張 遠(yuǎn)

（中國人民解放軍92941部隊(duì)93分隊(duì) 葫蘆島 125001）

RTX與衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時(shí)間控制?

張 遠(yuǎn)

（中國人民解放軍92941部隊(duì)93分隊(duì) 葫蘆島 125001）

對基于衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)和RTX進(jìn)行導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時(shí)間控制方法進(jìn)行了說明，論述了仿真時(shí)間控制技術(shù)原理，介紹了仿真時(shí)間控制環(huán)境配置，闡述了仿真時(shí)間控制方案，重點(diǎn)對Win32線程、RTSS線程、RTX信號量和中斷函數(shù)的協(xié)同處理過程進(jìn)行了詳細(xì)說明，介紹了時(shí)統(tǒng)與RTX控制方法的工程實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，說明了基于時(shí)統(tǒng)與RTX的時(shí)間控制方法的應(yīng)用前景。

艦面設(shè)備；衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)；RTX；仿真時(shí)間；信號量

1 引言

導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真系統(tǒng)開發(fā)中，由于設(shè)備仿真節(jié)點(diǎn)多，艦空艦面設(shè)備仿真節(jié)點(diǎn)約10～20個(gè)節(jié)點(diǎn)，必須解決時(shí)間精度控制和時(shí)間同步控制問題。目前，導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時(shí)間控制方法根據(jù)操作系統(tǒng)不同而有區(qū)別：方法一，用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，直接配合時(shí)統(tǒng)設(shè)備完成時(shí)間統(tǒng)一；方法二，用Windows操作系統(tǒng)，通過HLA仿真等技術(shù)進(jìn)行邏輯時(shí)間統(tǒng)一。上述仿真時(shí)間控制方法存在如下缺點(diǎn)：方法一由于基于VxWorks進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，其上位機(jī)和下位機(jī)的構(gòu)架增加了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和成本［1］，擴(kuò)展性和維護(hù)性差并且使用范圍有限，仿真系統(tǒng)界面過于簡單、仿真控制功能實(shí)現(xiàn)困難；方法二基于Windows進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘，雖然仿真系統(tǒng)界面及功能強(qiáng)大，但基于消息隊(duì)列響應(yīng)模式的Windows XP應(yīng)用軟件不具備實(shí)時(shí)性，PC機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間分辨率低，時(shí)間漂移率約為60ms∕h，時(shí)間同步精確一般15ms［2］。因此，上述兩種單一仿真方法無法滿足實(shí)裝在線仿真測試、作戰(zhàn)仿真推演、系統(tǒng)訓(xùn)練等實(shí)時(shí)性要求較高的仿真需求。

美國Ardence公司的RTX，在Windows平臺上提供了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS，對Windows下HAL進(jìn)行了擴(kuò)展，形成與Windows并行的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式，并通過IPC完成進(jìn)程通信，從而實(shí)現(xiàn)確定性的實(shí)時(shí)線程調(diào)度、實(shí)時(shí)環(huán)境［3］。RTX擴(kuò)展HAL下，提供最小0.1μs的時(shí)鐘精度，從而保證了實(shí)時(shí)處理的實(shí)時(shí)性和時(shí)間精度。

2 時(shí)間控制技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 RTX實(shí)時(shí)任務(wù)處理

作為面向大眾市場的Windows XP操作系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用程序事先聲明其資源需要實(shí)時(shí)性的時(shí)候，由于實(shí)時(shí)性功能的復(fù)雜性，靠Windows完成實(shí)時(shí)功能不具有可行性［4］。而只能通過類似RTX的實(shí)時(shí)擴(kuò)展或由插件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性［5］。Windows加載RTX進(jìn)行實(shí)時(shí)化擴(kuò)展后，保證系統(tǒng)的多優(yōu)先級多線程調(diào)度、可預(yù)測線程同步機(jī)制、快速的時(shí)鐘和定時(shí)器等特性。在時(shí)間控制方面，首先通過精度達(dá)到0.1μs的時(shí)間控制粒度，保證時(shí)間精度；其次，通過可控定時(shí)器實(shí)現(xiàn)微秒級高精度的周期定時(shí)，為實(shí)現(xiàn)基于周期實(shí)時(shí)任務(wù)的處理奠定基礎(chǔ)。RTX通過一套RtWinApi的實(shí)時(shí)API提供訪問方法，允許應(yīng)用程序在更加友好的Win32環(huán)境中而不是DDK環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)［6］。實(shí)時(shí)程序中對實(shí)時(shí)資源應(yīng)用更加密集的部分在RTSS環(huán)境下運(yùn)行，應(yīng)用中對實(shí)時(shí)性任務(wù)要求不高的部分運(yùn)行在Win32環(huán)境下。Windows和RTSS之間通過IPC通信，通過事件、信號量和共享內(nèi)存等方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)一

在導(dǎo)彈艦面設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)中，通過配置體積小、價(jià)格低、系統(tǒng)開發(fā)支持方便的GPS或BDS衛(wèi)星天線、時(shí)統(tǒng)主卡和用戶卡，秒脈沖電纜插入相關(guān)仿真節(jié)點(diǎn)的時(shí)統(tǒng)主卡∕從卡，連接以太網(wǎng)網(wǎng)線，提供精度納秒級準(zhǔn)秒脈沖和最小單位到毫秒的秒脈沖時(shí)間數(shù)據(jù)報(bào)文。如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，需要通過時(shí)統(tǒng)信號分路器實(shí)現(xiàn)秒脈沖信號的分路，時(shí)統(tǒng)秒脈沖系統(tǒng)能保證時(shí)間信號的統(tǒng)一和準(zhǔn)確；同時(shí)，在這些仿真節(jié)點(diǎn)中，通過網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送和接收?；贕PS時(shí)統(tǒng)主卡、從卡硬件系統(tǒng)和網(wǎng)卡，通過模擬信號線、網(wǎng)線將導(dǎo)彈火控系統(tǒng)各仿真節(jié)點(diǎn)互連在一起，包含主卡的仿真節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送秒脈沖和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間報(bào)文，為整個(gè)仿真系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)［7］。綜合采用VC、GPS時(shí)統(tǒng)和RTX混合開發(fā)技術(shù)，通過開發(fā)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對本仿真節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)時(shí)間的校正，經(jīng)過校準(zhǔn)后的時(shí)間直接用于形成精確仿真數(shù)據(jù)時(shí)戳，從而保證仿真數(shù)據(jù)時(shí)間上高度一致性。

2.3 Windows與RTX進(jìn)程協(xié)同

Windows與RTX通過HAL和擴(kuò)展HAL實(shí)現(xiàn)中斷隔離，Windows線程和Windows管理的設(shè)備不可能中斷 RTSS，也不能屏蔽 RTSS 管理的設(shè)備［8］，Win32進(jìn)程與RTSS進(jìn)程通過IPC進(jìn)行協(xié)同。例如，RTSS實(shí)時(shí)任務(wù)中，與Win32進(jìn)程有關(guān)的函數(shù)和變量均通過共享內(nèi)存區(qū)、信號量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；非實(shí)時(shí)任務(wù)中需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及變量也通過共享內(nèi)存區(qū)變量、信號量獲?。?］。在實(shí)時(shí)時(shí)間控制應(yīng)用中，界面顯示、功能實(shí)現(xiàn)及其它非實(shí)時(shí)任務(wù)，以Windows操作系統(tǒng)的消息響應(yīng)處理機(jī)制為框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，結(jié)合加載于Windows的RTX實(shí)時(shí)內(nèi)核的精確時(shí)間定時(shí)器控制和消息信號量控制，實(shí)時(shí)獲取與時(shí)統(tǒng)中斷信號相統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，通過線程、中斷函數(shù)和函數(shù)處理流程的科學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈艦面設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)間協(xié)同控制。

3 基于共享信號量的時(shí)間控制

基于衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)、Windows和RTX利用VC開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制，需要實(shí)現(xiàn)一套基于時(shí)統(tǒng)與RTX的仿真時(shí)間校正控制方法，包括仿真系統(tǒng)準(zhǔn)秒脈沖中斷處理方法、時(shí)間校準(zhǔn)線程設(shè)計(jì)方法、定時(shí)器設(shè)置方法、回調(diào)函數(shù)設(shè)計(jì)方法、時(shí)統(tǒng)時(shí)間報(bào)文接收線程設(shè)計(jì)方法等，基本流程見圖1。

圖1 時(shí)間校正處理流程圖

時(shí)間控制的核心內(nèi)容是根據(jù)信號量完成時(shí)間RTSS線程和Win32線程的協(xié)同，具體控制內(nèi)容包括衛(wèi)星準(zhǔn)秒處理和定時(shí)器處理兩部分，實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步和準(zhǔn)確定時(shí)周期［7］。定義如下單值信號量：準(zhǔn)秒中斷信號量（簡稱A）、20Hz周期設(shè)置信號量（簡稱B）、1s整秒校時(shí)信號量（簡稱C）；定義共享內(nèi)存區(qū)系統(tǒng)時(shí)間變量。

3.1 Win32和RTSS進(jìn)程主函數(shù)處理

RTSS進(jìn)程主函數(shù)中，創(chuàng)建準(zhǔn)秒中斷信號量A；打開Windows進(jìn)程中創(chuàng)建的信號量：周期設(shè)置信號量B、整秒校時(shí)信號量C；創(chuàng)建共享內(nèi)存中時(shí)間變量；創(chuàng)建20Hz定時(shí)器（每次執(zhí)行一個(gè)周期）；打開時(shí)統(tǒng)卡，設(shè)置準(zhǔn)秒脈沖中斷響應(yīng)函數(shù)。

Win32進(jìn)程主函數(shù)中，創(chuàng)建周期設(shè)置信號量B、整秒校時(shí)信號量C；打開Windows進(jìn)程中創(chuàng)建的信號量：周期設(shè)置信號量B、整秒校時(shí)信號量C；打開共享內(nèi)存中時(shí)間變量；啟動(dòng)Windows程序的Win32整秒校正線程；啟動(dòng)RTX程序RTSS進(jìn)程。基于信號量的線程間協(xié)同過程見圖2。

圖2 基于信號量的線程協(xié)同示意圖

3.2 RTX準(zhǔn)秒脈沖中斷響應(yīng)處理

包含GPS從卡各仿真節(jié)點(diǎn)在準(zhǔn)秒脈沖到達(dá)后，啟動(dòng)RTSS進(jìn)程時(shí)統(tǒng)中斷響應(yīng)函數(shù)。中斷函數(shù)為回調(diào)函數(shù)，用戶時(shí)統(tǒng)卡產(chǎn)生中斷時(shí)自動(dòng)調(diào)用此函數(shù)。

仿真系統(tǒng)定周期運(yùn)行（假定控制節(jié)點(diǎn)周期為100ms、設(shè)備仿真節(jié)點(diǎn)周期50ms），當(dāng)系統(tǒng)定時(shí)器計(jì)時(shí)到最后一個(gè)周期（第10或20）時(shí)，正常情況下應(yīng)該收到準(zhǔn)秒中斷進(jìn)行整秒同步。但是，由于準(zhǔn)秒到達(dá)時(shí)間以及Windows定時(shí)器存在一定的誤差，導(dǎo)致準(zhǔn)秒可能稍晚到達(dá)。調(diào)整定時(shí)器間隔，增加等待準(zhǔn)秒一定時(shí)間延遲到達(dá)，或者準(zhǔn)秒稍早到達(dá)（例如3ms以內(nèi)），則判定準(zhǔn)秒到達(dá)正常。在準(zhǔn)秒脈沖正常到達(dá)的情況下，在中斷處理函數(shù)中，釋放準(zhǔn)秒中斷信號量A、整秒校時(shí)信號量C，允許啟動(dòng)準(zhǔn)秒校時(shí)線程，進(jìn)行整秒時(shí)間校準(zhǔn)，無須等待。否則，如果準(zhǔn)秒脈沖到達(dá)異常，舍棄本次中斷處理。

3.3 RTX定時(shí)器設(shè)置線程進(jìn)行定時(shí)器設(shè)置

周期定時(shí)器設(shè)置線程等到準(zhǔn)秒中斷信號量A后，進(jìn)行舊定時(shí)器清除處理，并設(shè)置新的定時(shí)器。同時(shí)釋放周期設(shè)置信號量B，設(shè)置一次執(zhí)行一個(gè)定時(shí)器周期，開始一個(gè)定時(shí)周期的執(zhí)行。

定時(shí)器回調(diào)函數(shù)根據(jù)獲取∕釋放周期設(shè)置信號量B，根據(jù)周期設(shè)定值（10Hz或20Hz），定時(shí)調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行定時(shí)運(yùn)行。定時(shí)器回調(diào)函數(shù)在等到信號量B后，進(jìn)行定時(shí)周期判別，在周期計(jì)數(shù)器已經(jīng)超過最后周期數(shù)后，正常情況下應(yīng)該收到準(zhǔn)秒進(jìn)行整秒同步，由于準(zhǔn)秒到達(dá)時(shí)間以及定時(shí)器存在誤差，表明秒脈沖沒有到達(dá)，通過延長本周期3ms（具體門限可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置）方法等待準(zhǔn)秒脈沖的到達(dá)；否則，沒有執(zhí)行完定時(shí)器的周期，釋放定時(shí)器周期信號量繼續(xù)執(zhí)行一個(gè)定時(shí)周期。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)到最后一個(gè)周期時(shí)，如果準(zhǔn)秒稍早到達(dá)，則通過定時(shí)器設(shè)定線程，啟動(dòng)定時(shí)器回調(diào)函數(shù)正常進(jìn)行定時(shí)器周期計(jì)數(shù)清零、重新開始工作。

3.4 Win32整秒校時(shí)處理線程校時(shí)

Win32整秒校準(zhǔn)線程等到整秒校準(zhǔn)信號量C后，進(jìn)行時(shí)統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼報(bào)文數(shù)據(jù)有效性判別，若數(shù)據(jù)正常，并且連續(xù)10次有效，按該報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)，修改共享內(nèi)存中的時(shí)間變量，進(jìn)行本機(jī)準(zhǔn)秒時(shí)間更新，設(shè)置新的系統(tǒng)時(shí)間。否則，舍棄根據(jù)本次時(shí)間報(bào)文進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)處理。網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼數(shù)據(jù)有效性通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼報(bào)文中時(shí)間數(shù)據(jù)差進(jìn)行判斷，如果上次收到的時(shí)間和本次收到時(shí)間數(shù)據(jù)差為1s或者-86399s（跨24時(shí)處理），網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼報(bào)文數(shù)據(jù)有效。

4 實(shí)踐應(yīng)用

進(jìn)行GPS時(shí)統(tǒng)+RTX仿真時(shí)間控制的導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)環(huán)境相對簡單，包括：安裝了時(shí)統(tǒng)卡的各仿真節(jié)點(diǎn)安裝VC2005、安裝RTX7.1的Runtime和SDK、安裝GPS時(shí)統(tǒng)卡驅(qū)動(dòng)和其SDK，在Windows和RTX混合開發(fā)環(huán)境下基于VC開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)完成后選擇進(jìn)入“Microsoft Windows XP Professional-RTX MP Dedicated”啟動(dòng)項(xiàng)，啟動(dòng)加載了RTX內(nèi)核的Windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境，以RTSS進(jìn)程和Win32進(jìn)程聯(lián)合運(yùn)行方式進(jìn)行應(yīng)用。

基于GPS時(shí)統(tǒng)+RTX+VC時(shí)間控制方法，成功運(yùn)用于兩型艦空導(dǎo)彈艦面設(shè)備1：1數(shù)字仿真系統(tǒng)（仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)25個(gè)）研制，在仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流程關(guān)系設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該方法首先提高了時(shí)間處理精度，從1ms到0.1μs；其次提高了定時(shí)器周期精度及單周期可控執(zhí)行；最后應(yīng)用Windows的MFC強(qiáng)大資源實(shí)現(xiàn)其它非實(shí)時(shí)性功能及界面任務(wù)。該方法成功保證了仿真時(shí)間的精度和同步，同時(shí)保證了作戰(zhàn)任務(wù)解算等實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。應(yīng)用該方法研制的仿真系統(tǒng)成功應(yīng)用于兩型艦空導(dǎo)彈武器裝備的研制、導(dǎo)彈批檢等試驗(yàn)，成功進(jìn)行了內(nèi)場全數(shù)字仿真、內(nèi)場數(shù)字∕半實(shí)物仿真和內(nèi)外場聯(lián)合試驗(yàn)，完成了大量武器系統(tǒng)鑒定、試驗(yàn)方案推演和系統(tǒng)訓(xùn)練等工作，取得了巨大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

基于衛(wèi)星時(shí)統(tǒng)與RTX的導(dǎo)彈火控系統(tǒng)數(shù)字仿真時(shí)間校正方法，繼承了Windows應(yīng)用程序界面友好、功能強(qiáng)大、維護(hù)及擴(kuò)展性好、開發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備了基于VxWorks系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，滿足導(dǎo)彈火控系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)時(shí)間控制精度及實(shí)時(shí)性要求，解決原有方法開發(fā)成本、功能界面、時(shí)間校正精確性、維護(hù)性和擴(kuò)展性等方面的矛盾和不足，為多節(jié)點(diǎn)導(dǎo)彈艦面設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)提供一種易于實(shí)施的仿真時(shí)間控制方法。VC軟件平臺和RTX-SDK開發(fā)技術(shù)成熟、軟件支持廣泛、易于開發(fā)，在確保仿真系統(tǒng)功能、性能和界面均滿足仿真試驗(yàn)要求的同時(shí)，可以明顯降低研制及后續(xù)升級成本，而且具有更加良好的升級改造潛力。本方法同樣適用于其它基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)研制，也可應(yīng)用于涉及時(shí)間校正的其它數(shù)字仿真領(lǐng)域。

［1］劉同栓，郭曉月.RTX在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2010，46（4）：50-52.

［2］辛欣，游雄，劉芳等.分布式虛擬地理環(huán)境中時(shí)間同步問題研究［J］.測繪工程，2010，19（1）：21-24.

［3］G.Bollella and K.Jeffay，Support For Real-Time Computing Within General Purpose Operating System：Supporting co-resisdent operating system［J］Proc.IEEE Real-Time Technology and Applications Symposium Chicago，IL，May 1995.

［4］Sommer S.，Removing Priority Invension from an Operating System［C］∕Proceedings of the Nineteenth Australasian Computer Science Conference（ACSC’96），Melbourne，Australia，January 31-February 2，1996.

［5］ C.Jones，M.Cherepov，Windows-based system and the Win32 API［J］.Real-Time Magazine 98∕3.

［6］E.Anschuetz，etc.Real-Time Flight Simulators Under NT，Proceedings of the 1998 Interservice∕Industry Training［C］∕Simulation and Education Conference（I∕ITSEC December 1998）.

［7］徐海，崔連虎，徐光耀.RTX環(huán)境下時(shí)統(tǒng)信息實(shí)時(shí)采集方法研究［J］.船舶電子工程，2012，4.

［8］吳佳楠，王偉，周軍濤等.基于RTX實(shí)時(shí)模塊的飛控系統(tǒng)綜合測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.測控技術(shù)，2010，29（9）：72-76，84.

［9］劉寰，秦現(xiàn)生，蔣明桔等.基于Windows+RTX的CNC實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)［J］. 測控技術(shù)，2012，31（3）：131-134.

［10］高揚(yáng)，張桉齊，張新磊等.基于RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)測角方法的研究［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，2013，33（3）：68-70.

Time Control Method of Shipboard Equipment Simulation Based on Satellite Unified Timing and RTX

ZHANG Yuan
（Unit 93，No.92941 Troop of PLA，Huludao 125001）

A time control method in shipboard equipment simulation based on satellite unified timing and RTX is introduced.The technical principle of control to simulation time is analysed.The configuration entironment of control to simulation time is introduced.The control scheme to simulation time is expatiated on.The coordinated processing logic of Win32 thread、RTX mutual exclusive semaphore and interuput function is illuminated emphatically.The engineering realization and application of control method about simulation time is introduced.The application expectation of simulation time control method based on satellite unified timing and RTX is explained.

shipboard equipment，satellite unified timing，RTX，simulation time，RTX semaphore

TP391.9

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.018

Class Number TP391.9

2017年4月10日，

2017年5月28日

張遠(yuǎn)，男，碩士，高級工程師，研究方向：戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器裝備試驗(yàn)。