基于國產化計算平臺的雷達數據融合軟件設計與實現

楊 璇 暢 言 李浩正

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

近年來，隨著高新技術的迅速發展和廣泛應用，快速推動了武器裝備的更新和作戰方式的演變，信息化戰爭將成為未來戰爭的基本形態。隨著我國綜合實力的日益提高和我軍信息化建設的穩步推進，研制和應用國產化計算平臺已成為研究熱點。

國產化計算平臺是涵蓋了國產硬件、操作系統以及其它基礎軟件的一個集合[1]。使用國產化信息平臺不僅有助于消除我國電子國防的安全隱患，更有利于改變我國一直以來在信息安全領域的被動局面，符合國家安全和利益的戰略選擇，其重大意義不言而喻。

1 國產化計算平臺

目前主流的國產計算機硬件主要是基于MIPS架構的龍芯系列和基于ARM架構的飛騰系列，國產操作系統主要有中標麒麟操作系統、深度操作系統、銳華(ReWorks)實時嵌入式操作系統、“道”實時嵌入式操作系統等。鑒于龍芯的生態環境比較完善以及銳華實時嵌入式操作系統對VxWorks的完美兼容，故本次國產化平臺硬件選用龍芯系列，操作系統選擇銳華操作系統。

1.1 硬件平臺

龍芯3A-2000是龍芯3A多核處理器系列中最成熟的一款產品，采用65nm工藝制造，主頻1GHz，功耗小于15W。可應用于通用服務器、云計算服務器、云存儲服務器、高性能桌面等，可有效服務于大型信息處理、顯示處理等實時系統。

龍芯3A處理器主要特征如下[2]：

1)片內集成4個64位的四發射超標量GS464高性能處理器核；

2)片內集成四核共享的4MB二級Cache；

3)片內集成2個64位400MHz的DDR2/3控制器；

4)片內集成2個16位800MHz的HyperTransport控制器；每個16位的HT端口可以拆分成兩個8路的HT端口使用；

5)片內集成32位33MHz PCI/ PCIX；

6)片內集成一個LPC、兩個UART、1個SPI、16路GPIO接口；

7)支持多核芯片通過HyperTransport接口互連；

8)高帶寬設計，高可靠性設計，良好的可擴展性。

1.2 操作系統

銳華(ReWorks/ReDe)是我國自主研制的國產嵌入式實時操作系統，其符合IEEE POSIX 1003.13-2003/POSIX 1003.1-2001實時接口規范[3]，并提供VxWorks兼容接口，其實時響應時間小于10μs；ReDe是與ReWorks相配套的、集嵌入式軟件設計、開發、調試、仿真、測試和集成部署為一體的嵌入式軟件開發環境。

1.3 銳華嵌入式實時操作系統(ReWorks/ReDe)主要構成

ReWorks嵌入式實時操作系統采用微內核及組件技術，能根據應用需要對操作系統內核進行配置、裁剪、擴展與定制，具備較強的伸縮能力[4]。ReWorks的體系結構圖如圖1所示。

ReDe以Eclipse開放體系結構為基礎，結合嵌入式軟件開發以及ReWorks操作系統的特點，實現了功能定制改造和工具鏈擴展，可支持與其它商用CASE工具的無縫集成，可以運行于Microsoft Windows和中標麒麟桌面操作系統等多種系統平臺，具有開放性、跨平臺、一體化等特點[4]。ReDe功能組成如圖2所示。

圖1 ReWorks體系結構圖

圖2 ReDe體系結構圖

1.4 銳華操作系統主要特點

銳華嵌入式實時操作系統采用全自主設計、自主實現，可替代國外同類先進產品VxWorks。主要特點如下：

1)高效的實時多任務管理，支持基于優先級的可搶占調度及防優先級反轉策略；

2)支持SMP并行處理多核架構，編程接口與單核兼容，中斷響應、任務響應時間、核心接口性能與VxWorks相當；

3)裝備硬件環境適配：支持主流CPU，支持龍芯系列國產處理器，以實現SMP模式多核操作系統，支持龍芯3A國產處理器；支持多串口、USB設備；

4)具備系統監控、異常日志以及構件內存隔離保護功能，從而支持系統故障的記錄、隔離、處理；

5)圖形系統：高效的圖像引擎，支持硬件加速及雙屏顯示，并實現與QT/GTK+圖形系統的集成，實現多媒體播放器，支持H.264/MPEG格式；

6)支持與人大金倉、天熠數據庫，CORBA實時中間件的集成。

1.5 ReWorks與國內其他操作系統基本情況對比

銳華與國內其他操作系統的基本情況對比見表1。

表1 銳華與國內其他操作系統對比表

比較項銳華ReWorks國內其他操作系統系統核心架構支持單核支持多核支持單核性能中斷響應能力達微秒級中斷響應能力達微秒級功能任務管理、任務間通信、存儲管理、異常/中斷管理、時鐘/定時器管理任務管理、任務間通信、存儲管理、異常/中斷管理、時鐘/定時器管理CPU架構支持PowerPCx86MIPSARMSPARCALPHAPowerPCx86MIPSARM國產CPU支持中國電科32所 JSC8245國微SM750龍芯1A/1B/2F/2H/3A/3B飛騰FT-1500A申威410北微 BM3803中天微 CK810中國電科32所 JSC8245國微SM750龍芯1B/2F飛騰FT-1500ADSP支持華睿一號TI C6678不支持開發環境基本功能工程管理、系統配置、代碼編輯、編譯調試工程管理、系統配置、代碼編輯、編譯調試特色工具目標系統時序查看器系統資源瀏覽器CPU性能分析器內存分析工具多核故障離線診斷分析工具遠程在線瀏覽可調度分析工具端口監視器系統監視器 應用規模機載任務系統(預警、偵察、通信干擾)、裝甲車輛、艦載顯控臺、水聲、電臺、火控、雷達、密碼機等主要應用于特定系統

由表1可看出，銳華操作系統產品在多核支持、國產CPU支持、DSP支持、應用范圍等方面，具有一定的優勢。

2 基于國產化平臺的雷達數據融合設計實現

2.1 系統功能概述

雷達數據融合軟件實時收集作戰區域內各作戰單元的戰時空情信息，通過空間配準、時間配準、目標跟蹤、融合狀態估計實現作戰情報信息融合，完成情報信息的一致性判別，形成戰場統一的空情態勢，為協同級指揮員決策提供依據。

2.2 軟件設計與實現

雷達數據融合軟件功能包括參數裝訂、空間配準、時間配準、目標跟蹤、屬性判斷、類型識別、空情上報和狀態上報功能。功能描述如表2所示。

表2 功能描述

序號名稱功能描述1參數裝訂軟件上電自動加載參數配置文件,并反饋回終端進行驗證,同時支持裝訂文件的在線更新與存儲。2空間配準基于WGS-84/2000坐標系模型,完成各個雷達站上報的一次航跡信息在融合中心所在坐標系的空間統一,其包括位置配準子功能模塊和速度配準子功能模塊。3時間配準基于GPS/北斗系統授時,通過一次航跡的內插或外推,完成各個雷達站的空情在融合中心的時間對準,并將配準后一次航跡作為后續空情融合處理的輸入。其包括初次時間對準子模塊和二次對準子模塊[5]。4目標跟蹤完成單站航跡和與已有融合航跡間從屬關系的判定,完成在協同作戰模式下,隊各作戰區域內所有目標實時跟蹤與多站空情融合。5屬性判斷根據各作戰單元上報一次航跡的目標屬性或詢問結果,經融合判斷,獲得融合航跡的目標屬性判斷結果。6類型識別根據各作戰單元上報一次航跡的目標類型識別結果,結合融合航跡空間運動特性,經融合識別,獲得融合航跡的目標類型識別結果。7空情上報航跡更新后,雷達數據融合軟件實時報告融合航跡數據信息。8狀態上報雷達數據融合軟件定時上報軟件工作狀態,用于狀態顯示和通信監視。

其性能指標如下：

1)空情收集能力

本車雷達空情 ：1路；

上級空情：1路(可選)；

2)從屬作戰空情：2路；

3)空情融合處理能力：500批；

4)目標處理速度范圍：30m/s

系統航跡精度：優于網內雷達航跡精度平均值(勻速直線運動)。

2.2.1 參數裝訂

數據融合軟件上電自動加載參數配置文件，完成空間配置所需參數的裝訂，并將加載參數上報終端予以顯示；同時，工作過程中，支持上述裝訂參數的在線更新和實時文件存儲。

2.2.2 空間配準

空間配準功能用于完成各個雷達站上報的一次航跡信息的空間統一，并將空間配準后的一次航跡作為時間配準模塊的信息輸入?？臻g配準功能模塊包括位置配準子功能模塊和速度配準子功能模塊。其中，位置配準功能完成將各個雷達站上報的一次航跡位置信息從各雷達站所在的相對坐標系轉換到融合中心所在相對坐標系；速度配準把不同地點的各個雷達站送來的一次航跡矢量速度信息從各雷達站所在的相對坐標系轉換到融合中心所在相對坐標系。

2.2.3 時間配準

時間配準功能基于GPS/北斗系統授時，通過一次航跡內插或外推，完成各個雷達站的空情在融合中心的時間對準。時間配準功能模塊包括初次時間對準子功能模塊和二次時間對準子功能模塊。其中初次時間對準模塊將融合航跡外推到當前一次航跡的時間，查找相關一次航跡，依據關聯緊密程度，獲取對應凝聚權值；二次時間對準模塊將融合航跡相關的一次航跡按照各自速度進行外推至當前時刻，并把所有相關的一次航跡進行凝聚和存儲。

2.2.4 目標跟蹤

目標跟蹤功能模塊是信息綜合軟件的核心功能，完成單站航跡和與已有融合航跡間從屬關系的判定，實現對協同作戰模式下對作戰區域內所有目標實時跟蹤。其包括航跡建立、航跡批號管理、航跡相關、航跡更新、航跡質量管理子功能模塊。

其中航跡建立模塊查找作戰區域內未相關的一次航跡，如果符合航跡建立準則，系統就自動完成航跡的建立。航跡批號管理模塊對于新建立的融合航跡，當沒有達到批號容量上限時，數據融合軟件應能自動賦給該目標一個目標批號，在航跡撤銷前，該目標批號唯一。航跡相關模塊完成凝聚點跡和已有融合航跡間從屬關系的判定，建立凝聚點跡與融合航跡的配對矩陣，并通過計算選取最優的凝聚點跡作為融合航跡的更新點跡。航跡更新模塊依據融合航跡更新點跡和融合航跡預測估計值，通過濾波處理，給出目標位置和速度估計，及時更新融合航跡數據，保證對融合航跡的有效跟蹤維持。通過航跡質量管理判斷哪些未確認航跡可以轉換為確認航跡，哪些是虛假航跡應予以撤消。

2.2.5 屬性判斷

根據各作戰單元上報一次航跡的目標屬性或詢問結果，經融合判斷，獲得融合航跡的目標屬性判斷結果。目標屬性融合結果為敵、我、不明、民航四種，其中“敵”只能由人工指定。實際設計中，首先應服從上級以及人工對該目標的敵我識別結果；如果沒有明確的識別結果，則利用各站上報航跡信息中的識別結果進行敵我識別綜合判斷。

2.2.6 類型識別

根據各作戰單元上報一次航跡的目標類型識別結果，結合融合航跡空間運動特性，經融合識別，獲得融合航跡的目標類型識別結果。在這些因素中，對于上級給定或操作手指定的目標類型，要無條件服從；若無上級相關信息，則根據位置、運動特性、綜合判斷目標類型識別結果，最后將識別結果隨航跡一同上報。

2.2.7 航跡上報

當融合航跡更新結束后，記錄融合航跡更新數據信息，并完成融合航跡信息的反量化和上報。

2.2.8 狀態上報

定時收集數據融合軟件狀態，包括系統工作模式、本站編號、主從狀態、融合航跡數量等；并將狀態信息量化后，通過網絡定時上報。

2.3 工作流程

本次設計采用分布式融合架構，主要完成協同作戰時多站的數據融合，兼顧目標屬性判斷和類型識別。雷達數據融合軟件的工作流程圖如圖3所示，主要工作流程如下：

1)軟件上電自動加載參數配置文件，完成空間配置所需參數的裝訂；

2)根據網絡接收的數據類型進行分類存儲，判斷信息為數據信息還是控制信息；

3)若接收到控制信息，根據協議對控制信息進行解析并執行，并將執行結果實時反饋；

4)若接收到數據信息，則需判斷是位置信息還是空情信息，若為位置信息，則調用參數裝訂模塊進行位置信息更新；若是空情信息，則進入后續模塊處理；

5)當有空情信息輸入時，首先調用空間配準模塊完成一次航跡信息的空間統一；其次調用時間配準模塊完成各個雷達站的空情在融合中心的時間對準；

6)對經過空間配準與時間配準的一次航跡進行目標跟蹤處理，完成在協同作戰模式下，隊各作戰區域內所有目標實時跟蹤與多站空情融合；

7)根據各作戰單元上報一次航跡的目標屬性或詢問結果，調用屬性判斷模塊，獲得融合航跡的目標屬性判斷結果；

8)根據各作戰單元上報一次航跡的目標類型識別結果，結合融合航跡空間運動特性，經融合識別，獲得融合航跡的目標類型識別結果；

9)最后，雷達數據融合軟件定時上報融合航跡數據信息與狀態信息。

圖3 雷達數據融合軟件的工作流程圖

2.4 軟件優化適配

根據對雷達數據融合軟件需求分析，結合ReWorks嵌入式實時操作系統實際使用特點，利用集成開發環境(ReDe)完成雷達數據融合軟件的設計實現，具體實現方法如下：

1)為了使軟件具有良好的兼容性，在系統資源配置中選擇VxWorks兼容層的全部內容；

2)由于ReWorks中的頭文件路徑為絕對路徑，故在創建工程時需將頭文件路徑加入路徑與符號選項中；

3)自旋鎖鎖住資源而非鎖住任務調度，因此不能使用tasklock與taskUnlock，應在程序中具體臨界資源處添加自旋鎖spinlock_t datapro；

4)由于ReWorks與VxWorks輔助時鐘函數的差異，在ReWorks操作系統中用函數sys_auxclk_rateset、sys_auxclk_connect、sys_auxclk_enable來適配輔助時鐘；

5)系統默認未加載浮點處理，若工程需要，則要勾選支持浮點處理的選項；

6)導入融合軟件源程序，并在usrInit文件中加入主函數完成編譯。

2.5 仿真分析

利用上述設計方法在實驗室進行動態仿真，圖4為該雷達數據融合軟件航跡融合處理效果。仿真結果表明，該雷達數據融合軟件各個模塊功能正確，實現對協同作戰模式下對作戰區域內所有目標的實時跟蹤和空情融合，滿足雷達數據融合對功能和性能的指標要求，能夠替代國外的計算機硬件和操作系統。

圖4 雷達數據融合軟件航跡融合處理效果

3 結束語

本文通過對軟件國產化必要性的分析，介紹了國產化平臺的特點及性能，結合從事的雷達數據融合工作，設計了能夠在國產化平臺下運行的雷達數據融合軟件，為數據融合系統的國產化提供了解決方案，降低了部分軍用產品過分依賴國外廠商帶來的隱患，具有較高的軍事價值和經濟價值。