技术

由于天基测控的信号传输距离与地基测控模式相比要远很多, 中继卫星到载人航天器之间的距离达4万公里而不是用户星到地面站的几百到几千公里;另外中继卫星受功耗的限制, 对载人航天器的发射EIRP较地面站也小许多, 并且中继星在转发用户星与地面站之间的测控信号时, 转发器噪声进一步污染了有用信息。因此, 天基测控模式下天基测控终端的链路预算与地基测控模式相比, 要紧张很多。例如, 在S频段下采用简单的全向天线, 要求天基测控终端解调门限电平优于-124d Bm。同时, 中继星和载人航天器之间的相对运动造成多普勒频率变化范围大的特点, 需要考虑在-90k Hz~90k Hz的多普勒变化范围内实现快速捕获。中继测控低信噪比、大多普勒变化范围的特点, 要求接收机实现直接序列扩频信号的高灵敏度快速捕获跟踪, 此技术是天基测控终端研制过程中最为关键的技术。使用基于FFT的并行频率搜索捕获算法完成载波和伪码的快速捕获。通过延长相干积分时间, 获取到较高的处理增益, 满足高灵敏度捕获的目的;另外, 中继遥控伪码码长较短, 故采用时域滑动搜索, 频域上通过FFT实现并行搜索的方案, 一次FFT运算可以实现-90k Hz~90k Hz的多普勒变化范围内的搜索, 而且能够得到多普勒频率的精确估计。在捕获的伪码相位预测值和伪多普勒频率预测值的基础上进行伪码相位跟踪、载波跟踪和数据位的跟踪。上行遥控信号的数据位和伪码周期不相参, 为适应数据位与伪码周期非相参时直扩信号的跟踪, 上行跟踪与位同步解调模块采用位同步环、码跟踪环和载波跟踪环并行工作。码跟踪环采用由积分清除器、码鉴相器、环路滤波器等组成的数字延迟锁相环 (DDLL) 。采用载波辅助方法来消除大部分的码多普勒频率, 这样可以降低伪码相位跟踪环的阶数, 简化伪码相位跟踪环设计。所以采用二阶跟踪环路即可跟踪高动态信号。载波跟踪环在跟踪载波变化的同时向码跟踪环提供一个载波辅助量用以校正由于多普勒效应引起的码率变化。

4.2.3直接序列扩频信号的抗多址干扰技术

干扰的存在影响系统的整体性能, 同时恶化了系统的同步性能、解调和测量性能, 使检测概率降低、虚警概率升高、平均捕获时间变长、失锁概率增加、误码率变大、测量误差加大等。由于扩频码的非理想互相关性, 码分多址系统中总是存在码间干扰问题, 即强的信号会影响弱信号的捕获和跟踪。天基测控终端采用周期为1023的Gold码作为扩频码, 码序列的自相关峰和互相关峰的比值理论上只有1023/65, 因此, 码间干扰现象较严重, 功率较强的干扰信号将造成信号通道的误捕和误跟。如何既保证捕获灵敏度, 又允许干扰信号和有用信号有较大功率差, 是天基测控终端需解决的另外一项关键技术。在天基测控终端的研制中, 采用根据信号强度自适应改变检测判决门限的恒虚警门限方法;利用伪码的相关特性以及联合判决检测误锁等新的思路和方法, 可有效控制使得码间干扰引起的误捕或误锁, 实现优良的码间干扰抑制能力。

五、结束语

天基测控是我国载人航天测控体系的主要发展方向, 随着空间站和空间实验室任务的实施, 载人航天将迎来新的发展高潮, 必将带动与之相关的天基测控技术的飞速发展。今后在中继链路设计与分析、遥控遥测数据高码速率传输、抗干扰抗截获能力提高等方面是天基测控体系研究的重点。基于中继卫星的天基测控体系的有效应用不但能够减少地面测控站和远洋测量船的使用数量, 而且能够弥补地面覆盖盲区, 降低地面任务费用, 提高测控和通信能力, 将来必将有更广阔的发展。

摘要：基于中继卫星的天基测控系统在我国载人航天测控系统中扮演越来越重要的角色, 本文从天基测控体系的优势入手, 介绍了基于中继卫星的天基测控体系工作原理, 并对天基测控终端的组成及关键技术进行了研究, 给出了天基测控终端的组成原理框图及与中继卫星一天内可建立通信链路的情况。

关键词：天基测控,载人航天

参考文献

[1]王家胜.我国数据中继卫星系统发展建议, 航天器工程, 2011

卫星测控 篇2

摘要：软件无线电技术正日益广泛地应用于现代通信的各个领域。本文介绍以高速DSP芯片为核心实现通用的卫星测控平台。该通用平台的调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等工作参数具有完全的可编程性。

关键词：软件无线电 数字信号处理 调制解调 TMS320C6701

软件无线电是随着计算机技术、高速数字处理技术的迅速发展而发展起来的，其基本思想就是将宽带A/D/A变换器尽可能地靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来确定和实现。该平台的.调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等系统工作参数具有完全的可编程性。

传统的卫星测控平台存在着性能不完善，调制方式、副载波、码速率组态不灵活，体积偏大等问题。研制和开发通用化、综合化、智能化的测控平台，通过注入不同的软件，实现对调制载频、调制方式、传输码速率等参数的改变，应用于各种轨道卫星平台的遥测遥控任务。数字信号处理器(DSP)是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。通用平台的灵活性、开妻性、通用性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心通用硬件平台及DSP软件来实现的。经过比较，我们采用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片和匹配的外围芯片形成一套实时的DSP系统。

图1 TMS320C6701结构框图

1 软件无线电通用平台的DSP技术

1.1 TMS320C6701 DSP芯片介绍

TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具结构框图如图1所示。

TMS320C6701的主要特点为：

*单指令字长为32位，8个指令组成一个指令包，总字长为256位，引脚与TMS320C6201系列的引脚兼容。

*体系结构采用甚长指令字(VLIW)结构;(本网网收集整理)

*硬件支持IEEE标准的单精度和双精度指令集，支持字节寻址获得8位/16位/32位数据，指令集中有位操作指令(包括位域抽取、设置、清除以及位计数、归一化等);

*1Mb(位)的片内存储空间，其中程序存储空间和数据存储空间各512Kb;

*32b外部存储器接口(EMIF)，有52MB的外部存储器寻址能力;

*四通道自加载DMA协处理器，可用于数据的DMA传输;

*16位宿主机接口(HPI);

*两个多通道缓冲串口(McBSPs);

*两个32位通用定时器;

*灵活的锁相环路(PLL)时钟产生器，可以对输入时钟进行不同的倍频处理;

*芯片内部有IEEE1149.1标准边界扫描仿真器(JTAG)，可用于芯片的自检和开发;

*芯片共352脚采用BGA封装，以获得好的高频电气性能，并使芯片尺寸变小;

*采用0.18μm工艺，则五层金属组成，输入输出接口电压为3.3V，核心电压1.8V(167MHz时为1.9V)。

1.2 DSP技术在软件平台中的应用

每套测控平台含双机备份的遥控调制器与遥控解调器，双机分别由独立电源供电。系统总体框图如图2所示。调制器与解调器分别通过不同的RS232串口与遥控处理计算机通信，完成对调制解调器的控制及其带数据的收发。

用户在每次任务前通过控制计算机设置调制方式、调制参数及通信连接方式，并调用算法参数生成程序产生调制器和解调器中算法的预置参数，并在设备初始化时以批数据方式从串口送入DSP芯片，经校验后送Flash ROM中。为保证程序传送的可靠性，采用IRQ差错控制方式，DSP每接收一个数据包在存储的同时向计算机回传数据信息，计算机一旦发现数据出错即转入重传方式。参数设置成功后，调制解调器根据协议发送和接收遥控指令，并将工作状态回送遥控处理计算机，同时在遥控前端机面板上显示。

卫星测控 篇3

2008年，结合航天发射测控任务，西安卫星测控中心印制了许多精美的测控纪念封，现将全年测控封介绍如下，与大家共赏。

天链一号卫星入轨测控成功纪念封

2008年4月下旬，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功发射天链一号中继卫星，在西安卫星测控中心的精心组织、精确测控下，卫星准确进入预定轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号：XCJF-78；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.04.25金花北路30邮戳

风云三号卫星入轨测控成功纪念封

2008年5月下旬，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，成功将我国首颗风云三号气象卫星送入太空，在西安卫星测控中心的测控支持下，卫星成功进入预定太阳同步轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm编号：XCJF-79；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.05.27金花北路32邮戳

中星九号卫星入轨测控成功纪念封

2008年6月上旬，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将中星九号广播电视直播卫星送入太空，在西安卫星测控中心的测控支持下，星箭成功分离，卫星准确进入超地球同步转移轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm编号：XCJF-80；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.06.09金花北路32邮戳

环境一号A/B卫星入轨测控成功纪念封

2008年9月上旬，我国在太原卫星发射中心用长征二号丙运载火箭以一箭双星方式成功发射环境一号A/B星，在西安卫星测控中心及其测控站的精确测控下，双星成功进入预定飞行轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号：XCJF-81；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.09.06金花北路30邮戳

三亚航天测控站成立纪念封

2008年4月18日，西安卫星测控中心所属的三亚航天测控站正式组建成立。这是我国迄今为止一次性建设规模最大的陆基测控站，也是中国航天测控网“大三角”格局的重要组成部分，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm~编号：XCJF-77；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销2008.04.18中国海南三亚纪念邮戳

神舟七号载人航天飞行测控和飞船救生回收纪念封

2008年9月，中国执行了神舟七号载人航天飞行任务，西安卫星测控中心及其所属的测控部、站圆满完成本次任务的实时测控、返回舱搜索回收、航天员救援和伴星测控等任务，为此特印制纪念封一套，共2枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号分别为：XCJF-82(2·1)、XCJF-82(2-2)；封、戳设计：张兆春、龙洁；印量：各4000枚；纪念封分别销2008.09.25中国西安和2008.09.28中国内蒙古纪念邮戳

实践六号03组A/B卫星入轨测控成功纪念封

2008年10月下旬，我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功将实践六号空间环境探测卫星03组A/B星送入太空，在西安卫星测控中心精心组织、精确测控下，卫星成功进入预定轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm~编号：XCJF-83；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.10.25金花北路30邮戳

委内瑞拉一号通信卫星入轨测控成功纪念封

2008年10月下旬，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将委内瑞拉一号通信卫星送入太空，在西安卫星测控中心及其所属的测控站精心测控下，卫星准确进入预定轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号：XCJF-84；封，戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.10.30咸宁路1邮戳

创新一号02星和试验卫星三号入轨测控成功纪念封

2008年11月上旬，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭，同时将创新一号02星和试验卫星三号两颗卫星成功送入太空，西安卫星测控中心传来的数据表明，两颗卫星均成功进入预定轨道，为此特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号：XCJF-85；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.11.05金花北路31邮戳

遥感卫星四号入轨测控成功纪念封

2008年12月初，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭，将遥感卫星四号成功送入太空，值此卫星入轨测控成功之际，特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号：XCJF-86；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.12.01金花北路31邮戳

风云二号06星入轨测控成功纪念封

2008年12月下旬，我国使用长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射了第6颗风云二号地球静止轨道卫星，值此卫星入轨测控成功之际，特印制纪念封一枚。纪念封规格：175mm×125mm；编号：XCJF-88；封、戳设计：张兆春、周浩亮；印量：4000枚；纪念封销西安2008.12.23金花北路32邮戳

遥感卫星五号入轨测控成功纪念封

卫星测控 篇4

计算机性能评价是计算机网络和计算机系统研究与应用的重要理论基础和支持技术,是计算机科学领域的重要研究方向。计算机系统性能评价的主要目的有三个:选择、改进和设计。就是指在众多的系统(方案)中选择一个最适合需要的,即在一定的价格范围内,选择性能最好的系统,达到较好的性能/价格比;对已有系统的性能缺陷和瓶颈进行改进和提高其运行效率;对未来设计的系统进行性能预测,在性能成本方面实现最佳设计或配置。

计算机系统的性能评价可分为两类:一是系统的可靠性或可利用性,也就是计算机系统能正常工作的时间,度量指标可以是平均无故障时间,也可以是在一段时间内能正常工作的时间所占的百分比;二是处理能力或效率。主要采用的方法有以下三种:

(1) 测量方法 通过一定的测量设备或测量程序可以直接从计算机系统测得各项性能指标或与之密切相关的度量,然后由它们经过一些简单的运算求出相应的性能指标。这是最直接也是最基本的方法,但这种方法仅适用于已经存在的并运行的系统,而且比较费时间。该方法很大程度上可以称作对新建成计算机系统性能的测试;

(2) 模型方法 对要评价的计算机系统建立适当的模型,然后求出模型的性能指标,以对系统的性能进行评价。模型中一般包括许多参数,这些参数的确定往往依赖于对实际测量结果或对系统的估计。与测量方法相比,模型方法有两个优点:一是不仅可以用于已有系统的性能评价,而且可以用于尚未存在的系统;二是工作量一般比测量方法小,费用低;

(3) 仿真方法 随着计算机技术的发展,系统的庞大和复杂化使得系统性能分析评价问题变得越来越复杂。通过测量方法,要求系统必须已经存在。模型方法不能完全真实刻划系统,仿真方法应运而生。所谓仿真,就是在大型系统开发前,为避免投入大量人力、财力等资源的风险,先期建立小型的、简易的与真实系统相似的模拟系统,通过对仿真系统使用模型和测量方法,来评价真实系统的性能和风险。正是因为计算机系统性能评估的复杂性,有效的数学理论工具、直观的模型描述方法和有效的模型分析方法、方便真实的仿真工具,就成为性能评价需要研究的热点问题。

1测量方法

对于计算机系统来说,测量的目的就是确定其性能指标和系统参数。

1.1测量工具

由于计算机系统内部发生的事件通常都具有较高的速度,靠人工无法检查,因此必须借助有效的测量工具。所谓测量工具,通常是借助某种特殊的软硬件,产生特定的事件供被测系统处理,同时自动对处理结果按要求记录并进行转换、显示的一组软硬件的集合。测量工具应具有以下特征:对被测对象的干扰要少,精确度、分辨率、监测范围要符合要求,便于使用。传统上,测量工具分为硬件工具、软件工具和固件工具。

软件测量工具又称为软件监督器。对性能评价来说,常常要观察程序运行时系统状态变化的情况,这时就要用到软件测量工具。如果软件测量工具既能够模拟被观测系统的外部负载,又能够记录或辅助评估被测系统的工作状态,就成为软件测试工具。对应用软件系统的测试通常需要开发特定的软件测试工具,按照层次的不同主要分为:测试数据自动生成工具、测试合成环境两大方面。

测试数据自动生成程序可以为被测应用软件系统自动生成测试数据。开发此类程序的目的是减轻大量测试工作中的人力付出、避免测试人员考虑不周造成对系统性能测试不完备、人工无法达到的测试强度等。测量过程中,测试工具自动在输入数据的取值范围内按照某种数学模型,如排队论中使用的泊松分布或者按随机分布产生测试数据,数据发生的频率、数据组合方式、数据合法性等都可通过人工干预,这样就能够从多个方面对系统性能进行测试,根据对测试结果的分析很容易得到系统性能是否满足需求。本文将在最后,结合工作实际,给出一个使用自行开发的测试数据自动生成工具,对航天器用户数据网应用软件系统进行测试的实例。

1.2测量实验设计

通过测量方法来做评价。首先要进行实验设计,一个实验包括执行一组实验或模拟测试以获得所需数据,并进行数据分析。每次实验当中,数据是在某个工作负载下从被测系统获得的,而工作负载是可变化的,因此要对每个感兴趣的量都要做一些观察,以获得这些量的分布情况以及其发生时刻。系统的性能指标与设备参数有关,我们借用统计学术语称这些参数为因素。有些因素是量化的,例如作业执行所要求的CPU时间。有些因素是非量化的,例如CPU调度策略。因此,因素的值被称为“级”。如果有三个因素A,B,C,它们的级为A1,A2,…;B1,B2…;C1,C2…,则三元组(Ai,Bi,Ci)就确定了一次实验。如果系统只需考虑一种配置及一种工作负载,则对它进行评价研究只需做一组实验,对一个计算机系统进行量测以确定在已知负载下它的性能是否满足要求就属于这种情况。如果要测量各种因素对计算机系统性能的影响或要对系统进行反复优化,就要对每个实验进行多次,进行实验要解决的主要问题是:识别各种因素;对要执行的每次实验选定有关因素的“级”。

在因素识别中,要借助于过去的经验及对系统的了解,预期对性能指标有影响的参数。由于对结果有影响的因素可能会很多而且参数之间常常相互关联,可能会造成实验费用急剧增大,因此,实验必须区分主要因素和次要因素。识别了实验因素后,就要选定级别。因素的级别应该能覆盖其变化范围。每种因素的级别确定后,就要选定实验级别的组合。对于有n个因素的实验,每次可选择一个n元组(Ai,Bj,Ck,…),如果lA,lB,lC,…分别是因素A,B,C的级别数,则有1≤i≤lA,1≤j≤lB,1≤k≤lC,因此每次实验相当于一个选定的n元组,故实验成本随着n元组数目的增长而增加,包括所有级别的不同组合的情况称为阶乘设计,如果认为因素间没有相互作用关系或影响很小时,可选择部分阶乘设计以减少实验成本。

2模型方法

所谓模型技术就是用数学模型来对系统性能进行分析。它包括对被研究系统建立数学模型并对该模型用数学分析方法进行求解。为了便于求解,在建模系统、求解当中有必要作某种简化,因而不可避免会引起误差,故分析方法所得到结论必须要通过实测来进行验证,才能说明其正确性,因此模型分析方法与测量方法是相互补充的。对系统性能的分析研究可分为确定性模型和随机模型两类。前者的作业抵达间隔时间与服务时间均是确定的值,优点是求解方法简单,缺点是与实际情况出入较大。这种方法常把每个随机变量用极值代替,以便估计系统的最好和最坏两个极端下的情况,以达到估计系统性能范围的目的。随机模型又称为概率模型,该系统中的作业抵达间隔时间和服务时间都是随机变量,与实际情况较为接近,因而结果精度较好,但求解方法复杂。下面主要讨论随机模型。为简化起见随机模型常用排队论模型,包括基本排队模型和排队网络。排队模型主要分为单服务员队列和多服务员队列两种,而多服务员队列又可分为单队列多服务员和多个服务员并行服务多个队列两种情况,限于篇幅仅介绍基本排队模型中的单队列单服务模型。

关于排队论模型目前通用的格式是1953年Kendall提出的“Kendall模型”,也称之为经典排队模型,格式为:A/B/n/S/Z,其中符号含义如下:

A:顾客到达的规律;B:服务时间分布;n:服务员数目;S:队列容量大小;Z:服务规程。

当队列的大小为无穷大、且服务规程为先来先服务时,经典排队模型可简化为A/B/n。对不同类型的排队,A、B可用约定的字母表示:

M:如果用于描述到达,表示泊松到达过程,到达时间符合指数分布;如果用于描述服务,则指具有指数分布的服务时间。指数分布具有马尔科夫特性。

D:确定性分布。表示到达间隔时间或服务时间是固定常数。

G:一般分布。表示到达间隔时间或服务时间服从一般分布。

Ek:表示到达间隔时间或服务时间服从k-爱尔兰分布。

Z代表的服务规程典型有:

FCFS:先来先服务;LCFS:后来先服务;RSS:随机选择服务。

下面我们对M/M/1排队模型进行分析。

考虑图1中所示的单服务员马尔科夫队列,顾客按照速率为λ的泊松过程到达,或等价地说顾客的到达间隔时间符合均值为1/λ的指数分布。顾客的服务时间是独立分布的随机变量,通常分布设为均值为1/μ的指数分布。假设顾客按照到达的顺序接受服务,即FCFZ服务。如果“顾客”为到达计算机系统的作业任务,那么服务员代表计算机系统(实际上大多数计算机系统都包括一簇相互作用的资源,即用队列网络表示,因此该模型只能代表无并行的小系统)。

令N(t)表示系统中t时刻的顾客数量(正在排队等待的加上正在接受服务的),那么(N(t),t≥0)是一个生灭过程,其状态转移图如图2所示。

其参数为:λk=λ,μk=μ,k≥1。

服务员的利用率ρ=λ/μ=平均服务时间/平均到达间隔时间,表示服务员忙的时间比例,也称为系统的通信量强度。根据生灭过程计算模型,有:

$\eta {}_k=\left(\frac{\lambda }{\mu }\right){}^i\eta {}_0=\rho {}^k\eta {}_0$ (1)

$\eta {}_0=\frac{1}{{\displaystyle \sum _{k\ge 0}\rho }{}^k}=1-\rho$ (2)

其中ηk为状态转移链处于k的稳定状态概率。稳定状态概率存在的条件是ρ<1,即通信强度小于1。如果到达速率λ超过服务速率μ,即ρ≥1,则η0表达式分母呈几何级数发散,测试该马尔科夫链的所有状态或是零常返的或者是滑过的,因此系统中顾客的数量趋于无限增长,此时系统是不稳定的,对于稳定的系统(ρ<1),稳定状态概率服从参数为1-ρ的改进型几何分布,即:

ηk=(1-ρ)ρk,k≥0 (3)

系统中顾客数量的均值和方差可以利用改进型几何分布得到:

$E[{\rm N}]=\frac{\rho }{1-\rho }$ (4)

$Var[{\rm N}]=\frac{\rho }{(1-\rho ){}^2}$ (5)

令随机变量R代表稳定状态的响应时间(指一个顾客在系统中花费的时间),根据上述公式,可得到:

${\rm T}{}_q=E[R]=\lambda {}^{-1}\frac{\rho }{1-\rho }=\frac{1}{\mu (1-\rho )}$ (6)

所以,这里,Tq=一个顾客在系统中花费的平均时间=平均响应时间=平均服务时间/服务员空闲的概率。注意系统中存在拥塞,随着系统通信量强度的增加,顾客在系统中的延迟时间也急剧增长。

3性能分析及应用

下面就以西安卫星测控中心某系统测试过程来介绍性能测量和分析过程的应用。该系统是中心为航天器研制单位、使用单位、以及其他相关单位能够及时准确地获取测控数据而研制的一个Web专用软件系统。软件具备以下功能:

(1) 实时接收西安中心计算机系统的原始数据包,将数据包解为基本数据帧、按照规定的原则过滤数据帧;

(2) 将收到的原始数据帧实时地存放到数据库服务器上的SQL数据库中;

(3) 将收到的原始数据帧向需要实时数据的航天用户实时转发;

(4) 为航天用户提供各类卫星在轨运行期间的历史数据检索/查询服务;

(5) 为航天用户提供提交申请的界面,接收航天用户的申请(包括帐号申请、证书申请、测控申请);向航天用户发布各种公共信息;供航天用户下载文件;…。

系统测试硬件环境如图3所示。

按照前文所述,实验因素有两个:请求服务用户、测量原始数据。一方面对原始数据接收并过滤转发是影响系统效率可靠性的一个重要因素,另一方面请求用户数目也直接影响对用户请求的处理响应时间。

一方面在拨号用户端采用Application Center Test模拟多个用户同时请求服务;另一方面在测试计算机按照用户订制的数据格式和产生方式,自动产生各类正确和异常数据包,譬如:正常数据包、小报、错包、超大包数据等,并分别按照随机、定时、速率为λ的泊松过程、峰值冲击、按规律逐渐成倍增长等方式分别实施发送网络数据流量控制。硬件由一台高性能微机、两块高速以太网卡按照简单路由方式配置,而起主要作用的则是采用Microsoft Visual C++6.0编制的测试工具软件。

另外,通过人工设置错误数据类型和数据长度,检察系统处理错误数据的容错能力。通过测试计算机和浏览器终端,可以分别测量监视系统转发任务中心实时数据的能力和响应航天器用户数据请求的能力,以及系统的安全性、强度、易恢复性、对硬件资源使用率等综合性能指标。系统测试共设8个测试类,见表1。

通过8小时大数据量连续冲击,系统硬件开销性能指标如下:(WWW服务器,SQL服务器)

数据加倍10倍:WWW的CPU<5%、RAM <20%;

SQL的CPU<20%,RAM <20%;

数据加倍20倍:WWW的CPU<5%、RAM <25%;

SQL的CPU<20%,RAM <25%;

数据加倍30倍:WWW的CPU<5%、RAM<25%;

SQL的CPU<20%,RAM<25%;

数据加倍40倍:WWW的CPU<8%、RAM<25%;

SQL的CPU<20%,RAM<25%;

数据加倍50倍:WWW的CPU<10%、RAM<25%;

SQL的CPU<25%,RAM<25%;

数据加倍100倍:WWW的CPU<20%、RAM<30%;

SQL的CPU<30%,RAM<40%。

首先,系统在100倍正常数据流量的冲击下可正常工作;拨号客户和本地网络用户连接的客户(可以同时发送卫星数据)总数均大大多于系统需求;拨号用户从请求发出到收到SQL服务器检索到数据,并按照数据处理要求正确解码,并显示的响应时间约稍大于系统限额,通过检查数据时标,发现虽然存在延时,但数据整体没有丢帧现象,经与用户协商,认为该指标满足需求。见图4。

测试类型: 动态浏览器同时连接数: 20测试持续时间: 00:00:11:58测试迭代次数: 100每秒平均请求数: 8.91首字节平均响应时间(毫秒): 213.99末字节平均响应时间(毫秒): 410.42平均带宽(字节/秒): 421,037.95发送字节数(字节): 30,418,560接收字节数(字节): 271,886,686发送字节平均速率(字节/秒): 42,365.68接收字节平均速率(字节/秒): 378,672.26

通过对平均响应时间数据分析,发现在采用泊松模型控制流量条件下,平均响应时间的取值与式(6)模算结果基本相符,说明该系统能够按照经典排队模型对各类请求进行正确响应和处理。

通过测试发现了大量系统中存在的问题,在进一步完善和回归测试的基础上,得出评估结论如下:(1) 服务系统实现了软件需求规格说明定义的各项软件功能;(2) 系统的性能稳定,处理能力符合未来数年卫星总数情况下的实时数据接收、存储和实时转发的要求;且尚有较大的余量,能够抗击短时间大数据流量的冲击。(3) 采取了必要的网络安全措施(证书、口令加密传输等),在技术上硬件使用专有网络,软件对安全也有较完整的解决方案,系统具有较高的安全可靠性。

4测试工具简介

测试工具使用MFC6.0面向对象程序设计语言编制,程序对接收到的任务实战数据按照人工设置,以实战任务数据位数据源,人为设置发送的频率、数据帧长度、包内数据帧个数等向指定的方向转发,模拟服务系统中的顾客流,通过接收(CUDPRecvThd)和发送(CUDPSendThd)两个不同的线程,来分别实现对数据流的发生进行控制,其他的主要类有:数据记盘类CRecFile,卫星代号、网络地址、数据类型、长度等参数设置对话框类、日志类CLogView,数据格式(帧、包)等。在使用过程中,能够较为真实地模拟任务数据源,对该系统测试与性能评估工作提供了很大的便利条件。

摘要：首先介绍了计算机系统性能评价的测量工具、测量实验设计、测量经典模型等基本概念,然后结合西安卫星测控中心某数据服务系统的测试和评估工作,给出了一个对大型计算机应用系统的性能分析实例,最后简要介绍了在该实例中使用的测试工具的功能和特点。

关键词：计算机系统性能分析,测量工具,测量模型

参考文献

[1]陈兴业.计算机系统性能评价.广州:华南工学院出版社,1987.