VxWorks炮兵閉環校射系統地面信息處理終端

顧 統,李 巖,于佳興，薛明昊

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院， 南京 210094;2.遼寧工業集團有限公司 研發中心設計二所， 沈陽 110045)

隨著現代科學技術的進步，21世紀的戰爭必然屬于信息化戰場。錯綜復雜的作戰環境對精確打擊提出了越來越高的要求。傳統炮兵校射方法，需要派遣觀察所，安全性低，快速反應能力差[1]。在閉環校射系統中，彈道探測系統可以實時獲取彈丸坐標和彈道相關參數并將獲取的數據傳輸給地面信息處理終端，地面終端能夠快速的對數據進行處理，獲取實時彈丸坐標，繪制彈丸運動軌跡，并由獲取的一段彈道軌跡預推彈丸落點。最后，將落點偏差得到的射擊諸元修正量傳輸到火控系統，火控隨動系統調炮到位實施下一發炮彈射擊，整個過程是一個快速、自主、高精度的閉環回路[2]。地面信息處理終端是校射系統信息的反饋環節，連接火控系統的樞紐。閉環校射系統克服了傳統校射的不足，能夠自主獲取偏差大小，實現閉環校射。使用閉環校射系統，可以大幅度提高作為低成本的、壓制火力的、無控彈箭的射擊精度和作戰效能，實現使用無控彈箭精確打擊的目的，對于大幅度、快速提升炮兵戰斗力具有重大意義[3]。

基于戰場的特殊環境，空中飛行的彈丸有可能是數十發，地面解算終端涉及多發彈丸軌跡數據的同時處理。因此，地面終端具備多彈發丸彈道解算、多彈道圖像輸出、實時信息交互的功能，能夠為作戰人員了解戰爭形勢，優化作戰方式提供條件。

1 系統設計

為了解決地面信息處理終端多彈道快速解算、多任務實時處理、人機信息交互等問題，硬件平臺采用飛思卡爾公司的P1010處理器，P1010是QorIQ系列通信處理器的一款入門級兩核處理器芯片，具有性價比高、低功耗、高性能的特點，內部為e500v2內核，基于Power Architecture?技術[4]。該處理器的主頻是600 MHz，支持串行通訊。

軟件平臺選用Wind River公司開發VxWorks作為實時操處理作系統，具備高可靠性、高性能和良好的擴展性[5]，能夠解決多任務快速處理。此外，為了方便作戰人員操作，掌握戰爭態勢，選用嵌入式觸摸屏作為圖像輸出和指令輸入平臺。嵌入式觸摸屏具備良好的界面設計和組態環境，能夠實現單發甚至多發彈丸的坐標數據、軌跡實時顯示，支持以太網通訊和USB程序下載，為后期程序維護奠定基礎。處理器與嵌入式觸摸屏采用RJ-45物理接口，彈道探測系統和火控系統均采用RS-232接口。炮口零時采用紅外觸發方式記錄彈丸發射時間，北斗授時能夠保證系統時間的準確性。框架圖如圖1。

地面終端信息處理流程如圖2所示，彈道探測系統接收到彈丸數據后，將數據打包，采用串行通信方式，把經、緯、高、速度、星數等相關彈丸飛行參數傳輸給地面解算終端。地面數據解算終端對彈丸飛行相關參數進行讀取、校驗、存儲。之后將這些彈丸參數用于彈道解算，實現彈丸落點預判，將實時獲取的彈丸軌跡坐標與推算出的彈丸落點在嵌入式觸摸屏上形成彈道軌跡顯示圖、彈丸實時運動參數統計表和彈丸落點示意圖。利用彈道數學模型解算出射擊諸元修正量，形成射角、射偏等控制參數輸入給火控系統。

2 地面解算終端多任務設計與實現

地面終端的設計核心在于軟件設計，多任務的實現難度較大，本文重點從任務劃分與調度來論述，并對彈道運動參數實時獲取、人機信息交互兩個主要信息處理任務進行詳細敘述。地面終端采用的操作系統具備高度可裁剪的微內核結構，較小的系統開銷、高效而精練的系統公用程序和多種任務調度機制[6]，能夠實現多任務實時處理。人機信息交互系統所采用以太網通信得益于其強大的網絡功能支持，適用于多種物理介質的TCP/IP協議族，支持常用的基于TCP/IP協議的應用層協議[7]。

2.1 多任務劃分

根據上述地面終端信息處理流程，本次設計主要劃分為五個任務，分別是系統初始化任務、彈丸運動參數實時獲取任務、彈道解算與落點預推任務、人機信息交互任務、火控指令發送任務。

1) 系統初始化任務主要包括串口初始化、網口初始化以及彈道參數的初始化，針對每個串口及以太網口創建消息隊列，并分別對每個消息隊列創建實現互斥操作的二進制信號量。參數初始化主要是對彈道解算所需要的變量賦初值。需要首先執行，優先級最高。

2) 彈丸運動參數實時獲取任務主要是讀取、校驗和存儲彈道探測系統傳輸的彈丸相關參數。該任務具備較高的優先級，能夠保證及時有效的獲取彈丸實時運動參數，增強系統的實時性。

3) 彈道解算與落點預推任務主要是實現對彈丸運動軌跡的解算。采用剛體6DOF彈道模型，當彈丸初始發射條件確定時，可以預先獲取彈丸落點和彈丸軌跡空間坐標，彈丸發射后，能夠根據彈道探測系統獲取的實時坐標修正彈丸落點。每當獲取到新的一發彈丸數據，解算終端都會創建一個新的彈道解算任務。每一個彈道解算任務優先級相同。

4) 人機信息交互任務主要完成圖像輸出和操作指令輸入，采用Modbus TCP/IP通信協議。該任務建立處理器與嵌入式觸摸屏的通訊連接，實現處理器與觸摸屏的數據交互，并將彈丸相關飛行數據以彈丸實時軌跡圖、落點分布圖等在觸摸屏上展示。和其它任務相比，實時性要求最低。

5) 火控指令發送任務主要是由彈丸落點誤差形成相應射擊諸元修正量，并將射擊諸元修正量按照給定的協議發送給火控系統，實現下一次彈丸校射。

2.2 任務優先級設定與調度

Wind內核中具備256種不同的優先級，驅動程序任務優先級位于51～99，由于系統函數netTask任務優先級是50，一旦任務出錯，網絡連接就會死機，并無法使用Tornado工具進行調試，所以應用任務優先級應設置在100～255之間。系統任務優先級設置如表1所示。

表1 系統任務優先級設定

此次設計綜合使用兩種調度算法分別是基于優先級搶占式調度算法和循環調度算法。基于優先級搶占式調度算法原則是當一個新任務優先級高于當前執行任務的優先級，優先級較低的任務將會被搶占，優先級較高的將會搶占CPU執行，系統內核切換到高優先級的上下文當中。這就是意味著優先級更高的任務可以被系統及時處理，保證系統的實時性。

循環調度算法能夠實現相同優先級的任務共享CPU，均等享有任務執行的時間。當空中有多發彈丸飛行時，地面終端創建多個彈道解算任務，每一個任務按照時間輪轉的方式，依次執行一個時間片，各個任務循環執行[8]，實現多發彈丸快速解算。在該算法下，只有相同優先級的任務全部的被執行一遍后，才會有任務獲得第二個時間片，增強地面終端對多發彈丸數據處理能力。循環調度算法對任務的上下文切換能力與內存的分配不會產生影響。

2.3 任務間通信機制

采用基優先級的任務調度中，能夠提高的系統實時性，但是當任務間面對臨界資源競爭時會產生優先級翻轉，讓優先級高的任務等待優先級低的任務。使用任務間通信機制可以加強對任務的控制。在VxWorks系統中提供共享內存、信號量、消息隊列和管道多種通信機制。信號量能夠實現對共享數據的鎖定，解決任務對臨界資源訪問的互斥與同步。地面信息處理終端獲取到彈丸相關參數后，對數據處理后并將數據組成消息發送到彈道解算與落點預推任務；火控指令發送任務讀取彈道解算與落點預推任務發來的消息隊列，將消息隊列數據讀取解算出射擊諸元修正量，按照協議格式發送到火控系統[9]。

2.4 彈丸運動參數實時獲取任務

地面解算終端與彈道探測系統的通信協議每幀共51個字節，通信頻率為10Hz，數據校驗為和校驗方式，每幀數據主要包括速度、經度、緯度、高度、上電時間、PDOP等相關位置參數，使用115200波特率。

VxWorks中使用read()函數進行串口數據讀取。由于每一幀數據字節長度較長，地面解算設備對實時性要求很高，減少系統數據讀取的時間尤為必要。VxWorks中tickGet()可以獲取當前系統運行的時間，通過兩次讀取tickGet()做出差值可以獲得串口一次讀取數據的時間。設計結果表明，每次讀取一個字節，讀滿51字節跳出串口數據讀取，每一幀數據可以完整獲取，并且用時最少。獲取的數據經過數據校驗、野值剔除、平滑濾波，最終用于彈道解算。彈丸運動參數實時獲取任務流程如圖3所示。

彈道飛行探測系統用來實時獲取彈丸坐標信息，隨著彈丸飛行距離的增加和其他因素的干擾，數據傳輸難免會出現丟幀，地面解算終端無法實時獲取當前彈丸空間運動坐標。為了解決這一問題，實時推算彈丸坐標信息，選用3DOF質點彈道模型，采用四階龍格庫塔法，把丟失幀的上一幀的彈丸坐標數據作為積分起點，推算出數據丟失幀的彈丸空間坐標數據。選用較為計算量較小3DOF質點彈道模型和四階龍格庫塔法，能夠滿足實時性和精度要求，實現彈丸空間運動坐標不間斷實時獲取與顯示。直角坐標系下，3DOF彈丸質心運動方程如下：

(1)

2.5 人機信息交互系統軟件設計

人機信息交互系統以嵌入式觸摸屏為操作平臺，具備指令輸入和信息顯示等功能。彈道方程解算出彈丸空間坐標數據需要和嵌入式觸摸進行數據交互，多發彈丸的彈道軌跡、落點、運動參數需要實時在嵌入式觸摸屏上顯示。為了便于作戰人員操作，簡潔直觀反映彈丸運動特性，人機界面能夠實現多發彈丸3D運動軌跡實時顯示。

人機信息交互系統在多發彈丸軌跡顯示時大量數據需要存取，為了提高人機交互系統的實時性，保證數據傳輸的穩定性，選用Modbus TCP/IP通信協議。嵌入式觸摸屏為客戶端，采用VxWorks操作系統P1010處理器作為服務器端。

嵌入式觸摸屏的軟件設計主要包括設備組態、地址選取、界面布局和圖形繪制算法優化四個方面[11]，實現對處理器P1010解算出的彈道數據讀取和指令的輸入。通訊協議僅使用了一區和四區Modbus功能碼，簡化了服務器端的程序，提高代碼的執行效率。此外，嵌入式觸摸屏的數據收發頻率選用16～18 Hz為宜，傳輸頻率不宜過低，否則數據通信的延遲較大，降低人機信息交互系統的實時性。

在彈道解算曲線中需要顯示輸入射擊點諸元后彈丸軌跡，彈道解算模型積分步長為0.002，每積分一個步長便輸出一次彈丸圖像軌跡，會降低系統實時性，增加通信負荷，若每積分五百步做一次圖像輸出，既可以提高系統實時性又對彈道軌跡平滑度不會產生影響。

使用信息交互系統，需要對身份進行驗證，如圖4所示。進入系統輸入彈丸初始參數，點擊彈道解算按鈕可以獲取彈丸彈道軌跡，如圖5所示。彈丸發射后，信息交互系統能夠實時不間斷的顯示彈丸在空中運動軌跡和當前彈丸運動參數，并將推算的落點以彈丸落點分布圖展示。指示燈實時監測系統通訊連接狀態，確保地面信息處理終端正常工作，如圖6所示。

3 結論

地面信息處理終端采用高性能P1010處理器，搭載VxWorks操作系統。基于優先級的任務劃分以及綜合采用兩種任務調度算法，實現了多發彈丸彈道快速解算。嵌入式觸摸屏作為操作平臺，在能夠完成多發彈丸3D軌跡圖像顯示和彈道解算相關指令輸入，及時進行信息處理與反饋，彈道解算耗時與圖像輸出延遲滿足設計要求，能夠為科研人員利用VxWorks系統開發其它信息處理平臺提供借鑒。