基于VxWorks武控仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

孫茂義 王志恒

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

目前，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已在導(dǎo)彈武控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)中得到較大范圍的應(yīng)用，VxWorks操作系統(tǒng)具有豐富的接口資源、支持多任務(wù)并行和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使它成為了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的最優(yōu)選擇之一［1～2］。導(dǎo)彈武控系統(tǒng)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中火力單元作戰(zhàn)控制的最核心部分，主要用于響應(yīng)指揮控制系統(tǒng)的各種命令和消息，處理探測系統(tǒng)中的各種信息，組織武控系統(tǒng)火力配置并控制導(dǎo)彈武器發(fā)射。隨著科技的進(jìn)步，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對(duì)于武控系統(tǒng)功能要求越來越多，性能要求越來越高，在實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜任務(wù)功能的同時(shí)又必須保證任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性。將VxWorks嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于導(dǎo)彈武控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)之中，通過多任務(wù)并行的合理設(shè)計(jì)能夠提高導(dǎo)彈武器控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性［3］。

在評(píng)定武控系統(tǒng)性能時(shí)，傳統(tǒng)做法是通過大量試驗(yàn)來驗(yàn)證其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)是否合格。受各種試驗(yàn)條件的制約，部分性能無法使用試驗(yàn)充分檢驗(yàn)，某些復(fù)雜使用條件僅僅依靠小子樣的試驗(yàn)，更難以對(duì)武控系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)定。因此，按照試驗(yàn)為主、仿真為輔的評(píng)定思路，項(xiàng)目組開展了基于以太網(wǎng)和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的武控仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，對(duì)武控系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)、合理的評(píng)定［4～5］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

武控仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)硬件采用基于高速以太網(wǎng)的分布式體系結(jié)構(gòu)［6～8］，主要包括：1個(gè)武器控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)信息接口節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)指揮系統(tǒng)仿真節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)仿真節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)信息采集及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)仿真態(tài)勢顯示節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)、1個(gè)數(shù)據(jù)管理節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

武控仿真系統(tǒng)軟件主要由VxWorks操作系統(tǒng)、武器控制模型、指控系統(tǒng)模型、導(dǎo)航系統(tǒng)模型、信息接口協(xié)議、管理軟件、配套軟件和分布式仿真軟件開發(fā)運(yùn)行環(huán)境組成。

2.2 系統(tǒng)功能

1）系統(tǒng)具有導(dǎo)彈武控系統(tǒng)仿真、武控系統(tǒng)作戰(zhàn)過程及信息交互過程仿真的功能，能夠擴(kuò)展應(yīng)用于其他導(dǎo)彈武控系統(tǒng)仿真。

2）系統(tǒng)具有對(duì)潛艇平臺(tái)環(huán)境進(jìn)行仿真的功能。能夠模擬外圍目標(biāo)環(huán)境，配合導(dǎo)彈武控系統(tǒng)進(jìn)行仿真和測試；能夠通過設(shè)計(jì)不同外圍條件的軟件測試用例，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)潛艇武控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件的評(píng)估分析。

3）系統(tǒng)具有向數(shù)字仿真系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)控制命令和數(shù)據(jù)裝訂信息的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的虛擬發(fā)射與控制，并接收返回的狀態(tài)信息。

4）系統(tǒng)能夠與導(dǎo)彈武控系統(tǒng)實(shí)裝連接，具有實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)裝武控系統(tǒng)仿真激勵(lì)輸入的功能；能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈武控系統(tǒng)實(shí)裝接口實(shí)時(shí)向?qū)棓?shù)字仿真系統(tǒng)發(fā)送武控系統(tǒng)實(shí)裝數(shù)據(jù)信息的功能。

5）系統(tǒng)具有武控系統(tǒng)（實(shí)裝/仿真）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、錄取、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能；能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放；能夠在線搜索、使用武控系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)。

6）系統(tǒng)能夠通過模型封裝，將導(dǎo)彈武控系統(tǒng)在線仿真系統(tǒng)以武控組件形式加入試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)武控組件的初始化和信息的訂購與發(fā)布。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)基于VxWorks嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示［9～10］。

圖2 VxWorks操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Vx Works是一個(gè)十分高效、資源豐富的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢包括：

1）具有十分高效的程序代碼；

2）具有非常豐富的接口資源；

3）具有良好的移植性，可適應(yīng)多種不同的硬件平臺(tái)。

4 系統(tǒng)建模

4.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型主要包括：

1）導(dǎo)航系統(tǒng)模型；2）目標(biāo)信息模型；3）潛艇運(yùn)動(dòng)信息模型；4）武器控制模型；5）氣象信息模型；6）航路規(guī)劃模型；7）系統(tǒng)授時(shí)模型；8）指揮控制模型。

4.2 數(shù)學(xué)模型的校驗(yàn)

通過對(duì)數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，來二次修正數(shù)學(xué)模型。利用實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性的一致性比對(duì)，包括導(dǎo)彈經(jīng)緯高、姿態(tài)及特征值的譜特性［11］。

綜合采用定性、定量分析方法，將仿真模型計(jì)算輸出的數(shù)據(jù)等與導(dǎo)彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。其中定性分析是通過計(jì)算導(dǎo)彈試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的TIC不等式系數(shù)和相關(guān)系數(shù)給出驗(yàn)證結(jié)論；定量分析是通過功率譜估計(jì)方法中的最大熵譜估計(jì)法對(duì)導(dǎo)彈試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的相容性進(jìn)行檢驗(yàn)，最后綜合定性和定量分析結(jié)果，給出導(dǎo)彈武控系統(tǒng)模型的驗(yàn)證結(jié)論。

4.3 仿真精度控制方法

設(shè)統(tǒng)計(jì)量X服從正態(tài)分布N(μ,σ2)，今由X的一組樣本X1，X2，…，Xn，對(duì) μ，σ估值（無偏估值）：

判斷在已知置信度的情況下，統(tǒng)計(jì)量估計(jì)值是否在合適的置信區(qū)間內(nèi)，并由此來判斷仿真精度控制是否滿足試驗(yàn)要求［12］。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 武器控制模擬節(jié)點(diǎn)軟件

武器控制模擬節(jié)點(diǎn)軟件由主模塊、導(dǎo)彈控制模塊、發(fā)控單元接口模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、報(bào)文解包模塊、人機(jī)交互模塊、單步指令發(fā)送模塊、軟件流程執(zhí)行模塊、WXML解釋器和軟件流程腳本組成。武器控制模擬節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 武器控制模擬節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)

武器控制模擬節(jié)點(diǎn)軟件工作流程如圖4所示。

圖4 武器控制模擬節(jié)點(diǎn)軟件工作流程

5.2 輔助節(jié)點(diǎn)軟件

1）艇指系統(tǒng)仿真及目標(biāo)模擬軟件

艇指系統(tǒng)仿真及目標(biāo)模擬軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)入主模塊，初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)，創(chuàng)建并初始化各組成模塊對(duì)象，啟動(dòng)運(yùn)行各模塊中的線程，顯示人機(jī)交互界面。通過人機(jī)交互模塊，完成態(tài)勢數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)和特殊區(qū)域數(shù)據(jù)的設(shè)定，顯示接收到的狀態(tài)信息，并能通過人機(jī)界面完成導(dǎo)彈的發(fā)射流程控制，艇指系統(tǒng)仿真及目標(biāo)模擬軟件選擇退出后，主模塊終止各運(yùn)行線程，釋放各組成模塊占有資源，并退出軟件運(yùn)行。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 艇指系統(tǒng)仿真及目標(biāo)模擬軟件體系結(jié)構(gòu)

2）導(dǎo)航系統(tǒng)仿真及時(shí)統(tǒng)軟件

導(dǎo)航系統(tǒng)仿真和時(shí)統(tǒng)軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)入主模塊，初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)，創(chuàng)建并初始化各組成模塊對(duì)象。通過導(dǎo)航接口模擬模塊，完成數(shù)據(jù)的設(shè)定和轉(zhuǎn)換，通過時(shí)統(tǒng)模擬模塊接收授時(shí)服務(wù)器發(fā)送的時(shí)間統(tǒng)一信息，并能通過以太網(wǎng)向信息接口節(jié)點(diǎn)發(fā)送導(dǎo)航信息、時(shí)統(tǒng)信息，同時(shí)在人機(jī)界面上顯示，導(dǎo)航系統(tǒng)仿真和時(shí)統(tǒng)軟件選擇退出后，主模塊終止各運(yùn)行線程，釋放各組成模塊占有資源，并退出軟件運(yùn)行。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 導(dǎo)航系統(tǒng)仿真及時(shí)統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

3）信息采集及轉(zhuǎn)發(fā)軟件

軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)入主模塊，顯示模式選擇界面，選擇工作模式后，啟動(dòng)相應(yīng)模式，初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)，創(chuàng)建并初始化各組成模塊對(duì)象，啟動(dòng)運(yùn)行各模塊中的線程，通過人機(jī)交互模塊，完成該模式下的相應(yīng)功能；選擇退出后，終止各運(yùn)行線程，釋放各組成模塊占有資源，并退出軟件運(yùn)行。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 信息采集及轉(zhuǎn)發(fā)軟件體系結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

基于上述設(shè)計(jì)，仿真系統(tǒng)集成調(diào)試之后，綜合采用定性、定量分析方法，將仿真模型計(jì)算輸出的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，通過計(jì)算驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型和控制流程的正確性，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)一致性好，且數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)錄取正確。仿真結(jié)果表明武控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理、正確，實(shí)現(xiàn)了全部總體功能，可信度較高。