梁 璐

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

近年來，隨著我國國防工業(yè)的不斷發(fā)展，中國的武器裝備研發(fā)在國際上已占據(jù)一席之地。為了不受制于進口處理器和操作系統(tǒng)，同時考慮到國防安全等因素，國內(nèi)電子市場尤其是國防科技領(lǐng)域?qū)诵募夹g(shù)的國產(chǎn)化具有強烈的需求。道系統(tǒng)(DeltaOS)是以美國風(fēng)河公司的VxWorks操作系統(tǒng)為理論基礎(chǔ)，由我國自主研發(fā)的國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)，它繼承了Vxworks良好的內(nèi)核特性以及實時性強等特點，作為智能電子設(shè)備軟件的核心，已廣泛應(yīng)用于航空、艦船、兵器等電子領(lǐng)域的指控、火控、雷達(dá)、水聲、光電等系統(tǒng)。

龍芯3A作為新一代的64位4核高性能通用國產(chǎn)CPU，其采用RISC加固,兼容MIPS指令集,具有1G主頻，每個處理器核具全流水的64位雙精度浮點乘加部件，在數(shù)字信號處理以及控制領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。DeltaOS支持多核CPU，采用對稱多處理模式(SMP)，支持搶占式多任務(wù)、 任務(wù)的優(yōu)先級調(diào)度、等特點，同時可實現(xiàn)多任務(wù)并行執(zhí)行，也可綁定任務(wù)運行在特定的核上。

隨著軍工行業(yè)對國產(chǎn)化的要求，龍芯3A+DeltaOS系統(tǒng)架構(gòu)在軍品中已占據(jù)主導(dǎo)地位，由于雷達(dá)信息處理對于實時性和運算性能的要求很高，嵌入式操作系統(tǒng)平臺倍受青睞，本文主要介紹了基于3A+2H硬件平臺的DeltaOS6操作系統(tǒng)下海上雷達(dá)組網(wǎng)對動目標(biāo)搜索測量跟蹤的工程實現(xiàn)。

1 軟件設(shè)計

文中基于道系統(tǒng)的雷達(dá)組網(wǎng)測量定位應(yīng)用軟件主要實現(xiàn)的功能包括：系統(tǒng)對時、控制雷達(dá)工作狀態(tài)以及雷達(dá)在作戰(zhàn)狀態(tài)下接收信號處理的和差信號求解角誤差值。其中利用和差歸一化計算角誤差信息推算出測角信息，根據(jù)測距，測角結(jié)果實現(xiàn)濾波外推算法，這要求將接收到的雷達(dá)坐標(biāo)系下的目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到一個相對穩(wěn)定的坐標(biāo)系下實現(xiàn)，大地坐標(biāo)系下可滿足此條件，因此需要實現(xiàn)多級坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。濾波外推在跟蹤雷達(dá)中對控制波束指向角是至關(guān)重要的，將外推出的目標(biāo)角度轉(zhuǎn)換到雷達(dá)坐標(biāo)下的角度作為布相角提前一個周期送給波控端機。具體的軟件功能如圖1所示。

圖1 軟件流程

要實現(xiàn)以上功能，應(yīng)該合理進行任務(wù)劃分，以避免任務(wù)過細(xì)引起的任務(wù)頻繁切換造成開銷增加，任務(wù)分解不夠造成系統(tǒng)吞吐量不夠[1]。工程中分成兩個任務(wù)，即控制任務(wù)和測量跟蹤任務(wù)。多目標(biāo)的測量跟蹤處理根據(jù)雷達(dá)的工作時間和需求來做處理，工程中選用的是單任務(wù)分時處理方式，任務(wù)之間的通信機制我們選用了信號量，通過工程中具體的工作機制以及雷達(dá)測量條件控制各個任務(wù)信號量的釋放以及觸發(fā)。

2 影響測量精度的因素

雷達(dá)組網(wǎng)對于編隊作戰(zhàn)具有重要的意義，協(xié)同作戰(zhàn)以其能力互補增效并且能提高作戰(zhàn)效能[2]的優(yōu)勢必將成為今后作戰(zhàn)系統(tǒng)的主流作戰(zhàn)方式，這樣網(wǎng)內(nèi)成員可共享各自測量的目標(biāo)信息，更有利于快速準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)，打擊敵方，因此，對各平臺之間時間和空間的坐標(biāo)統(tǒng)一便有了有很高的要求。

時間坐標(biāo)統(tǒng)一[3]的意義在于可以保障在不受衛(wèi)星統(tǒng)一授時的條件下，多平臺之間測量信息的準(zhǔn)確性。針對多平臺與指揮中心的傳輸通道的固定或隨機延時，通過時間補償?shù)姆绞浇y(tǒng)一時間，工程中應(yīng)用較為常用不再贅述。

在多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中，任何一個觀測模型都是依賴狀態(tài)空間模型建立的，因而選擇合適的坐標(biāo)系是很重要的，坐標(biāo)系的選擇直接影響跟蹤的精度和計算量大小[4]。接下來便以工程實踐為依據(jù)具體描述。

首先，數(shù)據(jù)處理收到信號處理送來的回波信號，是雷達(dá)坐標(biāo)系下的目標(biāo)信息。假設(shè)組網(wǎng)雷達(dá)中雷達(dá)坐標(biāo)系下的目標(biāo)徑向距離為R，目標(biāo)偏離船首的方位角為b，假定俯仰角為e(一般設(shè)為0)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通常有兩種方式，一種是平移，另一種是旋轉(zhuǎn)變換。由不穩(wěn)定甲板到穩(wěn)定甲板坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,首先轉(zhuǎn)換到不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系(以下小寫xyz表不穩(wěn)定坐標(biāo)，x1,y1,z1表穩(wěn)定坐標(biāo))為

(1)

再轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定甲板直角坐標(biāo)為

(2)

艦艇不穩(wěn)定甲板坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到艦艇穩(wěn)定甲板坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣為

(3)

艦艇穩(wěn)定坐標(biāo)到艦艇不穩(wěn)定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為M的逆矩陣見式(4)。

(4)

第二步再從甲板坐標(biāo)再轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)作外推前的準(zhǔn)備，需考慮航向角以及縱橫搖角度。

1)偏離大地坐標(biāo)系下的航向角為ψ

圖2 航向角轉(zhuǎn)換

(5)

2)縱搖角(φ)，艦首抬起為正，繞X軸順時針旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)換到大地系

圖3 縱搖角轉(zhuǎn)換

x″=x′

y″=y′cosφ-z′sinφ;

(6)

3)橫搖角(θ)，左舷抬起為正，繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)

圖4 橫搖角轉(zhuǎn)換

y?=y″

z?=z″cosθ-x″sinθ

(7)

最終由雷達(dá)軸線系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

……

(8)

3 跟蹤算法和仿真

通過和路差路信號以及互導(dǎo)因子計算出波束指向的方位角誤差疊加指向角，作角度外推和濾波，外推角作為下一幀波束指向。文中采用αβ濾波算法[5]，針對的是勻速或者緩慢機動的目標(biāo)航跡跟蹤，通過公式(9)得到濾波后的目標(biāo)節(jié)點信息。

xs(k)=xp(k)+α[xm(k)-xp(k)]

vs(k)=vs(k-1)+β[xm(k)-xp(k)]/T

(9)

xp(k+1)=xs(k)+vs(k)T

其中，xs(k)是濾波后的位置；vs(k)是濾波處理后的速度；xp(k)是預(yù)測的位置；xm(k)是實際測量的位置；T是測量時間間隔；xp(k+1)是外推值。其中距離和速度的增益系數(shù)α,β，要依據(jù)實際情況，當(dāng)K較小時，對目標(biāo)的跟蹤剛開始，對距離和角度的估計值并未完全穩(wěn)定可靠，因此必須掃描次數(shù)越大，估計值的可靠性越大。

(10)

根據(jù)外推出的節(jié)點位置，計算下一測量時刻的天線波束指向。

假設(shè)目標(biāo)在海上以30節(jié)的速度勻速直線運動行駛，圖5為外推距離角度與真值的誤差仿真圖。

圖5 勻速直線運動跟蹤效果

下面一條曲線表示3000點外推角度與真實值的誤差均值小于0.5mrad，上面一條曲線表示距離誤差小于2m在60個周期可穩(wěn)定濾波外推達(dá)到收斂。

4 系統(tǒng)測試與實測試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

道系統(tǒng)在數(shù)組信號處理中的整機性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 整機性能測試結(jié)果

國產(chǎn)化操作系統(tǒng)中斷響應(yīng)時間和程序運行時間均能滿足指標(biāo)要求。兩個雷達(dá)站點互測得到的測量結(jié)果在經(jīng)長時間采集的數(shù)據(jù)分析2個站點互測的距離誤差和角度誤差均可滿足設(shè)備性能測量指標(biāo)。

5 結(jié)束語

文中主要介紹了基于操作系統(tǒng)DeltaOS6以及雷達(dá)組網(wǎng)過程中與測量精度有關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與跟蹤算法，對目標(biāo)勻速直線運動模型進行仿真，距離和角度誤差結(jié)果很小，同時試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果距離、角度濾波外推的誤差均在需求范圍內(nèi)，長時間的外場實驗對操作系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性做到了充分的驗證，實用前景廣泛。