劉 鐸 黃曉燕

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十研究所 西安 710068）（2.西安石油大學(xué) 西安 710072）

1 引言

雷達(dá)系統(tǒng)是一種具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性應(yīng)用的系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)和嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)通常采用Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)滿足其可靠性和實(shí)時(shí)性需求［1］。為了國(guó)家武器裝備的安全性，可靠性的考慮，國(guó)產(chǎn)化處理器和國(guó)產(chǎn)化操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的需求越來(lái)越受重視，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)陸續(xù)推出，其中道系統(tǒng)（DeltaOS）便是其中的代表。

道系統(tǒng)（DeltaOS）是目前中國(guó)依靠自己技術(shù)和力量，自主研發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，龍芯3A是新一代的64位多核高性能通用處理器。處理器采用RISC架構(gòu)，兼容MIPS指令，原生四核設(shè)計(jì)，基于龍芯3A處理器在DeltaOS操作系統(tǒng)被大量的運(yùn)用于軍工武器裝備領(lǐng)域。本文主要研究基于龍芯3A處理器在DeltaOS操作系統(tǒng)下DeltaGUI圖形庫(kù)的開(kāi)發(fā)和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制的研究，同時(shí)采用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法和動(dòng)目標(biāo)軌跡外推算法，實(shí)時(shí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度計(jì)算，并對(duì)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行顯示［2］。

2 DeltaGUI設(shè)計(jì)架構(gòu)

DeltaOS操作系統(tǒng)支持搶占式多任務(wù)、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)繼承等特點(diǎn)，DeltaGUI是為嵌入式系統(tǒng)提供圖形用戶界面的支撐軟件，是擴(kuò)展操作系統(tǒng)人機(jī)交互功能的一個(gè)模塊［3］。DeltaGUI位于操作系統(tǒng)核心之上，如果要用它來(lái)構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)系統(tǒng)，必須將它與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核集成。DeltaGUI以庫(kù)的形式為應(yīng)用提供各種工具和組件來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形界面［4］。

DeltaGUI圖形庫(kù)與外圍系統(tǒng)的組成關(guān)系原理如圖1所示。

圖1 GUI體系架構(gòu)組成框圖

DeltaGUI與外圍相接，以類(lèi)庫(kù)的形式向應(yīng)用程序提供編程接口，通過(guò)操作系統(tǒng)抽象層與具體實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)聯(lián)系，而硬件抽象層使DeltaGUI無(wú)需直接和硬件交涉就能輕易掛接各種輸入、輸出設(shè)備［5］；DeltaGUI通過(guò)消息來(lái)進(jìn)行對(duì)象與對(duì)象間的通信與協(xié)作，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DMessage來(lái)表示消息。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)域分別表示了消息的類(lèi)型、發(fā)送者、接收者以及消息所包含的其他信息等；DeltaGUI不斷調(diào)用消息隊(duì)列提供的各種函數(shù)對(duì)所有消息進(jìn)行有序的處理。用戶也可以自己調(diào)用消息隊(duì)列的入隊(duì)函數(shù)把創(chuàng)建的消息加入到消息隊(duì)列中供DeltaGUI的對(duì)象處理［6］。

3 顯示圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于龍芯3A處理器，采用GUI組件的顯示，主要包括，其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的工作控制、分設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視顯示、節(jié)點(diǎn)信息態(tài)勢(shì)，目標(biāo)特點(diǎn)等基本功能顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了顯示模塊、控制模塊以、接口模塊、網(wǎng)絡(luò)接收模塊和GPS接收模塊5部，系統(tǒng)采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DeltaOS，開(kāi)發(fā)調(diào)試在lamdaPRo下進(jìn)行，顯示圖形系統(tǒng)組成框圖如2所示。

圖2 顯示圖形系統(tǒng)組成框圖

GPS接收模塊，主要為基準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)信號(hào)提供經(jīng)度、緯度，高度和時(shí)間信息，以及保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的秒信號(hào)。

接口模塊收到GPS信號(hào)后，通過(guò)PCI總線將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制模塊。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊，通過(guò)組播發(fā)送模式，將外部輸入導(dǎo)航信息，作戰(zhàn)信息發(fā)送控制模塊。

控制模塊，將接收到信息，進(jìn)行分批處理，提取不同類(lèi)型目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

顯示模塊，根據(jù)不同的信息，通過(guò)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

顯示軟件包括動(dòng)目標(biāo)軌跡的動(dòng)態(tài)勢(shì)圖、被測(cè)量目標(biāo)的實(shí)時(shí)距離和方位的顯示等信息，以及控制操控顯示。

4 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法

測(cè)量定位雷達(dá)是通過(guò)兩部雷達(dá)之間按時(shí)隙周期進(jìn)行接收和發(fā)射互測(cè)量原理，對(duì)被測(cè)目標(biāo)的位置和方位進(jìn)行精確定位，由于對(duì)測(cè)量精度的要求，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)估，對(duì)測(cè)量得到的異常數(shù)據(jù)或誤差較大數(shù)據(jù)需要采用濾波算法進(jìn)行處理。

α-β-γ濾波最常用的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型是勻加速運(yùn)動(dòng)模型［7］，在該模型中，目標(biāo)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，方程如下：

式中：x、x?、x?分別是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置、速度分量和加速度分量；n(t)是均值為零的高斯白噪聲。

α-β-γ濾波是運(yùn)動(dòng)方程為勻加速的卡爾曼濾波的穩(wěn)態(tài)解形式，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中包含位置、速度和加速度，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的狀態(tài)方程為

其中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：過(guò)程噪聲分布矩陣為為零均值高斯白噪聲。量測(cè)方程為

新信息為

其中，增益

5 動(dòng)目標(biāo)軌跡外推算法

為滿足艦船運(yùn)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)的更新頻率的需求，還需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行航跡平滑外推。測(cè)量過(guò)程匯總目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息一般以秒級(jí)速度發(fā)布，若以接收到的信息頻率顯示會(huì)存在跳變現(xiàn)象，因此需要更短的時(shí)間更新目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就需要對(duì)接收到的目標(biāo)狀態(tài)信息和目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)信息對(duì)目標(biāo)未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行推算。

正常情況下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從當(dāng)前位置，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt后能夠由預(yù)測(cè)推算位置

已知時(shí)刻t0目標(biāo)的位置S0(x0,y0,z0)，航向角φ0，俯仰角φ0，速度V0(vx0,vy0,vz0)，經(jīng)過(guò)時(shí)間 Δt后得到t1時(shí)刻目標(biāo)的位置為

進(jìn)而根據(jù)t1時(shí)刻的信息可推算得到t2時(shí)刻的位置為

目標(biāo)從運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)的速度為

其中，，則目標(biāo)在的推算航向角為

目標(biāo)從運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)的航向轉(zhuǎn)向角速度為

目標(biāo)在的推算俯仰角為

目標(biāo)從運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)的俯仰角轉(zhuǎn)向角速度為

6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，第20個(gè)節(jié)點(diǎn)艦船為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采用α-β-γ濾波算法，對(duì)1～19個(gè)艦船進(jìn)行測(cè)量，即被測(cè)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)被測(cè)目標(biāo)艦船做圓周勻速運(yùn)動(dòng)，初始距離分布在2km～20m之間，初始速度在20kn～40kn之間勻速運(yùn)動(dòng)，被測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量態(tài)勢(shì)圖如圖3～5所示。圖3表示為初始狀態(tài)下，被測(cè)目標(biāo)未經(jīng)過(guò)濾波處理，真實(shí)位置與預(yù)估目標(biāo)位置存在較大的誤差；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間運(yùn)動(dòng)后，被測(cè)目標(biāo)與外推值位置無(wú)限接近，如圖4所示，當(dāng)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)后，真實(shí)動(dòng)目標(biāo)位置與預(yù)估外推位置重合，如圖5所示，1～19被測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量值與外推值誤差值，圖6所示。

圖3 動(dòng)目標(biāo)初始運(yùn)動(dòng)位置

圖4 動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)中

圖5 動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定

圖6 動(dòng)目標(biāo)與外推值誤差

7 結(jié)語(yǔ)

由上述試驗(yàn)結(jié)果表明，采用α-β-γ濾波算法可以有效地對(duì)干擾進(jìn)行剔除，通過(guò)外推算法可以精確地預(yù)估目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高測(cè)量定位雷達(dá)的測(cè)量與定位精度，運(yùn)用國(guó)產(chǎn)龍芯3A-1000處理器下的道系統(tǒng)（DeltaOS）開(kāi)發(fā)，可以保證雷達(dá)的實(shí)時(shí)性和精度指標(biāo)要求，提高了雷達(dá)的保密安全性，在軍隊(duì)武器裝備具有很大的推廣應(yīng)用意義。

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