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卫星碰撞分析预报系统高效并行化技术研究

作　者: 潘伟全
导　师: 王正华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 卫星碰撞 并行计算 动态负载平衡 单机性能优化 性能分析
分类号: V474
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


随着人们对太空的不断探索,空间航天器及太空碎片也不断增多,相互之间发生碰撞的几率也在增大,严重威胁航天器尤其是载人飞船的安全。为了避免航天器的碰撞,需进行空间目标碰撞分析。但由于空间目标数量巨大(12000多个),以及空间目标的受力运动复杂,要分析每个空间目标与主目标的飞行关系,计算量很大,单机很难在有效时间内完成任务,计算的实时性难以保证。本文在并行计算机平台上进行卫星的碰撞分析与预报系统研究,从多处理器间的负载平衡和单处理器性能优化这两个关键点出发,深入发掘处理器间和处理器内部两个层次的并行性,并在此基础上实现了基于集群系统的、高效的卫星碰撞分析预报系统,主要工作如下:(1)通过对卫星碰撞分析预报处理过程的深入分析,提出了其并行化的思路,并针对集群系统,采用SPMD模式,通过MPI消息传递方式,实现了卫星碰撞分析预报系统的并行计算。(2)分析了各种负载调度方式,采用了集中式动态负载平衡调度策略,初步解决了负载分配不均衡的问题。为进一步提高系统性能,解决集中式动态负载平衡调度策略中主进程瓶颈问题,提出了基于数据迁移的动态负载调度方式——轻载报告动态负载调度方法,通过实际测试,获得良好的性能加速比,相对于集中式负载平衡调度策略,32个处理器时的并行效率又提高了约21%。(3)使用Profiling、基于硬件计数器的性能测试等方法,对卫星碰撞分析预报系统的性能进行了深入的测试分析,定位了性能瓶颈。以此为指导,提出了程序性能优化的方法,基于车永刚提出的Lega框架,实现了有效的程序优化参数的搜索算法。在国产银河群星服务器上的测试表明,经过综合性能优化后,串行程序的性能提高约16%;并行程序在使用64个处理器时候的性能提高约9.2%

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-22
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 并行计算机与并行编程  12-15
    1.2.1 高性能计算机系统  12-14
    1.2.2 并行编程  14-15
  1.3 科学计算程序单机性能优化现状  15-18
    1.3.1 科学计算所面临的性能问题  16-17
    1.3.2 存储的优化  17
    1.3.3 并行性的优化  17
    1.3.4 存储与并行性优化结合  17-18
  1.4 程序性能的测试与分析  18-20
  1.5 本文的主要工作与创新  20
  1.6 本文的组织结构  20-22
第二章 卫星碰撞分析预报系统的并行化  22-38
  2.1 引言  22
  2.2 问题描述  22-28
    2.2.1 任务背景  22-23
    2.2.2 任务描述  23-26
    2.2.3 系统工作流程  26-28
  2.3 程序的并行化  28-34
    2.3.1 两种并行模式  28-29
    2.3.2 并行算法设计  29-32
    2.3.3 并行算法实现  32-33
    2.3.4 并行设计的优化  33-34
  2.4 程序性能测试与分析  34-37
    2.4.1 性能参数  34-35
    2.4.2 实验结果  35-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章 卫星碰撞分析预报系统的负载平衡优化  38-50
  3.1 引言  38
  3.2 两种并行计算模式的负载调整方法  38-39
  3.3 集中式动态负载平衡算法  39-44
    3.3.1 基本概念  39-41
    3.3.2 卫星碰撞分析预报系统的集中式动态负载平衡技术  41-44
  3.4 基于数据迁移的动态负载平衡技术  44-47
    3.4.1 问题的提出  44
    3.4.2 轻载报告动态负载调整算法  44-47
  3.5 实验结果及分析  47-49
  3.6 本章小结  49-50
第四章 卫星碰撞分析预报系统的单机性能优化  50-63
  4.1 引言  50
  4.2 程序性能分析  50-55
    4.2.1 程序性能数据获取方法  50-53
    4.2.2 程序性能测试分析  53-55
    4.2.3 测试结果综合分析  55
  4.3 基于LEGA框架的优化参数选取  55-59
    4.3.1 优化参数选择问题的提出  55-56
    4.3.2 基于有限执行的遗传算法的程序性能优化参数选择框架Lega  56-57
    4.3.3 基于Lega的优化参数选择实现  57-59
  4.4 其它优化方法  59-60
  4.5 试验与结果分析  60-62
  4.6 本章小结  62-63
第五章 结束语  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
攻读硕士期间发表的论文  69
攻读硕士学位期间参与的科研项目  69

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天器及其运载工具 > 人造卫星
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