某型MMW/IR雙模導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)驗證平臺設(shè)計*

劉立全,景占榮,羊 彥,高 田

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安710072)

0 引言

現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器成為打擊對手的主要手段。毫米波/紅外(MMW/IR)復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)便是其中之一,其關(guān)鍵技術(shù)包括:雙模導(dǎo)引頭的一體化技術(shù),傳感器技術(shù),高速信號處理技術(shù)。其中最重要的是信息融合(information fusion,IF)技術(shù)[1],它是雙模尋的制導(dǎo)中精確跟蹤目標(biāo)的關(guān)鍵研究內(nèi)容。

文中以實際需求為目標(biāo),介紹基于毫米波/紅外雙模制導(dǎo)技術(shù)[2]的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的組成及工作原理,重點闡述了數(shù)據(jù)融合平臺的軟硬件實施方案,研究了融合算法[3]軟件的總體流程。最后,通過測試仿真系統(tǒng)對數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進(jìn)行測試、驗證,得到了非常好的測試結(jié)果。

1 MMW/IR雙導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)組成

毫米波/紅外數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)主要包括MMW/IR雙模尋的數(shù)據(jù)融合平臺、MMW/IR雙模尋的數(shù)據(jù)融合測試平臺兩部分,整個系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)組成邏輯圖

MMW/IR雙模制導(dǎo)數(shù)據(jù)融合平臺主要是指數(shù)據(jù)融合板級系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)完成雙模尋的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)補償?shù)热蝿?wù),有效提高雙模導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度和抗干擾能力;數(shù)據(jù)融合平臺有兩路對外的通信接口,一路是1553B接口,另外一路是RS232接口。數(shù)據(jù)融合平臺作為總線控制器BC(bus controller)通過1553B總線與遠(yuǎn)程終端RT(remote terminal)相連,完成與MMW/IR尋的制導(dǎo)與控制數(shù)字仿真PC(RT)的數(shù)據(jù)傳送;通過串行總線與測試平臺的控制PC進(jìn)行通信,接受來自于控制PC的控制指令。

MMW/IR雙模尋的數(shù)據(jù)融合測試平臺主要由MMW/IR尋的制導(dǎo)與控制數(shù)字仿真PC以及控制PC構(gòu)成,仿真PC是用于數(shù)字仿真毫米波/紅外雙模導(dǎo)引頭的工作狀態(tài)、導(dǎo)彈導(dǎo)航與制導(dǎo)全過程,數(shù)字仿真系統(tǒng)作為RT,仿真導(dǎo)彈的狀態(tài)信息以及控制信息通過1553B總線傳遞給數(shù)據(jù)融合平臺,進(jìn)而對數(shù)據(jù)融合平臺的性能進(jìn)行測試評估。控制PC主要負(fù)責(zé)發(fā)出控制指令來控制數(shù)據(jù)融合平臺和仿真PC。數(shù)據(jù)融合測試平臺只是為了測試數(shù)據(jù)融合平臺的性能而設(shè)計的,數(shù)據(jù)融合平臺是整個數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的核心,因此文中重點研究數(shù)據(jù)融合平臺,數(shù)據(jù)融合測試平臺不做重點研究。

2 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)驗證平臺設(shè)計

圖2 融合平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 驗證平臺硬件設(shè)計

根據(jù)融合系統(tǒng)需要完成的任務(wù)以及所需的通信接口,選擇TI公司的TMS320F2812和 TMS320C6713雙DSP實現(xiàn)融合平臺的設(shè)計,融合平臺的詳細(xì)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,共分為兩部分:①基于DSP陣列的數(shù)據(jù)融合板;②數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)接口板(BC模式)。

1)基于DSP陣列的數(shù)據(jù)融合板結(jié)構(gòu)設(shè)計

DSP陣列板上采用兩塊DSP作為處理芯片,TMS320F2812和TMS320C6713,TMS320F2812主要完成預(yù)處理的任務(wù),而TMS320C6713用來進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。TMS320F2812有片上 128K×16位的FLASH存儲器用來引導(dǎo)程序,而TMS320C6713片上沒有存放引導(dǎo)程序的存儲器,所以外擴(kuò)了128K×16位的FLASH存儲器SST39VF200,用于存放需加載的程序。采用了兩片 16K×16位的雙口 RAM IDT70V26,一片用來DSP之間的數(shù)據(jù)交換緩沖處理,另外一片用來實現(xiàn)TMS320F2812與1553B總線接口板的數(shù)據(jù)通訊。為了與測試設(shè)備進(jìn)行通信,TMS320F2812外擴(kuò)了 RS232和 RS422。

圖3 數(shù)據(jù)融合板硬件構(gòu)成圖

電源部分采用了27V轉(zhuǎn)5V的DC-DC模塊,然后通過電源模塊 TPS73HD318將5V轉(zhuǎn)換成3.3V和1.8V,給 TMS320F2812、兩片雙口 RAM 以及1553B接口板供電,通過電源模塊 TPS70345將5V轉(zhuǎn)換為3.3V和1.2V,給TMS320C6713供電。

2)數(shù)據(jù)融合平臺的1553B接口板設(shè)計

1553B接口板主要完成融合平臺數(shù)據(jù)的高可靠、高速的雙向傳輸。該部分主要由 Altera FPGA和1553B協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。其中Altera FPGA內(nèi)部定制了NIOS II微處理器軟核,作為1553B協(xié)議管理CPU。另外,該FPGA還定制了SDRAM控制器接口、PIO內(nèi)核三態(tài)橋、UART、定時器、雙口 RAM 接口以及自定義的 1553B協(xié)議芯片接口。其中:SDRAM控制器接口用于連接外部SDRAM作為接口板系統(tǒng)的內(nèi)存;PIO內(nèi)核控制通用I/O口,協(xié)助1553協(xié)議芯片接口完成1553B接口邏輯,同時協(xié)助雙口RAM接口控制外部雙口RAM芯片;三態(tài)橋用于連接外部Flash作為程序存儲器以及數(shù)據(jù)存儲器;定時器用于1553B消息管理時,實現(xiàn)精確定時;用戶自定義的1553B協(xié)議芯片接口主要實現(xiàn)外部1553B協(xié)議芯片接口邏輯,實現(xiàn)Nios II CPU對1553B芯片的控制;而UART作為串口調(diào)試接口板時備用。

圖4 1553B接口板硬件構(gòu)成圖

1553B協(xié)議芯片擬采用型號為B61580的多功能芯片,它除了具有遠(yuǎn)程終端(RT)功能外,還可以用作總線控制器(BC)、總線監(jiān)控器(MT)。其內(nèi)部功能極強,接口靈活、便于控制,有各種封裝形式和供電電壓供用戶選擇,是1553A/B等總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中較常用的接口芯片。該芯片的工作模式由初始化軟件設(shè)定。

2.2 數(shù)據(jù)融合軟件系統(tǒng)框架研究

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)軟件總體框架如圖5所示。該軟件系統(tǒng)主要完成兩方面的工作:一是數(shù)據(jù)融合板軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)理以及數(shù)據(jù)融合跟蹤;二是1553B接口板軟件系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)處理、打包發(fā)自數(shù)據(jù)融合板的數(shù)據(jù)以及處理、解包來自1553B總線的數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)融合軟件總流程圖

1)數(shù)據(jù)融合算法功能模塊

該部分包括數(shù)據(jù)調(diào)理和數(shù)據(jù)融合跟蹤兩部分。數(shù)據(jù)調(diào)理部分包括進(jìn)程控制軟件,數(shù)據(jù)收發(fā)軟件,控制幀形成軟件和數(shù)據(jù)打解包軟件。數(shù)據(jù)融合跟蹤主要包括融合模式判斷軟件,數(shù)據(jù)置信度判斷軟件,協(xié)方差計算軟件,時空對準(zhǔn)軟件,數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)軟件,數(shù)據(jù)融合跟蹤軟件,隨動信號計算軟件等。

在F2812平臺上,進(jìn)程管理軟件主要負(fù)責(zé)F2812與外界(控制計算機(jī)、仿真計算機(jī)和C6713)交換數(shù)據(jù)的調(diào)度管理。數(shù)據(jù)收發(fā)軟件負(fù)責(zé)讀寫控制命令(來自控制計算機(jī))、數(shù)據(jù)幀(雷達(dá)數(shù)據(jù)幀,紅外數(shù)據(jù)幀和融合控制幀)、控制幀和狀態(tài)幀?？刂茙荈2812根據(jù)接到的控制命令形成的。最后,數(shù)據(jù)打解包軟件對接收到的`雷達(dá)紅外輸出數(shù)據(jù)幀解包,同時對讀取的融合控制幀打包。進(jìn)程控制軟件是核心,其他軟件都是作為子函數(shù)通過進(jìn)程管理軟件調(diào)用實現(xiàn)的。

在C6713平臺上,進(jìn)程管理軟件同樣是核心,調(diào)用其他軟件完成數(shù)據(jù)融合跟蹤任務(wù)。融合模式判斷軟件判斷當(dāng)前融合應(yīng)該切換至哪種模式(點跡融合模式或航跡融合模式);然后,數(shù)據(jù)置信度判斷利用信噪比或閾值判斷導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)是否可信;如果可信就利用信噪比和閾值推算數(shù)據(jù)融合所需要的協(xié)方差值;數(shù)據(jù)融合跟蹤算法包括點跡融合和航跡融合,隨動信號計算軟件則利用融合跟蹤得到的目標(biāo)估計位置計算出雙模導(dǎo)引頭光軸和電軸的隨動大小值,最后,生成融合控制幀數(shù)據(jù)。

2)1553B接口板軟件系統(tǒng)

1553B總線系統(tǒng)的軟件設(shè)計針對于OSI模型中的傳輸層,傳輸層在整個模型系統(tǒng)中占有非常重要的地位,傳輸層是整個協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的核心,是唯一負(fù)責(zé)總體數(shù)據(jù)傳輸和控制的一層。因此傳輸層軟件設(shè)計在整個1553B總線系統(tǒng)設(shè)計中占有相當(dāng)重要地位。針對傳輸層的功能特點,進(jìn)行1553B總線系統(tǒng)軟件設(shè)計。

主要包括三部分設(shè)計:Bootloader設(shè)計、主程序設(shè)計以及中斷子程序設(shè)計。

Bootloader:主要包括FPGA本身的初始化配置以及Nios II本身的引導(dǎo)過程。FPGA器件在自身攜帶的配置控制器的控制下配置FPGA的內(nèi)部邏輯,同時內(nèi)部邏輯里已經(jīng)包含了Nios II軟核;FPGA配置成功后,Nios II就被邏輯中的復(fù)位電路復(fù)位,從reset地址開始執(zhí)行代碼,在應(yīng)用程序開始執(zhí)行之間,執(zhí)行一小段代碼負(fù)責(zé)從Flash中加載應(yīng)用程序到內(nèi)存SDRAM 中,在SDRAM中運行應(yīng)用程序,從而提高了運行速度。

主程序運行:主程序主要包括B61580的初始化配置以及一個無限循環(huán)程序。對于B61580的初始化主要把B61580配置成總線控制器(BC),對1553B總線系統(tǒng)的消息進(jìn)行處理,初始化后,進(jìn)入無限循環(huán),等待中斷的發(fā)生,處理中斷。

中斷子程序:中斷子程序主要包括兩個:一個是來自于B61580的中斷,另一個是來自于與數(shù)據(jù)融合板接口的雙口RAM的中斷。這兩個中斷子程序是1553B總線系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心,這兩個子程序共同完成了1553B消息轉(zhuǎn)換與處理功能。

3 數(shù)據(jù)融合平臺的測試評估

雙模導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合平臺驗證的指標(biāo)有三個:雙模導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合能夠提高導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)距離,提高導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)的精度和提高導(dǎo)引頭的抗干擾能力。因此,制定了如下的系統(tǒng)評估準(zhǔn)則。

1)導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)的距離評估

當(dāng)導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)入穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)時刻,彈-目之間的距離就是導(dǎo)引頭截獲距離。評估準(zhǔn)則:與單模數(shù)據(jù)處理相比,雙模導(dǎo)引頭能夠提前截獲目標(biāo),進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤。

2)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)精度評估

跟蹤目標(biāo)精度主要從兩個方面來體現(xiàn),位置跟蹤精度和角度跟蹤精度。一般情況下,精度大小主要從兩個方面表現(xiàn):跟蹤誤差的大小和誤差方差大小。由于導(dǎo)引頭的觀測誤差設(shè)置為時變量,所以誤差的方差不具有可比性,所以方案只采取跟蹤誤差評估。

評估準(zhǔn)則:與單模數(shù)據(jù)處理相比,雙模導(dǎo)引頭融合跟蹤誤差和誤差方差都相應(yīng)的減小。

3)導(dǎo)引頭的抗干擾能力評估

雙模導(dǎo)引頭抗干擾能力主要體現(xiàn)兩方面:第一個方面,當(dāng)其中一種導(dǎo)引頭被干擾時,雙模導(dǎo)引頭可以采用一種導(dǎo)引頭管理機(jī)制,降低這個導(dǎo)引頭在數(shù)據(jù)融合中心的權(quán)值,或是利用另外一個導(dǎo)引頭的觀測數(shù)據(jù)幫助其去除干擾,或是切換成單模狀態(tài),繼續(xù)跟蹤目標(biāo);并且當(dāng)干擾消除后,又能及時切換成雙模跟蹤狀態(tài),實現(xiàn)對目標(biāo)精確穩(wěn)定的跟蹤。

評估準(zhǔn)則:紅外導(dǎo)引頭的干擾主要體現(xiàn)在多目標(biāo)(一種干擾類型),雷達(dá)導(dǎo)引頭是否可以幫助其及時分辨出真目標(biāo);毫米波雷達(dá)的干擾主要體現(xiàn)在阻塞式干擾(強功率干擾),不能正確檢測到目標(biāo),此時雙模導(dǎo)引頭是否可以工作在紅外單模式跟蹤,并當(dāng)毫米波雷達(dá)干擾消失后,系統(tǒng)能否繼續(xù)切換至雙模融合模式。

4 系統(tǒng)仿真與測試

基于以上的評估準(zhǔn)則,采用蒙特卡洛方法對主要性能進(jìn)行了仿真。為了目標(biāo)選擇的典型性,選擇目標(biāo)運動類型為:機(jī)動曲線運動,初速度為(340,100,0)m/s;目標(biāo)加速度為(0,AY,0)m/s2,目標(biāo)狀態(tài)噪聲σ2v為(100,100,100)m/s2,其中 AY=-10sin(0.1*Number*Time_step);Number為雷達(dá)數(shù)據(jù)幀次序編號;Time_step為仿真步長,仿真中Time_step取5ms。數(shù)據(jù)處理采用當(dāng)前統(tǒng)計模型進(jìn)行預(yù)測。雷達(dá)單模模式下,目標(biāo)截獲距離為11154.2m,雙模融合模式和抗干擾雙模融合模式同為13737.4m,在目標(biāo)曲線運動情況下,雙模導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合處理相對單模模式將目標(biāo)截獲距離提高了2583.2m。另外,根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,目標(biāo)在機(jī)動飛行時,雙模導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合處理可以明顯的提高跟蹤精度,位置和角度精度都提高了2～3倍。通過仿真試驗表明,雙模導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合處理基本適應(yīng)紅外導(dǎo)引頭多目標(biāo)、雷達(dá)導(dǎo)引頭強功率干擾。

5 結(jié)論

文中針對某型裝備MMW/IR雙導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合裝置性能指標(biāo)及其特殊需求,提出了基于1553B總線傳輸?shù)暮撩撞?紅外雙模數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案,設(shè)計了數(shù)據(jù)融合驗證平臺的軟硬件結(jié)構(gòu),研究了該系統(tǒng)的核心部分——算法整體框架,制定了數(shù)據(jù)融合平臺的測試評估準(zhǔn)則。另外,根據(jù)系統(tǒng)的評估準(zhǔn)則,利用測試平臺進(jìn)行了仿真與測試。驗證結(jié)果表明:所設(shè)計的系統(tǒng)既滿足了實際系統(tǒng)的需求,體現(xiàn)了全系統(tǒng)的最優(yōu)性,也驗證了數(shù)據(jù)驗證算法的有效性。對工程實踐具有很好的借鑒意義。

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