火控單元一體化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳緒龍 郝士林 嚴(yán) 超

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

火控即火力控制，泛指對火力資源的統(tǒng)籌分配，實(shí)施火力打擊等[1]。單獨(dú)實(shí)現(xiàn)火控解算或者終端顯示控制不但額外增加系統(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)和硬件設(shè)備，還提高了系統(tǒng)復(fù)雜性、增加故障率以及產(chǎn)品成本，無法滿足用戶使用要求；而一體化火控單元設(shè)計不但可以兼顧火控解算和終端顯示控制這兩大重要部分功能，還具有減少控制節(jié)點(diǎn)、降低成本、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今，高新能計算機(jī)、優(yōu)化的算法以及嚴(yán)格的時序設(shè)計是影響火控一體化設(shè)計的主要原因。

本文主要提出火控單元一體化設(shè)計的一種工程實(shí)現(xiàn)方法，該方法時序設(shè)計滿足火控解算、網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、鍵盤操作、終端控制和終端顯示等功能的實(shí)時性，具備工程實(shí)用性。

1 VxWorks操作系統(tǒng)與DeltaGUI

VxWorks操作系統(tǒng)[2]實(shí)時性、微內(nèi)核設(shè)計、可裁剪性、可移植性、可靠性高、專業(yè)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在國防工業(yè)、航空航天、通信技術(shù)、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域。

在VxWorks操作系統(tǒng)下的圖形顯示顯得尤為重要，DeltaGUI[3]式圖形用戶界面支撐系統(tǒng)，可運(yùn)行在絕大多數(shù)操作系統(tǒng)之上，為嵌入式設(shè)備提供輕量級的圖形用戶界面支持。發(fā)起顯示的GUI任務(wù)，它在優(yōu)先保證火控解算任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)實(shí)時性的同時很好地兼顧了圖形顯示的更新和鍵盤鼠標(biāo)響應(yīng)，使得一體化設(shè)計在此基礎(chǔ)上變得更加容易。DeltaGUI層次體系結(jié)構(gòu)見圖1所示，DeltaGUI與系統(tǒng)其他任務(wù)聯(lián)系見圖2所示。

圖1 DeltaGUI層次體系結(jié)構(gòu)

圖2 DeltaGUI與系統(tǒng)其他任務(wù)聯(lián)系

2 火控單元一體化

火控單元中的終端顯控與火控解算將火控解算模塊輸出的數(shù)據(jù)以直觀的圖形信息顯示給火控操作人員，操作人員根據(jù)圖形顯示信息做出火力決策，快速正確的決策和對控制指令的實(shí)時響應(yīng)是成功擊毀目標(biāo)必要條件。

火控單元主要包括火控解算、終端控制和終端顯示等，任務(wù)[4]解算在導(dǎo)彈發(fā)射前主要完成導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)、殺傷區(qū)、彈目遭遇點(diǎn)、彈目遭遇時間等計算[5]，彈發(fā)射后完成導(dǎo)彈實(shí)時位置和中制導(dǎo)目標(biāo)信息外推的計算，數(shù)據(jù)計算量大，實(shí)時性高?；鹂亟K端主要完成圖形顯示，響應(yīng)指令進(jìn)行圖形更新，大量的圖形更新且長期占用CPU，在某些特殊任務(wù)下圖形還會成倍增加。應(yīng)用合理的任務(wù)流程和嚴(yán)密時序設(shè)計是完成火控一體化設(shè)計的關(guān)鍵。

3 功能設(shè)計

依據(jù)某導(dǎo)彈武器系統(tǒng)要求，火力控制軟件功能包括參數(shù)裝訂、坐標(biāo)變換、射擊諸元計算、發(fā)射命令的形成、導(dǎo)彈位置計算、中制導(dǎo)和狀態(tài)監(jiān)控等，具體描述如表1所示。

表1 火控功能描述

序號功能名稱功能簡要描述1參數(shù)裝訂軟件上電自動加載參數(shù)裝訂文件,并支持裝訂參數(shù)的在線更新存儲。2坐標(biāo)變換不同單體間的位置變換功能和速度變換功能。3射擊諸元計算計算目標(biāo)對于導(dǎo)彈發(fā)射車的高、低概率的發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界、發(fā)射區(qū)近界、不可逃逸發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界、目標(biāo)到達(dá)發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界時間、目標(biāo)在發(fā)射區(qū)內(nèi)滯留時間信息。4發(fā)射命令形成各個單體數(shù)據(jù)判定,判定不同單體間的同步狀態(tài)并形成發(fā)射命令。5導(dǎo)彈位置計算導(dǎo)彈發(fā)射后,軟件周期計算導(dǎo)彈位置。6中制導(dǎo)控制無線電制導(dǎo)設(shè)備輻射導(dǎo)彈所在方位角和俯仰角,傳遞加密后的目標(biāo)參數(shù)。7狀態(tài)監(jiān)控對各個單體的時間、時序、故障狀態(tài)以顯著的圖形進(jìn)行顯示并定周期更新。

火控單元需要完成的工作主要包括：響應(yīng)上級指揮控制單元的命令并上報自身狀態(tài)、通過通信控制器對作戰(zhàn)單元內(nèi)的導(dǎo)彈發(fā)射車下發(fā)命令和接收導(dǎo)彈狀態(tài)、控制無線電指令制導(dǎo)設(shè)備發(fā)送修正信息參數(shù)、響應(yīng)串口專用鍵盤的正確控制指令和報出并警告錯誤的控制指令、更新終端界面的顯示、響應(yīng)通用鍵盤觸發(fā)事件和完成火控解算任務(wù)?；鹂貑卧唧w任務(wù)如圖3所示。

4 時序和優(yōu)先級設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的要求，在滿足能同時形成6個火力通道攻擊6個目標(biāo)，每個通道能發(fā)射2發(fā)導(dǎo)彈，同時制導(dǎo)12發(fā)導(dǎo)彈要求的前提條件下，對火控單元工作時序進(jìn)行設(shè)計。以火控通道解算為基礎(chǔ)形成工作時序，一個周期分給6個通道和預(yù)留一定量的空閑時間，空閑時間主要用于圖形界面顯示更新。每個通道的時間再分2份，預(yù)留給兩發(fā)彈，如果有兩發(fā)導(dǎo)彈發(fā)射兩個時間片分別用于完成導(dǎo)彈位置計算；如果只有發(fā)射1發(fā)導(dǎo)彈，一個時間片計算導(dǎo)彈位置，另一個再計算發(fā)射前的發(fā)射條件判定解算，還能給出發(fā)射區(qū)等發(fā)射的決策信息，能快速地對目標(biāo)實(shí)行再次攔截；如果沒有導(dǎo)彈發(fā)射，只利用一個時間片進(jìn)行射前計算，另一個時間片空閑，這樣設(shè)計能保證時間利用的高效性。

圖3 火控任務(wù)圖

可見對周期的設(shè)計，主要取決于射前解算、導(dǎo)彈位置解算、網(wǎng)絡(luò)通信的最大量觸發(fā)占用時間、圖形最大更新時間。射前解算和導(dǎo)彈位置解算占用一個時間片，它是一個時間片的時間長短的主要決定因素。網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)觸發(fā)任務(wù)主要是對控制令的解析、數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制邏輯的判定，只占用了很小的時間，最后留一定時間響應(yīng)圖形界面更新。12個時間片中單個時間片解算占用最大時間為32 ms，設(shè)計時給每個時間片分配40 ms，空閑的圖形更新時間分配20 ms，形成500 ms的工作周期。在工程設(shè)計實(shí)現(xiàn)上，周期的形成是以輔助時鐘計數(shù)，每20 ms釋放一次基準(zhǔn)信號量，以基準(zhǔn)信號量形成周期，以40 ms順序控制火控解算和最后20 ms更新圖形。時序見圖4，周期計算見式(1)。

圖4 火控工作時序

T=6×2×40+20

(1)

其中：T為工作周期，6表示火力通道總數(shù)，2表示每個通道內(nèi)最多可同時發(fā)射的2發(fā)導(dǎo)彈，40表示一個時間片的時間40 ms，20表示一個周期末用于圖形更新的時間20 ms。

VxWorks采用基于時間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級調(diào)度算法，對發(fā)起的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。合理的設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級，也是保證任務(wù)實(shí)時性的關(guān)鍵因素之一。在時序設(shè)計時，已經(jīng)分給GUI任務(wù)中圖形處理一定時間，界面圖形更新采用選擇性更新，選擇性更新指的是在更新時只更新發(fā)生變化并且至于屏幕頂部的部分，不發(fā)生變化和被覆蓋部分不進(jìn)行更新，20 ms能滿足圖形的更新需求，而通用鼠標(biāo)鍵盤在CPU空閑時都能響應(yīng)，故可將其設(shè)置優(yōu)先級最低。解算任務(wù)需要長時間占用CPU，解算任務(wù)必須低于或者等于網(wǎng)絡(luò)和串口收發(fā)任務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)任務(wù)中，指令機(jī)通信任務(wù)優(yōu)先級最高，才能保證每次制導(dǎo)周期來臨時都能及時對空中的導(dǎo)彈進(jìn)行目標(biāo)指示。任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置如圖5所示。

5 仿真驗(yàn)證

5.1 仿真環(huán)境

1)硬件環(huán)境：火控系統(tǒng)、調(diào)試計算機(jī)、調(diào)試網(wǎng)線及交換機(jī)，火控系統(tǒng)包括火控計算機(jī)、顯示器、通用鼠標(biāo)鍵盤、專用鼠標(biāo)鍵盤。

圖5 火控任務(wù)優(yōu)先級

2)軟件環(huán)境：火力控制軟件、劇情模擬軟件、指控模擬軟件、指令發(fā)射機(jī)模擬軟件、發(fā)射車模擬軟件。

仿真試驗(yàn)中硬件連接關(guān)系如圖6所示。

5.2 仿真步驟

1)火控軟件和安裝在調(diào)試計算機(jī)上的模擬軟件全部啟動接入交換機(jī)；

圖6 仿真連接關(guān)系

2)劇情模擬軟件模擬6批目標(biāo)，發(fā)射車模擬軟件模擬6輛導(dǎo)彈發(fā)射車，指令機(jī)模擬軟件進(jìn)入授時和制導(dǎo)請求模式；

3)指揮控制軟件將模擬目標(biāo)分配給火控軟件，根據(jù)提示通過專用鍵盤準(zhǔn)備2發(fā)導(dǎo)彈、發(fā)射2發(fā)導(dǎo)彈，在操作過程中不停地通過鼠標(biāo)切換火控界面；仿真界面如圖7所示。

5.3 仿真結(jié)果

測試前與測試中的主要不同在于鼠標(biāo)移動速度稍微變慢，主要因?yàn)槭髽?biāo)的響應(yīng)放在了CPU空閑時間進(jìn)行處理，而仿真是在火控軟件進(jìn)行大運(yùn)算量情況下進(jìn)行的，解算任務(wù)基本占滿了時序中的480 ms，只有在解算完成后的剩余時間才能響應(yīng)鼠標(biāo)，所以速度會變慢。

通用鍵盤采用向GUI圖形任務(wù)發(fā)送消息的響應(yīng)方式，圖形有預(yù)先分配好的處理時間，故圖形顯示、更新和通用鍵盤的響應(yīng)都正常。

專用鍵盤收發(fā)任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)處理時間快不會長時間占用CPU，且優(yōu)先級高于解算主任務(wù)，可以打斷低優(yōu)先級的解算任務(wù)，不會造成低優(yōu)先級的任務(wù)被阻塞。所以網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控顯示正常。

制導(dǎo)控制屬于最高優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，更是系統(tǒng)控制的核心，通過測試軟件的顯示，在滿負(fù)荷的運(yùn)作下，也不會丟幀，制導(dǎo)正常，如圖8所示。

圖7 火控仿真界面

圖8 仿真丟幀界面

5.4 仿真結(jié)論

仿真結(jié)論如表2所示，結(jié)果表明：提出的這種異步時序的火控系統(tǒng)，工作接近飽和的情況下，首先保證火控解算實(shí)時性的同時，驗(yàn)證了每個時間片剩余8 ms能滿足通信觸發(fā)與回送、通用鼠鍵的響應(yīng)。也驗(yàn)證了選擇性更新圖形的高效性，GUI任務(wù)保證其他任務(wù)的可靠性。

表2 仿真結(jié)果對比

測試項(xiàng)測試前測試中圖形圖形更新及菜單切換流暢圖形更新及菜單切換流暢鼠標(biāo)流暢、無卡頓速度稍微變慢,但不影響操作通用鍵盤按鍵響應(yīng)及時按鍵響應(yīng)及時專用鍵盤按鍵觸發(fā)正常及報警及時按鍵觸發(fā)正常及報警及時網(wǎng)絡(luò)丟包通信監(jiān)控顯示正常無閃紅通信監(jiān)控顯示正常無閃紅制導(dǎo)控制制導(dǎo)請求幀數(shù)與制導(dǎo)回復(fù)幀數(shù)一致,無丟幀制導(dǎo)請求幀數(shù)與制導(dǎo)回復(fù)幀數(shù)一致無丟幀

6 結(jié)束語

本文提出了某種復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的火控解算和終端顯控的一體化設(shè)計方法，該方法可以兼顧解算、通信、鍵盤操作、終端控制和顯示等功能，通過仿真驗(yàn)證和工程實(shí)踐，證明該方法能實(shí)現(xiàn)火控任務(wù)，具備工程實(shí)用性。