一種雷達(dá)信號(hào)環(huán)境實(shí)時(shí)仿真方法

錢志亞，程焱明

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

雷達(dá)信號(hào)環(huán)境實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)目前在微波暗室中使用較多，本系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中能模擬頻率2～18 GHz、按50 ms節(jié)拍實(shí)時(shí)變化的高密度復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境。將被試設(shè)備安裝在微波暗室的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，按預(yù)先規(guī)劃的場景設(shè)置一個(gè)戰(zhàn)情態(tài)勢(shì)來模擬被試設(shè)備所面臨的戰(zhàn)場實(shí)時(shí)環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)本系統(tǒng)生成的雷達(dá)脈沖信號(hào)從三元組面陣向三軸轉(zhuǎn)臺(tái)方向輻射，通過實(shí)時(shí)調(diào)整三元組3個(gè)天線的信號(hào)發(fā)射功率，就可以模擬出雷達(dá)脈沖信號(hào)相對(duì)被試設(shè)備的運(yùn)行軌跡。這樣的半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具備保密性強(qiáng)、測(cè)試成本低、可反復(fù)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件組成

雷達(dá)信號(hào)環(huán)境實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)由信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)、姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)、時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)環(huán)境模擬器、以太網(wǎng)交換機(jī)和實(shí)時(shí)網(wǎng)交換機(jī)等硬件組成。

信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)、姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)、時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)采用研華PCI工控機(jī)，在XP+RTX8.1系統(tǒng)下運(yùn)行，RTX8.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能與XP系統(tǒng)共存于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于仿真、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，具有良好的實(shí)時(shí)性和極高的可靠性。時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)安裝時(shí)統(tǒng)卡TCRC3001，能接收GPS/BD衛(wèi)星信號(hào)，輸出50 ms中斷信號(hào)，該時(shí)統(tǒng)卡是保證整個(gè)系統(tǒng)以50 ms節(jié)拍實(shí)時(shí)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。這3臺(tái)計(jì)算機(jī)都安裝PCI-5565PIORC實(shí)時(shí)網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡的初始化及使用過程如下：在RTX程序或Vxworks程序啟動(dòng)后，打開實(shí)時(shí)網(wǎng)卡設(shè)備獲取句柄(RFM2gOpen)，并獲取節(jié)點(diǎn)號(hào)(RFM2gNodeID)。節(jié)點(diǎn)號(hào)各不相同，可在網(wǎng)卡上進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置。對(duì)本程序要用到的中斷號(hào)進(jìn)行使能(RFM2gEnableEvent)，中斷最多可設(shè)4個(gè)，本系統(tǒng)每個(gè)實(shí)時(shí)程序只用了1個(gè)或2個(gè)，然后啟動(dòng)響應(yīng)中斷的線程。在試驗(yàn)過程中通過中斷線程實(shí)時(shí)響應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的中斷，并進(jìn)行相應(yīng)處理。

信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)采用VPX總線結(jié)構(gòu)機(jī)箱，安裝PMC-5565PIORC實(shí)時(shí)網(wǎng)卡，配備Rapidio通信接口。Rapidio接口主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部互連，支持芯片到芯片、板到板間的通信，具有(3.125 GHz)的高速率、低延遲、穩(wěn)定可靠的特性。信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行在Vxworks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，該系統(tǒng)以良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，進(jìn)行程序開發(fā)時(shí)需要供應(yīng)商提供主板BSP驅(qū)動(dòng)開發(fā)包和實(shí)時(shí)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)的機(jī)箱中還安裝了1塊數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)板接口，其控制程序和DSP之間通過Rapidio接口進(jìn)行通信。Rapidio接口的初始化及使用過程如下：Vxworks程序啟動(dòng)后，對(duì)Rapidio接口進(jìn)行初始化，獲取句柄(tsi721GetDeviceHandle)，檢查鏈路是否正常(tsi721RioLocalRead4)。分配直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)內(nèi)存空間(vxbDmaBufTagCreate等函數(shù))。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，往內(nèi)存空間寫入一些數(shù)據(jù)(tsi721RioDmaWrite)，再從該地址讀取這些數(shù)據(jù)(tsi721RioDmaRead)，如果數(shù)據(jù)相同，則初始化成功。通過Rapidio接口向DSP通信時(shí)，先往指定地址1和地址2寫入數(shù)據(jù)和報(bào)文長度，再發(fā)送門鈴消息(tsi721RioDoorbellSend)，然后進(jìn)入while循環(huán)函數(shù)，不停地去讀計(jì)數(shù)器地址。如果計(jì)數(shù)器值變了，再去指定的數(shù)據(jù)回告地址讀取DSP的回告報(bào)文。計(jì)數(shù)器值變化說明DSP收到門鈴消息后，讀取數(shù)據(jù)信息并處理完畢[1]。

信號(hào)環(huán)境模擬器可模擬連續(xù)波、脈沖、調(diào)頻、調(diào)相等各種體制的雷達(dá)信號(hào)，具備4個(gè)通道同時(shí)工作的能力，因此能模擬同時(shí)四分集信號(hào)和同時(shí)到達(dá)信號(hào)。模擬器接收DSP板實(shí)時(shí)生成的脈沖描述字(PDW)數(shù)據(jù)，按照每個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間(TOA)間隔和通道號(hào)將脈沖從對(duì)應(yīng)信號(hào)發(fā)射通道發(fā)出去。模擬器最終輸出到三元組面陣的喇叭天線，從面陣向三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上的被試設(shè)備輻射信號(hào)。

以太網(wǎng)交換機(jī)采用華為千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，傳輸速率10/100/1 000 Mbps。實(shí)時(shí)網(wǎng)交換機(jī)采用美國VMIC公司的ACC-5595反射內(nèi)存集線器，每個(gè)集線器有8個(gè)節(jié)點(diǎn)端口，可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。

信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)作為傳輸控制協(xié)議(TCP)客戶端，姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)和信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)作為TCP服務(wù)端，通過以太網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所有計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)網(wǎng)卡通過光纖連接到實(shí)時(shí)網(wǎng)交換機(jī)，形成星形連接，通過實(shí)時(shí)網(wǎng)中斷響應(yīng)和讀取數(shù)據(jù)區(qū)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件組成

信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)、姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)、時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的控制程序都包括Win界面程序和RTX實(shí)時(shí)程序兩部分，Win程序啟動(dòng)后自動(dòng)加載RTX程序，在Win程序中創(chuàng)建共享內(nèi)存和事件，在RTX程序中打開該共享內(nèi)存和事件，每個(gè)計(jì)算機(jī)的Win程序和RTX程序之間通過收發(fā)各種事件和讀寫共享內(nèi)存的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)的控制程序可以通過以太網(wǎng)和信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)的Win程序進(jìn)行非實(shí)時(shí)通信，通過實(shí)時(shí)網(wǎng)與信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)和時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的RTX程序進(jìn)行實(shí)時(shí)通信[2]。

信號(hào)顯控軟件在試驗(yàn)前主要完成戰(zhàn)情態(tài)勢(shì)設(shè)置功能，按照預(yù)先規(guī)劃的場景，設(shè)置一個(gè)被試設(shè)備和若干個(gè)信號(hào)平臺(tái)，信號(hào)平臺(tái)的載體類型包括陸基平臺(tái)、艦載平臺(tái)、機(jī)載平臺(tái)和彈載平臺(tái)。被試設(shè)備需要設(shè)置接收靈敏度等工作參數(shù)，每個(gè)信號(hào)平臺(tái)上配置若干個(gè)雷達(dá)輻射源信號(hào)，雷達(dá)信號(hào)參數(shù)包括載頻、重頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制、掃描、天線方向圖、發(fā)射功率、優(yōu)先級(jí)等。被試設(shè)備和信號(hào)平臺(tái)根據(jù)規(guī)劃場景設(shè)置各自的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行速度。戰(zhàn)情態(tài)勢(shì)設(shè)置完畢后，可進(jìn)行脫機(jī)預(yù)演，檢查是否符合要求。在試驗(yàn)過程中完成戰(zhàn)情態(tài)勢(shì)的試驗(yàn)流程控制、戰(zhàn)情態(tài)勢(shì)顯示，各信號(hào)平臺(tái)相對(duì)被試設(shè)備的方位、俯仰角和距離信息的解算功能，整個(gè)系統(tǒng)中只有該軟件需要人員操控。

姿態(tài)仿真解算軟件主要完成在試驗(yàn)開始時(shí)刻和每個(gè)50 ms節(jié)拍時(shí)提前解算下一個(gè)節(jié)拍的被試設(shè)備姿態(tài)信息，并通過實(shí)時(shí)網(wǎng)發(fā)送姿態(tài)信息給信號(hào)顯控軟件。每一個(gè)被試設(shè)備都單獨(dú)開發(fā)一個(gè)姿態(tài)信息解算動(dòng)態(tài)庫動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)程序，統(tǒng)一輸入和輸出接口，方便加載調(diào)用。

時(shí)統(tǒng)控制軟件主要完成在試驗(yàn)過程中定時(shí)發(fā)送50 ms中斷的功能。接收GPS/BD衛(wèi)星的秒脈沖信號(hào)，并在相鄰2個(gè)秒脈沖信號(hào)之間按50 ms間隔精確細(xì)分為20等份，在試驗(yàn)開始后通過實(shí)時(shí)網(wǎng)光纖在每個(gè)50 ms節(jié)拍時(shí)發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)到其他計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)網(wǎng)卡上。

信號(hào)源零槽控制軟件主要完成與信號(hào)顯控軟件、時(shí)統(tǒng)控制軟件和DSP的數(shù)據(jù)交互功能。通過以太網(wǎng)接收信號(hào)顯控軟件發(fā)送的初始化參數(shù)報(bào)文、雷達(dá)信號(hào)模式更新報(bào)文、雷達(dá)信號(hào)參數(shù)更新報(bào)文等，通過實(shí)時(shí)網(wǎng)接收時(shí)統(tǒng)控制軟件的試驗(yàn)開始、試驗(yàn)停止命令以及50 ms節(jié)拍命令。通過實(shí)時(shí)網(wǎng)接收信號(hào)顯控軟件發(fā)送的平臺(tái)航跡更新報(bào)文。信號(hào)源零槽控制軟件通過Rapidio接口與DSP進(jìn)行通信，DSP用來實(shí)時(shí)解算50 ms內(nèi)信號(hào)環(huán)境模擬器將要發(fā)出的PDW脈沖數(shù)據(jù)，并將解算結(jié)果發(fā)送給信號(hào)環(huán)境模擬器。

3 仿真試驗(yàn)流程

3.1 初始化過程

信號(hào)顯控Win程序加載戰(zhàn)情態(tài)勢(shì)并點(diǎn)擊“初始化”按鈕，通過以太網(wǎng)發(fā)送被試設(shè)備軌跡設(shè)置參數(shù)到姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)，發(fā)送雷達(dá)信號(hào)參數(shù)等報(bào)文到信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)。將解算初始時(shí)刻各信號(hào)平臺(tái)相對(duì)被試設(shè)備的方位、俯仰和距離信息，通過RTX程序?qū)懭雽?shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)2。

3.2 試驗(yàn)開始過程

在信號(hào)顯控Win程序點(diǎn)擊“試驗(yàn)開始”按鈕，因?yàn)辄c(diǎn)擊按鈕的時(shí)刻不可能剛好是時(shí)統(tǒng)卡50 ms的那個(gè)時(shí)刻，所以此時(shí)并非真的試驗(yàn)開始，必須把試驗(yàn)開始命令發(fā)送給時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的RTX程序，由它在下個(gè)50 ms節(jié)拍時(shí)再把試驗(yàn)開始命令發(fā)給其他計(jì)算機(jī)。信號(hào)顯控的RTX程序收到Win程序下發(fā)的試驗(yàn)開始事件后，通過實(shí)時(shí)網(wǎng)寫入試驗(yàn)開始命令(命令碼為1)到命令區(qū)，并發(fā)送中斷1到時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)。時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的RTX程序收到中斷1響應(yīng)后，讀取命令區(qū)，判斷命令碼為試驗(yàn)開始命令，便在下一個(gè)50 ms節(jié)拍到來后，立即發(fā)送中斷2到姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)和信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)，這2個(gè)計(jì)算機(jī)的RTX實(shí)時(shí)程序收到中斷2后，判斷命令碼為試驗(yàn)開始命令后便進(jìn)入試驗(yàn)開始狀態(tài)。

信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)收到試驗(yàn)開始命令后，從數(shù)據(jù)區(qū)2中讀取各信號(hào)平臺(tái)相對(duì)被試設(shè)備的方位、俯仰和距離信息，并通過Rapidio接口發(fā)送到DSP中，DSP實(shí)時(shí)解算50 ms內(nèi)的PDW脈沖數(shù)據(jù)。DSP解算流程如下：先把處于工作狀態(tài)的雷達(dá)信號(hào)按優(yōu)先級(jí)排序，根據(jù)雷達(dá)信號(hào)設(shè)置參數(shù)，各自生成50 ms內(nèi)的一串PDW數(shù)據(jù)隊(duì)列，每個(gè)PDW都有一個(gè)TOA時(shí)間值，再根據(jù)氣象參數(shù)、PDW的頻率、雷達(dá)信號(hào)平臺(tái)與被試設(shè)備的距離算出每個(gè)PDW的功率。如果低于被試設(shè)備靈敏度則丟棄該P(yáng)DW，DSP將隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)高的PDW分配到4個(gè)通道中的空閑通道，如果某一時(shí)刻有多于4個(gè)的PDW要發(fā)送，則舍棄優(yōu)先級(jí)低的PDW；如果優(yōu)先級(jí)一樣，則舍棄信號(hào)功率低的PDW。最終將所有的PDW按TOA時(shí)間發(fā)送給信號(hào)模擬器。

姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)收到試驗(yàn)開始命令后，提前解算50 ms之后被試設(shè)備的姿態(tài)信息，寫入實(shí)時(shí)網(wǎng)的數(shù)據(jù)區(qū)1中，并向信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)發(fā)送中斷3。信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)的RTX程序收到中斷3響應(yīng)后，讀取數(shù)據(jù)區(qū)1中被試設(shè)備的姿態(tài)信息，然后解算各信號(hào)平臺(tái)在50 ms之后的位置信息，并解算各信號(hào)平臺(tái)相對(duì)被試設(shè)備的方位、俯仰和距離信息，寫入實(shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)2。

3.3 試驗(yàn)運(yùn)行過程

試驗(yàn)開始后，時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)每個(gè)50 ms節(jié)拍在命令區(qū)寫入命令碼3，并發(fā)送中斷2到姿態(tài)仿真解算計(jì)算機(jī)和信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)行流程與時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出試驗(yàn)開始命令后的運(yùn)行流程一致。試驗(yàn)運(yùn)行過程中，信號(hào)源零槽控制計(jì)算機(jī)收到信號(hào)顯控計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)報(bào)文時(shí)，先存放在緩沖區(qū)中暫不處理，等待下一個(gè)50 ms的實(shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理完畢，再發(fā)送該以太網(wǎng)報(bào)文到DSP中，這樣就保證了系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性。

3.4 試驗(yàn)停止過程

在信號(hào)顯控Win界面程序點(diǎn)擊“試驗(yàn)停止”按鈕，試驗(yàn)停止操作流程和試驗(yàn)開始相似，命令碼為2。其他計(jì)算機(jī)的RTX程序收到時(shí)統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)停止命令后便進(jìn)入試驗(yàn)停止?fàn)顟B(tài)。

系統(tǒng)的試驗(yàn)流程如圖2所示。

系統(tǒng)中各個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)網(wǎng)卡的中斷和數(shù)據(jù)流如圖3所示。

4 結(jié)束語

Win程序+RTX程序模式既能滿足界面顯控操作要求，又能滿足實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)經(jīng)過多次測(cè)試，各個(gè)計(jì)算機(jī)的RTX實(shí)時(shí)程序和Vxworks程序都能嚴(yán)格按照50 ms節(jié)拍實(shí)時(shí)工作，為被試設(shè)備提供一個(gè)實(shí)時(shí)的復(fù)雜高密度雷達(dá)信號(hào)動(dòng)態(tài)環(huán)境。