國產(chǎn)化計算平臺在指揮控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

程健 吳蔚

（中國電子科技集團公司第28研究所）

1 引言

進入二十一世紀以來，高新技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，快速推動了武器裝備的更新和作戰(zhàn)方式的演變。信息化戰(zhàn)爭終將成為未來戰(zhàn)爭的基本形態(tài)。隨著我國綜合實力的日益提高以及我軍信息化建設(shè)的穩(wěn)步推進，國產(chǎn)化計算平臺呼聲高漲，“核高基”國家重點專項應(yīng)運而生，這是符合國家安全和利益的戰(zhàn)略選擇，是事關(guān)國家軍隊、政府和科研等領(lǐng)域信息安全的重大舉措。這不僅有助于消除我國電子政務(wù)、國防等方面的安全隱患，更有利于改變我國一直以來在信息安全領(lǐng)域的被動局面，其重大意義不言而喻。而作為軍事指揮控制系統(tǒng)總體研制單位，在相應(yīng)領(lǐng)域推廣應(yīng)用國產(chǎn)化計算平臺也是大勢所趨。

2 國產(chǎn)化計算平臺概述

國產(chǎn)化計算平臺是涵蓋了硬件、操作系統(tǒng)以及其它基礎(chǔ)軟件的一個集合。其中硬件以國產(chǎn)通用CPU芯片“龍芯”為代表，而基礎(chǔ)軟件則以國產(chǎn)“麒麟”操作系統(tǒng)為代表?！褒埿?麒麟”已成為國產(chǎn)化計算平臺在軍事信息系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用模式。

2.1 龍芯處理器介紹

眾所周知，CPU是決定計算機硬件性能的核心部件，也是整個系統(tǒng)的核心。目前市場上，最為人們熟知的兩大品牌無疑是Intel和AMD，他們的強勢地位目前幾乎無人能撼動。不得不承認，在CPU研制技術(shù)上，我們跟國外廠商有著相當(dāng)大的差距，缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 CPU芯片，是我國計算機產(chǎn)業(yè)的一大“芯”病。所幸，2002年9月28日，由中國科學(xué)院計算技術(shù)所研制的國產(chǎn)通用CPU龍芯1號正式發(fā)布。此后，龍芯2號，龍芯3號相繼研制成功。龍芯1號處理器主要面向低功耗的嵌入式應(yīng)用，是兼顧通用及嵌入式CPU特點的32位處理器內(nèi)核，采用類MIPS III指令集，具有32位整數(shù)單元和64位浮點單元。龍芯2號處理器采用四發(fā)射超標量超流水結(jié)構(gòu)，片內(nèi)一級指令和數(shù)據(jù)高速緩存各64kB，片外二級高速緩存最多可達8MB[1]。最高頻率1GHz，功耗為5瓦～7瓦，遠低于國外同類芯片。經(jīng)SPEC CPU2000程序?qū)崪y顯示，龍芯2號CPU的性能已達到Intel Pentium4系列中低端處理器的水平，適合桌面以及瘦客戶端應(yīng)用。龍芯 3號系列處理器主要面向高性能計算、低能耗數(shù)據(jù)中心以及高端嵌入式等應(yīng)用，是一款多核處理器，采用65nm工藝，時鐘主頻為 900MHz～1GHz，晶體管數(shù)目達4.25 億個，其設(shè)計具有分布式、架構(gòu)可擴展的特點。中科龍芯表示，今后上述三個系列將并行發(fā)展，以滿足各種不同應(yīng)用場合的需求。

2.2 麒麟操作系統(tǒng)介紹

操作系統(tǒng)(Operating System，簡稱OS)是控制其它程序運行、管理系統(tǒng)資源并為用戶提供操作界面的系統(tǒng)軟件的集合，同時也是計算機系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。長期以來，操作系統(tǒng)市場幾乎由微軟等公司壟斷。麒麟操作系統(tǒng)是由解放軍國防科技大學(xué)研制的一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)。作為863計劃重大攻關(guān)科研項目，目標就是要打破國外操作系統(tǒng)的壟斷。麒麟操作系統(tǒng)是首家通過公安部計算機信息系統(tǒng)安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查中心第四級結(jié)構(gòu)化保護級檢測和中國人民解放軍信息安全測評中心軍用B+級安全認證、是目前國內(nèi)安全等級最高的操作系統(tǒng)。麒麟操作系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要分為三層，底層為可自由替換加載的基礎(chǔ)層，用以保證系統(tǒng)安全性和實時性，中間是FreeBSD的內(nèi)核，上層是Linux兼容庫，以實現(xiàn)與Linux平臺應(yīng)用的二進制兼容。

3 多雷達點跡航跡混合處理設(shè)備研究實現(xiàn)

3.1 研究背景

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，為了應(yīng)對日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，快速掌握戰(zhàn)場統(tǒng)一態(tài)勢，并及時發(fā)現(xiàn)各種特殊目標（如高速高機動、低速、慢速、隱身目標等），雷達情報處理系統(tǒng)除了處理雷達航跡數(shù)據(jù)以外，還需要處理含有固定回波、雜波干擾、虛警等的點跡數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際情況采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM行融合處理[2]。這就要求情報處理系統(tǒng)具備單獨處理點跡數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)，混合處理點跡航跡的能力，并不斷提升系統(tǒng)對空情容量大、目標密集的海量情報數(shù)據(jù)的處理能力[3]?，F(xiàn)有的雷達情報處理系統(tǒng)大多只能處理航跡信息，為了快速實現(xiàn)工程項目的量測級信息處理能力，以及實現(xiàn)對現(xiàn)有工程項目從航跡處理能力到混合處理能力的改裝，本文基于國產(chǎn)化計算平臺提出了一種具備多雷達點跡航跡混合處理能力的小型化設(shè)備的實現(xiàn)技術(shù)，介紹了設(shè)備處理系統(tǒng)中多雷達點跡航跡混合式數(shù)據(jù)融合處理模型，并給出了設(shè)備實際運行效果。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計首先要滿足雷達情報處理的實時性要求，同時要兼顧小型化、高可靠、低功耗的要求；其次，還要滿足設(shè)備在沖擊振動及電磁干擾等各種惡劣戰(zhàn)場環(huán)境下的適應(yīng)能力。綜合以上兩個要素，基于ETX模塊組建的高可靠嵌入式計算平臺無疑是小型化設(shè)備的首選。ETX（Embedded Technology eXtended嵌入式應(yīng)用技術(shù)擴展）是嵌入式控制領(lǐng)域近年來得到廣泛應(yīng)用的標準之一。ETX模塊本身具有高集成度，低功耗及高可靠性等顯著優(yōu)勢。其它外圍接口和特殊功能擴展則可設(shè)計在任意形狀或尺寸的載板上，ETX模塊通過4個100引腳的高密度連接器和載板連接。這樣的設(shè)計使得其在很小的尺寸上實現(xiàn)了靈活多樣的可擴展性，系統(tǒng)升級也輕而易舉，并且最大限度地減少線纜連接，增強了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。

中科龍芯也推出了面向高端嵌入式應(yīng)用的 ETX模塊，模塊采用低功耗的龍芯 2F處理器，工作主頻800MHz，片內(nèi)集成DDR2控制器，板載512MB內(nèi)存。模塊在95mm×114mm標準尺寸上集成了顯示控制器及豐富的I/O端口，包括1個網(wǎng)絡(luò)接口，2個IDE接口，2個USB接口等。當(dāng)處理器全速工作時，模塊整板功耗不到10瓦，采用固定散熱片被動散熱設(shè)計即可完成散熱功能，使其在惡劣條件下的適應(yīng)能力大幅提升。根據(jù)應(yīng)用場景，我們在自行設(shè)計的載板上擴充了3個網(wǎng)絡(luò)控制器，以實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)接入的能力。通過IDE總線擴充了固態(tài)硬盤接口及電子盤接口，分別用于存儲應(yīng)用程序數(shù)據(jù)和麒麟操作系統(tǒng)。

3.3 設(shè)備的操作系統(tǒng)運行環(huán)境

國產(chǎn)化計算平臺在操作系統(tǒng)的選用上，目前除了麒麟還沒有太多選擇。因此這個環(huán)節(jié)的主要工作在于如何針對硬件平臺做好系統(tǒng)優(yōu)化并最大程度發(fā)揮出系統(tǒng)的性能，并從實時性、可靠性以及安全性等各個方面為系統(tǒng)應(yīng)用提供支撐。借鑒多年來在戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)中深入研究和應(yīng)用Linux操作系統(tǒng)的經(jīng)驗，結(jié)合硬件平臺特征對麒麟操作系統(tǒng)目前運行的內(nèi)核進行裁剪，去除大量不必要的硬件驅(qū)動模塊和系統(tǒng)服務(wù)模塊；在文件系統(tǒng)層面，通過定制系統(tǒng)運行等級及其系統(tǒng)服務(wù)等方法提高系統(tǒng)運行效率。專用的精簡型內(nèi)核具備以下特性：① 高效的任務(wù)管理，支持搶占式任務(wù)調(diào)度；② 靈活多樣的任務(wù)間通訊手段；③ 支持完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 多雷達點跡航跡混合融合處理模型

多雷達點跡航跡混合處理設(shè)備中，多雷達點跡航跡混合式數(shù)據(jù)融合處理模型如圖1所示。

圖1 多雷達點跡航跡混合式數(shù)據(jù)融合處理模型

根據(jù)提出的模型，經(jīng)過處理的量測級數(shù)據(jù)，在關(guān)聯(lián)處理模塊中，與航跡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。當(dāng)系統(tǒng)判決出點跡數(shù)據(jù)比航跡數(shù)據(jù)對于目標跟蹤有更大的優(yōu)勢時，系統(tǒng)將自動切換成為利用點跡數(shù)據(jù)進行目標跟蹤。與航跡融合相比，多雷達點跡航跡混合融合處理有如下優(yōu)點：

(1) 結(jié)合了分布式航跡數(shù)據(jù)融合方法和集中式點跡數(shù)據(jù)融合方法的優(yōu)點，具有明顯優(yōu)勢；

(2) 提高了對隱身目標、小目標、低空目標和高速機動目標的起始能力；

(3) 提高系統(tǒng)對目標跟蹤的連續(xù)性和精確度。

4.2 多雷達點跡航跡混合融合設(shè)備的運行效果

4.2.1 平均目標起始時間

試驗數(shù)據(jù)為3部雷達的點跡航跡混合數(shù)據(jù)。多雷達點跡航跡混合融合處理的結(jié)果為：目標的平均起始時間為24s，目標最小起始時間為9s，目標最大起始時間為34s，起始目標批數(shù)為263批。

圖2 平均目標起始時間

4.2.2 平均目標更新時間

試驗數(shù)據(jù)為 3部雷達的點跡航跡混合數(shù)據(jù)。多雷達點跡航跡混合融合處理的結(jié)果為：目標的平均更新時間 ＜6s；目標最小更新時間為3s；目標最大更新時間為19s；起始目標批數(shù)為263批。

圖3 平均目標更新時間

5 結(jié)束語

本文研發(fā)的點跡航跡混合處理設(shè)備對多雷達點跡航跡數(shù)據(jù)進行處理取得了良好效果，提出的基于國產(chǎn)化計算平臺的實現(xiàn)技術(shù)能夠快速應(yīng)用到工程項目中并提供所需的量測級信息處理能力。同時，該設(shè)備具有良好的可升級性，只需要升級更換新一代龍芯處理器模塊，便可在處理性能上得到進一步的提升。多雷達數(shù)據(jù)融合的主要功能和實際效果與傳統(tǒng)多雷達數(shù)據(jù)融合設(shè)備相仿，但在信息的安全可控方面具有不可比擬的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。在轟轟烈烈的國產(chǎn)化大潮中，必須理性面對現(xiàn)實中存在的不足和差距，合理運用、科學(xué)研發(fā)相應(yīng)的信息設(shè)備，而不能好高騖遠、脫離實際。

[1]龍芯2F數(shù)據(jù)手冊,http://www.loongson.cn,2010.

[2]何友,修建娟,張晶煒,關(guān)欣.雷達數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3]韓崇昭,朱洪艷,段戰(zhàn)勝等.多源信息融合[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.