船用導航雷達設備的國產化技術應用

摘要：船用導航雷達產品亟須實現自主可控。該文探討了船用導航雷達設備中的國產化技術應用，選擇兩種國產平臺和兩種非國產平臺，通過評測試驗，分析各平臺的處理性能及導航雷達軟硬件適配性能，確定合適的國產化平臺。

關鍵詞：船用導航雷達；國產化技術；評測試驗

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.11.048

中圖分類號：TN 959" " " " " " " " "文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）11-0-03

Application of Domestic Technology in Marine Navigation Radar Equipment

WANG Hongxian1， LI Chenhao2， WEN Jianxing1， ZHAO Yunqiang1

（1. CSSC Navigation Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China;

2. China Classification Society Shanghai Branch， Shanghai 200135， China）

Abstract： Marine navigation radar products urgently need to achieve autonomous controllability. This article explores the application of localization technology in marine navigation radar equipment， selects two domestic platforms and two non domestic platforms， and analyzes the processing performance and navigation radar software and hardware adaptation performance of each platform through evaluation experiments to determine a suitable localization platform.

Keywords： marine navigation radar; domestication technology; evaluation experiment

船用導航雷達設備是保障船舶安全航行的重要設備。隨著我國海洋事業的發展和海上權益維護的需要，船用導航雷達發揮的作用越來越強，但我國目前在這一領域還存在著技術相對落后、對外依賴度高、自主創新能力不足等問題，亟須加強國產化技術的研發和應用，提高我國船用導航雷達設備的自主化水平和市場競爭力。

1" "船用導航雷達概況

導航雷達處理的信息量龐大，功能多且煩雜，對數據實時性、設備可靠性要求很高。船用導航雷達的發展經歷模擬雷達、數字雷達和IP雷達三個階段，隨著無人技術的發展，未來的船用導航雷達將進入互聯網雷達時代。IP雷達是基于網絡技術的雷達，將信號處理和顯示分離，通過網絡傳輸數據，實現高度集成和靈活配置。

IP雷達可多屏顯示，方便船員在不同位置觀察雷達圖像，提高導航安全性。可實現模塊化設計，靈活選擇不同的天線、處理器和顯示器，提高適應性。由于IP雷達的雷達視頻數據是通過網絡進行傳輸的，要在雷達終端上進行二次信號處理，視頻數據的分辨率較高，網絡負荷較大，網絡質量直接影響著雷達終端可接收天線的數量，是國產化中需要考量的重要指標[1]。

目前，國產CPU、GPU和操作系統，在功能、性能、可靠性、研發生態等各個方面都落后于更為成熟的Intel芯片和Windows操作系統，造成開發和軟件質量提升難度加大。因此，需要根據設備的運行特點與國產平臺的現狀，選擇一款較為適宜的國產化平臺。

2" "總體設計方案

針對以上需求，開展基于國產化軟硬件平臺的軟件適配性分析設計工作，最終選出適合導航雷達軟件運行的國產化平臺。

2.1 平臺選擇

龍芯3A5000是一款基于MIPS架構的國產處理器，適用于桌面、服務器、嵌入式和物聯網等領域。它支持多核多線程技術，可同時處理多個網絡任務，提高網絡性能和并發能力。

飛騰FT-2000采用64位多核架構，支持RISC-V指令集，具有高效的并行計算能力和低功耗特點。

根據國產平臺的現狀，選擇龍芯3A5000平臺+Loongnix操作系統（內存16 GB）、飛騰FT-2000/4+銀河麒麟平臺（內存16 GB）、酷睿i5-7400+Windows 7 64 bit（內存16 GB）、酷睿i3+Windows 7 32 bit（內存2 GB）作為目標測試平臺。讓船用導航雷達軟件在不同平臺上運行，通過比較導航雷達專有操作下的CPU占用率、內存占用率等相關指標，選擇合適的國產化平臺[2]。

2.2 性能指標選擇

選擇CPU占用率、內存占用率、網絡占用率作為測試的性能指標。

（1）CPU占用率：CPU占用分析是個評估軟件性能和效率的一種重要指標。Loongson以及FT機器采用linux系統，linux系統中CPU性能值為占用單核的比值，該值除以4即和windows系統單位一致。

（2）內存占用率：內存占用率是指軟件運行時所占用的內存空間與系統總內存空間的比值。內存占用率是評估軟件性能和優化程度的重要指標之一。本實驗中，Loongson以及FT機器使用top命令查看內存使用情況，其中VIRT為虛擬內存，RES為駐留內存。

（3）網絡占用率：網絡占用率是指軟件在運行時對網絡資源的消耗程度，它反映軟件的性能和效率。網絡占用率作為評估軟件的指標，可判定是否適合特定的網絡環境。一般來說，網絡占用率越低，越能保證網絡的穩定性和速度。

在Loongson和FT機器上使用系統監視器來查看網絡速率，在lenovo和moxa機器上使用資源監視器來查看網絡速率[3]。

2.3 方案與場景劃分

被測軟件是導航雷達軟件，其他配套測試工具軟件包括雷達視頻模擬器、導航數據模擬器、AIS目標模擬器、ARPA目標模擬器、千兆網絡交換機。

在4臺機器上分別安裝部署雷達軟件，在另外一臺主機上布置雷達視頻模擬器和導航模擬器。針對雷達軟件特性，設計符合雷達軟件實際使用場景的測試內容。

船用導航雷達軟件主要的資源消耗：一是雷達視頻數據的接收、二次信號處理、視頻顯示；二是導航、AIS數據接收、處理、顯示。

船用導航雷達分別在待機狀態、發射狀態、滿負荷運行狀態三種不同的測試狀態下工作。其中待機狀態可分為不接收任何數據、只接收導航數據和AIS目標數據、同時接收導航數據、AIS目標數據和ARPA目標四個狀態；發射狀態為接收雷達視頻數據的狀態；滿負荷運行狀態為同時接收導航信息、200個AIS目標信息、200個ARPA目標信息、雷達視頻數據的狀態。按照上述狀態的劃分，搭建對應的測試場景，具體測試場景如下：

（1）場景一：關閉所有模擬器，觀察記錄此種狀態下4個機器的對應指標。

（2）場景二：只開啟導航模擬器，發送導航數據，觀察記錄此種狀態下4臺機器的對應指標。

（3）場景三：開啟導航模擬器、AIS模擬器，發送導航數據和200個AIS目標，觀察記錄此種狀態下4臺機器的對應指標。

（4）場景四：只開啟ARPA模擬器，發送200個ARPA目標，觀察記錄此種狀態下4臺機器的對應指標。

（5）場景五：只開啟雷達視頻模擬器，發送雷達視頻數據，觀察記錄此種狀態下4臺機器的對應指標。

（6）場景六：開啟導航模擬器、AIS模擬器、ARPA模擬器以及雷達視頻模擬器，發送導航數據、200個AIS目標、200個ARPA目標以及雷達視頻數據，觀察記錄此種狀態下4個機器的對應指標。

（7）場景七：開啟導航模擬器、AIS模擬器、ARPA模擬器，發送導航數據、200個AIS目標、200個ARPA目標，開啟兩個雷達視頻模擬器，模擬發送兩個雷達視頻數據，觀察記錄此種狀態下4臺機器的對應指標；在此場景下，同時觀察雷達軟件視頻數據顯示的流暢程度。

3" "實驗結果與分析

3.1 CPU占用分析

從實驗結果可看出，前4個場景CPU占用效率不高，這是因為船用導航雷達的核心功能未開啟。雷達核心功能開啟后，CPU占用率明顯提升。

在場景五、場景六、場景七這3個場景中，Loongson機器的CPU占用率明顯低于其他設備，這

4臺機器都屬于四核處理器，Loongson機器的主頻是最低的，僅僅只有1.8 GHz，但其CPU占用率卻是最低的，說明從船用導航雷達的角度而言，Loongson機器的CPU優化處理能力更強。

對比而言，i3處理器的Moxa機型雖然主頻不是最低的，但是CPU占用率是最高的，這款處理器是多年前的處理器，可見近些年CPU的處理能力不僅僅受主頻和核數的影響，指令處理能力也是非常重要的選型。

3.2 內存使用分析

從實驗結果可看出，前4個場景和后3個場景的內存占用率區別不大，這是因為船用導航雷達軟件為提高效率，會采用預先內存分配的設計思路，在運行過程中不再請求內存，避免內存碎片的產生。

試驗結果中，內存占用都比較小，相比16 GB的總內存而言，船用導航雷達占用的內存僅在1%左右。可見內存不是船用導航雷達工況的主要影響因素。

3.3 網絡使用分析

雷達開啟后，各個機型的網絡數據流量差別不大，相關的網絡流量基本上都是雷達視頻數據的流量。可見，在相同數量天線的情況下，網絡數據也不是船用導航雷達的主要影響因素。

3.4 長時間穩定運行效果分析

在4臺機器上分別運行船用導航雷達軟件，并進行長時間連續運行狀態分析，雷達軟件運行效果圖如圖1所示。

從長期運行結果來看，四臺設備運行均比較流暢，視頻清晰可見，Moxa機型偶發卡頓，可能是因為和我們選擇的Moxa機型屬于較舊的機型有關。

4" "結束語

本文通過對比兩種國產化計算機平臺和兩種常見海事計算機處理平臺，確定船用導航雷達的軟硬件替代方案，明確技術替代路徑。從上述性能實驗的結果來看，內存及網絡傳輸速率對國產化選型影響不大，主要選擇指標應該為CPU占用率。loongson的CPU占用率較低，可見國產平臺可作為導航雷達軟件的運行平臺，尤其是loongson機型適配性較好。本文對船用導航雷達的計算機處理單元國產化技術進行了研究，通過性能實驗對指標結果進行了對比分析，提出了軟硬件平臺的選配方案，為設備的國產化實現提供技術支持。

參考文獻

[1] 于慧穎，魯敏，雍少為．雷達PPI光柵掃描顯示系統設計與實現[J]．國防科技大學學報，2007（1）：65-68．

[2] P RICHARDS-G. PPI To raster display scan converter： 4547803[P]. 1985-10-15.

[3] 潘恒康，劉嘉寧，沈潔，等．船用導航雷達視頻顯示設計[J]．計算機應用，2017，37（S2）：137-140．