RTX與衛(wèi)星時統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時間控制?

張 遠

（中國人民解放軍92941部隊93分隊 葫蘆島 125001）

RTX與衛(wèi)星時統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時間控制?

張 遠

（中國人民解放軍92941部隊93分隊 葫蘆島 125001）

對基于衛(wèi)星時統(tǒng)和RTX進行導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時間控制方法進行了說明，論述了仿真時間控制技術(shù)原理，介紹了仿真時間控制環(huán)境配置，闡述了仿真時間控制方案，重點對Win32線程、RTSS線程、RTX信號量和中斷函數(shù)的協(xié)同處理過程進行了詳細說明，介紹了時統(tǒng)與RTX控制方法的工程實現(xiàn)及應(yīng)用，說明了基于時統(tǒng)與RTX的時間控制方法的應(yīng)用前景。

艦面設(shè)備；衛(wèi)星時統(tǒng)；RTX；仿真時間；信號量

1 引言

導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真系統(tǒng)開發(fā)中，由于設(shè)備仿真節(jié)點多，艦空艦面設(shè)備仿真節(jié)點約10～20個節(jié)點，必須解決時間精度控制和時間同步控制問題。目前，導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿真時間控制方法根據(jù)操作系統(tǒng)不同而有區(qū)別：方法一，用VxWorks實時操作系統(tǒng)，直接配合時統(tǒng)設(shè)備完成時間統(tǒng)一；方法二，用Windows操作系統(tǒng)，通過HLA仿真等技術(shù)進行邏輯時間統(tǒng)一。上述仿真時間控制方法存在如下缺點：方法一由于基于VxWorks進行系統(tǒng)開發(fā)，其上位機和下位機的構(gòu)架增加了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和成本［1］，擴展性和維護性差并且使用范圍有限，仿真系統(tǒng)界面過于簡單、仿真控制功能實現(xiàn)困難；方法二基于Windows進行系統(tǒng)開發(fā)，使用計算機系統(tǒng)時鐘，雖然仿真系統(tǒng)界面及功能強大，但基于消息隊列響應(yīng)模式的Windows XP應(yīng)用軟件不具備實時性，PC機系統(tǒng)時鐘時間分辨率低，時間漂移率約為60ms∕h，時間同步精確一般15ms［2］。因此，上述兩種單一仿真方法無法滿足實裝在線仿真測試、作戰(zhàn)仿真推演、系統(tǒng)訓(xùn)練等實時性要求較高的仿真需求。

美國Ardence公司的RTX，在Windows平臺上提供了一個實時子系統(tǒng)RTSS，對Windows下HAL進行了擴展，形成與Windows并行的實時子系統(tǒng)，實現(xiàn)獨立的內(nèi)核驅(qū)動模式，并通過IPC完成進程通信，從而實現(xiàn)確定性的實時線程調(diào)度、實時環(huán)境［3］。RTX擴展HAL下，提供最小0.1μs的時鐘精度，從而保證了實時處理的實時性和時間精度。

2 時間控制技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 RTX實時任務(wù)處理

作為面向大眾市場的Windows XP操作系統(tǒng)，當應(yīng)用程序事先聲明其資源需要實時性的時候，由于實時性功能的復(fù)雜性，靠Windows完成實時功能不具有可行性［4］。而只能通過類似RTX的實時擴展或由插件實現(xiàn)實時性［5］。Windows加載RTX進行實時化擴展后，保證系統(tǒng)的多優(yōu)先級多線程調(diào)度、可預(yù)測線程同步機制、快速的時鐘和定時器等特性。在時間控制方面，首先通過精度達到0.1μs的時間控制粒度，保證時間精度；其次，通過可控定時器實現(xiàn)微秒級高精度的周期定時，為實現(xiàn)基于周期實時任務(wù)的處理奠定基礎(chǔ)。RTX通過一套RtWinApi的實時API提供訪問方法，允許應(yīng)用程序在更加友好的Win32環(huán)境中而不是DDK環(huán)境中進行開發(fā)［6］。實時程序中對實時資源應(yīng)用更加密集的部分在RTSS環(huán)境下運行，應(yīng)用中對實時性任務(wù)要求不高的部分運行在Win32環(huán)境下。Windows和RTSS之間通過IPC通信，通過事件、信號量和共享內(nèi)存等方式實現(xiàn)。

2.2 基于衛(wèi)星時統(tǒng)實現(xiàn)時間統(tǒng)一

在導(dǎo)彈艦面設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)各節(jié)點中，通過配置體積小、價格低、系統(tǒng)開發(fā)支持方便的GPS或BDS衛(wèi)星天線、時統(tǒng)主卡和用戶卡，秒脈沖電纜插入相關(guān)仿真節(jié)點的時統(tǒng)主卡∕從卡，連接以太網(wǎng)網(wǎng)線，提供精度納秒級準秒脈沖和最小單位到毫秒的秒脈沖時間數(shù)據(jù)報文。如果節(jié)點數(shù)量較多，需要通過時統(tǒng)信號分路器實現(xiàn)秒脈沖信號的分路，時統(tǒng)秒脈沖系統(tǒng)能保證時間信號的統(tǒng)一和準確；同時，在這些仿真節(jié)點中，通過網(wǎng)卡，實現(xiàn)時統(tǒng)時間網(wǎng)絡(luò)報文的發(fā)送和接收?；贕PS時統(tǒng)主卡、從卡硬件系統(tǒng)和網(wǎng)卡，通過模擬信號線、網(wǎng)線將導(dǎo)彈火控系統(tǒng)各仿真節(jié)點互連在一起，包含主卡的仿真節(jié)點通過發(fā)送秒脈沖和網(wǎng)絡(luò)時間報文，為整個仿真系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間基準［7］。綜合采用VC、GPS時統(tǒng)和RTX混合開發(fā)技術(shù)，通過開發(fā)的應(yīng)用軟件實現(xiàn)對本仿真節(jié)點計算機時間的校正，經(jīng)過校準后的時間直接用于形成精確仿真數(shù)據(jù)時戳，從而保證仿真數(shù)據(jù)時間上高度一致性。

2.3 Windows與RTX進程協(xié)同

Windows與RTX通過HAL和擴展HAL實現(xiàn)中斷隔離，Windows線程和Windows管理的設(shè)備不可能中斷 RTSS，也不能屏蔽 RTSS 管理的設(shè)備［8］，Win32進程與RTSS進程通過IPC進行協(xié)同。例如，RTSS實時任務(wù)中，與Win32進程有關(guān)的函數(shù)和變量均通過共享內(nèi)存區(qū)、信號量進行實時處理；非實時任務(wù)中需要的實時數(shù)據(jù)及變量也通過共享內(nèi)存區(qū)變量、信號量獲?。?］。在實時時間控制應(yīng)用中，界面顯示、功能實現(xiàn)及其它非實時任務(wù)，以Windows操作系統(tǒng)的消息響應(yīng)處理機制為框架進行實現(xiàn)，結(jié)合加載于Windows的RTX實時內(nèi)核的精確時間定時器控制和消息信號量控制，實時獲取與時統(tǒng)中斷信號相統(tǒng)一的標準時間網(wǎng)絡(luò)報文，通過線程、中斷函數(shù)和函數(shù)處理流程的科學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)對導(dǎo)彈艦面設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)各節(jié)點的實時時間協(xié)同控制。

3 基于共享信號量的時間控制

基于衛(wèi)星時統(tǒng)、Windows和RTX利用VC開發(fā)平臺實現(xiàn)時間控制，需要實現(xiàn)一套基于時統(tǒng)與RTX的仿真時間校正控制方法，包括仿真系統(tǒng)準秒脈沖中斷處理方法、時間校準線程設(shè)計方法、定時器設(shè)置方法、回調(diào)函數(shù)設(shè)計方法、時統(tǒng)時間報文接收線程設(shè)計方法等，基本流程見圖1。

圖1 時間校正處理流程圖

時間控制的核心內(nèi)容是根據(jù)信號量完成時間RTSS線程和Win32線程的協(xié)同，具體控制內(nèi)容包括衛(wèi)星準秒處理和定時器處理兩部分，實現(xiàn)精確時間同步和準確定時周期［7］。定義如下單值信號量：準秒中斷信號量（簡稱A）、20Hz周期設(shè)置信號量（簡稱B）、1s整秒校時信號量（簡稱C）；定義共享內(nèi)存區(qū)系統(tǒng)時間變量。

3.1 Win32和RTSS進程主函數(shù)處理

RTSS進程主函數(shù)中，創(chuàng)建準秒中斷信號量A；打開Windows進程中創(chuàng)建的信號量：周期設(shè)置信號量B、整秒校時信號量C；創(chuàng)建共享內(nèi)存中時間變量；創(chuàng)建20Hz定時器（每次執(zhí)行一個周期）；打開時統(tǒng)卡，設(shè)置準秒脈沖中斷響應(yīng)函數(shù)。

Win32進程主函數(shù)中，創(chuàng)建周期設(shè)置信號量B、整秒校時信號量C；打開Windows進程中創(chuàng)建的信號量：周期設(shè)置信號量B、整秒校時信號量C；打開共享內(nèi)存中時間變量；啟動Windows程序的Win32整秒校正線程；啟動RTX程序RTSS進程?；谛盘柫康木€程間協(xié)同過程見圖2。

圖2 基于信號量的線程協(xié)同示意圖

3.2 RTX準秒脈沖中斷響應(yīng)處理

包含GPS從卡各仿真節(jié)點在準秒脈沖到達后，啟動RTSS進程時統(tǒng)中斷響應(yīng)函數(shù)。中斷函數(shù)為回調(diào)函數(shù)，用戶時統(tǒng)卡產(chǎn)生中斷時自動調(diào)用此函數(shù)。

仿真系統(tǒng)定周期運行（假定控制節(jié)點周期為100ms、設(shè)備仿真節(jié)點周期50ms），當系統(tǒng)定時器計時到最后一個周期（第10或20）時，正常情況下應(yīng)該收到準秒中斷進行整秒同步。但是，由于準秒到達時間以及Windows定時器存在一定的誤差，導(dǎo)致準秒可能稍晚到達。調(diào)整定時器間隔，增加等待準秒一定時間延遲到達，或者準秒稍早到達（例如3ms以內(nèi)），則判定準秒到達正常。在準秒脈沖正常到達的情況下，在中斷處理函數(shù)中，釋放準秒中斷信號量A、整秒校時信號量C，允許啟動準秒校時線程，進行整秒時間校準，無須等待。否則，如果準秒脈沖到達異常，舍棄本次中斷處理。

3.3 RTX定時器設(shè)置線程進行定時器設(shè)置

周期定時器設(shè)置線程等到準秒中斷信號量A后，進行舊定時器清除處理，并設(shè)置新的定時器。同時釋放周期設(shè)置信號量B，設(shè)置一次執(zhí)行一個定時器周期，開始一個定時周期的執(zhí)行。

定時器回調(diào)函數(shù)根據(jù)獲取∕釋放周期設(shè)置信號量B，根據(jù)周期設(shè)定值（10Hz或20Hz），定時調(diào)用回調(diào)函數(shù)進行定時運行。定時器回調(diào)函數(shù)在等到信號量B后，進行定時周期判別，在周期計數(shù)器已經(jīng)超過最后周期數(shù)后，正常情況下應(yīng)該收到準秒進行整秒同步，由于準秒到達時間以及定時器存在誤差，表明秒脈沖沒有到達，通過延長本周期3ms（具體門限可根據(jù)實際需要進行設(shè)置）方法等待準秒脈沖的到達；否則，沒有執(zhí)行完定時器的周期，釋放定時器周期信號量繼續(xù)執(zhí)行一個定時周期。當定時器計時到最后一個周期時，如果準秒稍早到達，則通過定時器設(shè)定線程，啟動定時器回調(diào)函數(shù)正常進行定時器周期計數(shù)清零、重新開始工作。

3.4 Win32整秒校時處理線程校時

Win32整秒校準線程等到整秒校準信號量C后，進行時統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時碼報文數(shù)據(jù)有效性判別，若數(shù)據(jù)正常，并且連續(xù)10次有效，按該報文數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)時間校準，修改共享內(nèi)存中的時間變量，進行本機準秒時間更新，設(shè)置新的系統(tǒng)時間。否則，舍棄根據(jù)本次時間報文進行系統(tǒng)時間校準處理。網(wǎng)絡(luò)時碼數(shù)據(jù)有效性通過計算網(wǎng)絡(luò)時碼報文中時間數(shù)據(jù)差進行判斷，如果上次收到的時間和本次收到時間數(shù)據(jù)差為1s或者-86399s（跨24時處理），網(wǎng)絡(luò)時碼報文數(shù)據(jù)有效。

4 實踐應(yīng)用

進行GPS時統(tǒng)+RTX仿真時間控制的導(dǎo)彈艦面設(shè)備仿系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)環(huán)境相對簡單，包括：安裝了時統(tǒng)卡的各仿真節(jié)點安裝VC2005、安裝RTX7.1的Runtime和SDK、安裝GPS時統(tǒng)卡驅(qū)動和其SDK，在Windows和RTX混合開發(fā)環(huán)境下基于VC開發(fā)平臺進行開發(fā)。開發(fā)完成后選擇進入“Microsoft Windows XP Professional-RTX MP Dedicated”啟動項，啟動加載了RTX內(nèi)核的Windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境，以RTSS進程和Win32進程聯(lián)合運行方式進行應(yīng)用。

基于GPS時統(tǒng)+RTX+VC時間控制方法，成功運用于兩型艦空導(dǎo)彈艦面設(shè)備1：1數(shù)字仿真系統(tǒng)（仿真節(jié)點數(shù)25個）研制，在仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計、流程關(guān)系設(shè)計和接口設(shè)計中進行了實現(xiàn)。該方法首先提高了時間處理精度，從1ms到0.1μs；其次提高了定時器周期精度及單周期可控執(zhí)行；最后應(yīng)用Windows的MFC強大資源實現(xiàn)其它非實時性功能及界面任務(wù)。該方法成功保證了仿真時間的精度和同步，同時保證了作戰(zhàn)任務(wù)解算等實時任務(wù)的實時性。應(yīng)用該方法研制的仿真系統(tǒng)成功應(yīng)用于兩型艦空導(dǎo)彈武器裝備的研制、導(dǎo)彈批檢等試驗，成功進行了內(nèi)場全數(shù)字仿真、內(nèi)場數(shù)字∕半實物仿真和內(nèi)外場聯(lián)合試驗，完成了大量武器系統(tǒng)鑒定、試驗方案推演和系統(tǒng)訓(xùn)練等工作，取得了巨大的軍事和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

基于衛(wèi)星時統(tǒng)與RTX的導(dǎo)彈火控系統(tǒng)數(shù)字仿真時間校正方法，繼承了Windows應(yīng)用程序界面友好、功能強大、維護及擴展性好、開發(fā)成本低的優(yōu)點，同時具備了基于VxWorks系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)崟r性好的優(yōu)點，滿足導(dǎo)彈火控系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)時間控制精度及實時性要求，解決原有方法開發(fā)成本、功能界面、時間校正精確性、維護性和擴展性等方面的矛盾和不足，為多節(jié)點導(dǎo)彈艦面設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)提供一種易于實施的仿真時間控制方法。VC軟件平臺和RTX-SDK開發(fā)技術(shù)成熟、軟件支持廣泛、易于開發(fā)，在確保仿真系統(tǒng)功能、性能和界面均滿足仿真試驗要求的同時，可以明顯降低研制及后續(xù)升級成本，而且具有更加良好的升級改造潛力。本方法同樣適用于其它基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)研制，也可應(yīng)用于涉及時間校正的其它數(shù)字仿真領(lǐng)域。

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Time Control Method of Shipboard Equipment Simulation Based on Satellite Unified Timing and RTX

ZHANG Yuan
（Unit 93，No.92941 Troop of PLA，Huludao 125001）

A time control method in shipboard equipment simulation based on satellite unified timing and RTX is introduced.The technical principle of control to simulation time is analysed.The configuration entironment of control to simulation time is introduced.The control scheme to simulation time is expatiated on.The coordinated processing logic of Win32 thread、RTX mutual exclusive semaphore and interuput function is illuminated emphatically.The engineering realization and application of control method about simulation time is introduced.The application expectation of simulation time control method based on satellite unified timing and RTX is explained.

shipboard equipment，satellite unified timing，RTX，simulation time，RTX semaphore

TP391.9

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.018

Class Number TP391.9

2017年4月10日，

2017年5月28日

張遠，男，碩士，高級工程師，研究方向：戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器裝備試驗。