基于DeltaOS系統的雷達動目標測量方法

梁 璐

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

近年來，隨著我國國防工業的不斷發展，中國的武器裝備研發在國際上已占據一席之地。為了不受制于進口處理器和操作系統，同時考慮到國防安全等因素，國內電子市場尤其是國防科技領域對核心技術的國產化具有強烈的需求。道系統(DeltaOS)是以美國風河公司的VxWorks操作系統為理論基礎，由我國自主研發的國產嵌入式實時操作系統，它繼承了Vxworks良好的內核特性以及實時性強等特點，作為智能電子設備軟件的核心，已廣泛應用于航空、艦船、兵器等電子領域的指控、火控、雷達、水聲、光電等系統。

龍芯3A作為新一代的64位4核高性能通用國產CPU，其采用RISC加固,兼容MIPS指令集,具有1G主頻，每個處理器核具全流水的64位雙精度浮點乘加部件，在數字信號處理以及控制領域應用前景廣闊。DeltaOS支持多核CPU，采用對稱多處理模式(SMP)，支持搶占式多任務、 任務的優先級調度、等特點，同時可實現多任務并行執行，也可綁定任務運行在特定的核上。

隨著軍工行業對國產化的要求，龍芯3A+DeltaOS系統架構在軍品中已占據主導地位，由于雷達信息處理對于實時性和運算性能的要求很高，嵌入式操作系統平臺倍受青睞，本文主要介紹了基于3A+2H硬件平臺的DeltaOS6操作系統下海上雷達組網對動目標搜索測量跟蹤的工程實現。

1 軟件設計

文中基于道系統的雷達組網測量定位應用軟件主要實現的功能包括：系統對時、控制雷達工作狀態以及雷達在作戰狀態下接收信號處理的和差信號求解角誤差值。其中利用和差歸一化計算角誤差信息推算出測角信息，根據測距，測角結果實現濾波外推算法，這要求將接收到的雷達坐標系下的目標信息轉換到一個相對穩定的坐標系下實現，大地坐標系下可滿足此條件，因此需要實現多級坐標轉換。濾波外推在跟蹤雷達中對控制波束指向角是至關重要的，將外推出的目標角度轉換到雷達坐標下的角度作為布相角提前一個周期送給波控端機。具體的軟件功能如圖1所示。

圖1 軟件流程

要實現以上功能，應該合理進行任務劃分，以避免任務過細引起的任務頻繁切換造成開銷增加，任務分解不夠造成系統吞吐量不夠[1]。工程中分成兩個任務，即控制任務和測量跟蹤任務。多目標的測量跟蹤處理根據雷達的工作時間和需求來做處理，工程中選用的是單任務分時處理方式，任務之間的通信機制我們選用了信號量，通過工程中具體的工作機制以及雷達測量條件控制各個任務信號量的釋放以及觸發。

2 影響測量精度的因素

雷達組網對于編隊作戰具有重要的意義，協同作戰以其能力互補增效并且能提高作戰效能[2]的優勢必將成為今后作戰系統的主流作戰方式，這樣網內成員可共享各自測量的目標信息，更有利于快速準確鎖定目標，打擊敵方，因此，對各平臺之間時間和空間的坐標統一便有了有很高的要求。

時間坐標統一[3]的意義在于可以保障在不受衛星統一授時的條件下，多平臺之間測量信息的準確性。針對多平臺與指揮中心的傳輸通道的固定或隨機延時，通過時間補償的方式統一時間，工程中應用較為常用不再贅述。

在多目標跟蹤系統中，任何一個觀測模型都是依賴狀態空間模型建立的，因而選擇合適的坐標系是很重要的，坐標系的選擇直接影響跟蹤的精度和計算量大小[4]。接下來便以工程實踐為依據具體描述。

首先，數據處理收到信號處理送來的回波信號，是雷達坐標系下的目標信息。假設組網雷達中雷達坐標系下的目標徑向距離為R，目標偏離船首的方位角為b，假定俯仰角為e(一般設為0)。坐標轉換通常有兩種方式，一種是平移，另一種是旋轉變換。由不穩定甲板到穩定甲板坐標的轉換,首先轉換到不穩定直角坐標系(以下小寫xyz表不穩定坐標，x1,y1,z1表穩定坐標)為

(1)

再轉換到穩定甲板直角坐標為

(2)

艦艇不穩定甲板坐標轉換到艦艇穩定甲板坐標的轉換矩陣為

(3)

艦艇穩定坐標到艦艇不穩定坐標轉換矩陣為M的逆矩陣見式(4)。

(4)

第二步再從甲板坐標再轉換到大地坐標作外推前的準備，需考慮航向角以及縱橫搖角度。

1)偏離大地坐標系下的航向角為ψ

圖2 航向角轉換

(5)

2)縱搖角(φ)，艦首抬起為正，繞X軸順時針旋轉可轉換到大地系

圖3 縱搖角轉換

x″=x′

y″=y′cosφ-z′sinφ;

(6)

3)橫搖角(θ)，左舷抬起為正，繞Y軸逆時針旋轉

圖4 橫搖角轉換

y?=y″

z?=z″cosθ-x″sinθ

(7)

最終由雷達軸線系到大地坐標系的轉換矩陣為

……

(8)

3 跟蹤算法和仿真

通過和路差路信號以及互導因子計算出波束指向的方位角誤差疊加指向角，作角度外推和濾波，外推角作為下一幀波束指向。文中采用αβ濾波算法[5]，針對的是勻速或者緩慢機動的目標航跡跟蹤，通過公式(9)得到濾波后的目標節點信息。

xs(k)=xp(k)+α[xm(k)-xp(k)]

vs(k)=vs(k-1)+β[xm(k)-xp(k)]/T

(9)

xp(k+1)=xs(k)+vs(k)T

其中，xs(k)是濾波后的位置；vs(k)是濾波處理后的速度；xp(k)是預測的位置；xm(k)是實際測量的位置；T是測量時間間隔；xp(k+1)是外推值。其中距離和速度的增益系數α,β，要依據實際情況，當K較小時，對目標的跟蹤剛開始，對距離和角度的估計值并未完全穩定可靠，因此必須掃描次數越大，估計值的可靠性越大。

(10)

根據外推出的節點位置，計算下一測量時刻的天線波束指向。

假設目標在海上以30節的速度勻速直線運動行駛，圖5為外推距離角度與真值的誤差仿真圖。

圖5 勻速直線運動跟蹤效果

下面一條曲線表示3000點外推角度與真實值的誤差均值小于0.5mrad，上面一條曲線表示距離誤差小于2m在60個周期可穩定濾波外推達到收斂。

4 系統測試與實測試驗數據結果分析

道系統在數組信號處理中的整機性能測試結果如表1所示。

表1 整機性能測試結果

國產化操作系統中斷響應時間和程序運行時間均能滿足指標要求。兩個雷達站點互測得到的測量結果在經長時間采集的數據分析2個站點互測的距離誤差和角度誤差均可滿足設備性能測量指標。

5 結束語

文中主要介紹了基于操作系統DeltaOS6以及雷達組網過程中與測量精度有關的坐標轉換與跟蹤算法，對目標勻速直線運動模型進行仿真，距離和角度誤差結果很小，同時試驗數據分析結果距離、角度濾波外推的誤差均在需求范圍內，長時間的外場實驗對操作系統的可靠性，穩定性做到了充分的驗證，實用前景廣泛。