錢志亞，程焱明

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達信號環(huán)境實時仿真系統(tǒng)目前在微波暗室中使用較多，本系統(tǒng)在試驗過程中能模擬頻率2～18 GHz、按50 ms節(jié)拍實時變化的高密度復雜電磁信號環(huán)境。將被試設備安裝在微波暗室的三軸轉(zhuǎn)臺上，按預先規(guī)劃的場景設置一個戰(zhàn)情態(tài)勢來模擬被試設備所面臨的戰(zhàn)場實時環(huán)境，試驗時本系統(tǒng)生成的雷達脈沖信號從三元組面陣向三軸轉(zhuǎn)臺方向輻射，通過實時調(diào)整三元組3個天線的信號發(fā)射功率，就可以模擬出雷達脈沖信號相對被試設備的運行軌跡。這樣的半實物仿真試驗系統(tǒng)具備保密性強、測試成本低、可反復試驗的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)硬件組成

雷達信號環(huán)境實時仿真系統(tǒng)由信號顯控計算機、姿態(tài)仿真解算計算機、時統(tǒng)控制計算機、信號源零槽控制計算機、信號環(huán)境模擬器、以太網(wǎng)交換機和實時網(wǎng)交換機等硬件組成。

信號顯控計算機、姿態(tài)仿真解算計算機、時統(tǒng)控制計算機采用研華PCI工控機，在XP+RTX8.1系統(tǒng)下運行，RTX8.1實時操作系統(tǒng)能與XP系統(tǒng)共存于計算機平臺，廣泛應用于仿真、工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，具有良好的實時性和極高的可靠性。時統(tǒng)控制計算機安裝時統(tǒng)卡TCRC3001，能接收GPS/BD衛(wèi)星信號，輸出50 ms中斷信號，該時統(tǒng)卡是保證整個系統(tǒng)以50 ms節(jié)拍實時運行的關(guān)鍵設備。這3臺計算機都安裝PCI-5565PIORC實時網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡的初始化及使用過程如下：在RTX程序或Vxworks程序啟動后，打開實時網(wǎng)卡設備獲取句柄(RFM2gOpen)，并獲取節(jié)點號(RFM2gNodeID)。節(jié)點號各不相同，可在網(wǎng)卡上進行手動設置。對本程序要用到的中斷號進行使能(RFM2gEnableEvent)，中斷最多可設4個，本系統(tǒng)每個實時程序只用了1個或2個，然后啟動響應中斷的線程。在試驗過程中通過中斷線程實時響應其他節(jié)點發(fā)來的中斷，并進行相應處理。

信號源零槽控制計算機采用VPX總線結(jié)構(gòu)機箱，安裝PMC-5565PIORC實時網(wǎng)卡，配備Rapidio通信接口。Rapidio接口主要應用于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部互連，支持芯片到芯片、板到板間的通信，具有(3.125 GHz)的高速率、低延遲、穩(wěn)定可靠的特性。信號源零槽控制計算機運行在Vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng)下，該系統(tǒng)以良好的可靠性和卓越的實時性廣泛應用于通信、軍事、航空等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，進行程序開發(fā)時需要供應商提供主板BSP驅(qū)動開發(fā)包和實時網(wǎng)卡驅(qū)動。信號源零槽控制計算機的機箱中還安裝了1塊數(shù)字信號處理器(DSP)板接口，其控制程序和DSP之間通過Rapidio接口進行通信。Rapidio接口的初始化及使用過程如下：Vxworks程序啟動后，對Rapidio接口進行初始化，獲取句柄(tsi721GetDeviceHandle)，檢查鏈路是否正常(tsi721RioLocalRead4)。分配直接存儲器訪問(DMA)內(nèi)存空間(vxbDmaBufTagCreate等函數(shù))。然后進行數(shù)據(jù)測試，往內(nèi)存空間寫入一些數(shù)據(jù)(tsi721RioDmaWrite)，再從該地址讀取這些數(shù)據(jù)(tsi721RioDmaRead)，如果數(shù)據(jù)相同，則初始化成功。通過Rapidio接口向DSP通信時，先往指定地址1和地址2寫入數(shù)據(jù)和報文長度，再發(fā)送門鈴消息(tsi721RioDoorbellSend)，然后進入while循環(huán)函數(shù)，不停地去讀計數(shù)器地址。如果計數(shù)器值變了，再去指定的數(shù)據(jù)回告地址讀取DSP的回告報文。計數(shù)器值變化說明DSP收到門鈴消息后，讀取數(shù)據(jù)信息并處理完畢[1]。

信號環(huán)境模擬器可模擬連續(xù)波、脈沖、調(diào)頻、調(diào)相等各種體制的雷達信號，具備4個通道同時工作的能力，因此能模擬同時四分集信號和同時到達信號。模擬器接收DSP板實時生成的脈沖描述字(PDW)數(shù)據(jù)，按照每個脈沖的到達時間(TOA)間隔和通道號將脈沖從對應信號發(fā)射通道發(fā)出去。模擬器最終輸出到三元組面陣的喇叭天線，從面陣向三軸轉(zhuǎn)臺上的被試設備輻射信號。

以太網(wǎng)交換機采用華為千兆以太網(wǎng)交換機，傳輸速率10/100/1 000 Mbps。實時網(wǎng)交換機采用美國VMIC公司的ACC-5595反射內(nèi)存集線器，每個集線器有8個節(jié)點端口，可級聯(lián)擴展。

信號顯控計算機作為傳輸控制協(xié)議(TCP)客戶端，姿態(tài)仿真解算計算機和信號源零槽控制計算機作為TCP服務端，通過以太網(wǎng)來進行數(shù)據(jù)交換。所有計算機的實時網(wǎng)卡通過光纖連接到實時網(wǎng)交換機，形成星形連接，通過實時網(wǎng)中斷響應和讀取數(shù)據(jù)區(qū)來進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件組成

信號顯控計算機、姿態(tài)仿真解算計算機、時統(tǒng)控制計算機的控制程序都包括Win界面程序和RTX實時程序兩部分，Win程序啟動后自動加載RTX程序，在Win程序中創(chuàng)建共享內(nèi)存和事件，在RTX程序中打開該共享內(nèi)存和事件，每個計算機的Win程序和RTX程序之間通過收發(fā)各種事件和讀寫共享內(nèi)存的方式來進行數(shù)據(jù)交互。信號源零槽控制計算機的控制程序可以通過以太網(wǎng)和信號顯控計算機的Win程序進行非實時通信，通過實時網(wǎng)與信號顯控計算機和時統(tǒng)控制計算機的RTX程序進行實時通信[2]。

信號顯控軟件在試驗前主要完成戰(zhàn)情態(tài)勢設置功能，按照預先規(guī)劃的場景，設置一個被試設備和若干個信號平臺，信號平臺的載體類型包括陸基平臺、艦載平臺、機載平臺和彈載平臺。被試設備需要設置接收靈敏度等工作參數(shù)，每個信號平臺上配置若干個雷達輻射源信號，雷達信號參數(shù)包括載頻、重頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制、掃描、天線方向圖、發(fā)射功率、優(yōu)先級等。被試設備和信號平臺根據(jù)規(guī)劃場景設置各自的運行軌跡和運行速度。戰(zhàn)情態(tài)勢設置完畢后，可進行脫機預演，檢查是否符合要求。在試驗過程中完成戰(zhàn)情態(tài)勢的試驗流程控制、戰(zhàn)情態(tài)勢顯示，各信號平臺相對被試設備的方位、俯仰角和距離信息的解算功能，整個系統(tǒng)中只有該軟件需要人員操控。

姿態(tài)仿真解算軟件主要完成在試驗開始時刻和每個50 ms節(jié)拍時提前解算下一個節(jié)拍的被試設備姿態(tài)信息，并通過實時網(wǎng)發(fā)送姿態(tài)信息給信號顯控軟件。每一個被試設備都單獨開發(fā)一個姿態(tài)信息解算動態(tài)庫動態(tài)鏈接庫(DLL)程序，統(tǒng)一輸入和輸出接口，方便加載調(diào)用。

時統(tǒng)控制軟件主要完成在試驗過程中定時發(fā)送50 ms中斷的功能。接收GPS/BD衛(wèi)星的秒脈沖信號，并在相鄰2個秒脈沖信號之間按50 ms間隔精確細分為20等份，在試驗開始后通過實時網(wǎng)光纖在每個50 ms節(jié)拍時發(fā)送一個中斷信號到其他計算機的實時網(wǎng)卡上。

信號源零槽控制軟件主要完成與信號顯控軟件、時統(tǒng)控制軟件和DSP的數(shù)據(jù)交互功能。通過以太網(wǎng)接收信號顯控軟件發(fā)送的初始化參數(shù)報文、雷達信號模式更新報文、雷達信號參數(shù)更新報文等，通過實時網(wǎng)接收時統(tǒng)控制軟件的試驗開始、試驗停止命令以及50 ms節(jié)拍命令。通過實時網(wǎng)接收信號顯控軟件發(fā)送的平臺航跡更新報文。信號源零槽控制軟件通過Rapidio接口與DSP進行通信，DSP用來實時解算50 ms內(nèi)信號環(huán)境模擬器將要發(fā)出的PDW脈沖數(shù)據(jù)，并將解算結(jié)果發(fā)送給信號環(huán)境模擬器。

3 仿真試驗流程

3.1 初始化過程

信號顯控Win程序加載戰(zhàn)情態(tài)勢并點擊“初始化”按鈕，通過以太網(wǎng)發(fā)送被試設備軌跡設置參數(shù)到姿態(tài)仿真解算計算機，發(fā)送雷達信號參數(shù)等報文到信號源零槽控制計算機。將解算初始時刻各信號平臺相對被試設備的方位、俯仰和距離信息，通過RTX程序?qū)懭雽崟r網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)2。

3.2 試驗開始過程

在信號顯控Win程序點擊“試驗開始”按鈕，因為點擊按鈕的時刻不可能剛好是時統(tǒng)卡50 ms的那個時刻，所以此時并非真的試驗開始，必須把試驗開始命令發(fā)送給時統(tǒng)控制計算機的RTX程序，由它在下個50 ms節(jié)拍時再把試驗開始命令發(fā)給其他計算機。信號顯控的RTX程序收到Win程序下發(fā)的試驗開始事件后，通過實時網(wǎng)寫入試驗開始命令(命令碼為1)到命令區(qū)，并發(fā)送中斷1到時統(tǒng)控制計算機。時統(tǒng)控制計算機的RTX程序收到中斷1響應后，讀取命令區(qū)，判斷命令碼為試驗開始命令，便在下一個50 ms節(jié)拍到來后，立即發(fā)送中斷2到姿態(tài)仿真解算計算機和信號源零槽控制計算機，這2個計算機的RTX實時程序收到中斷2后，判斷命令碼為試驗開始命令后便進入試驗開始狀態(tài)。

信號源零槽控制計算機收到試驗開始命令后，從數(shù)據(jù)區(qū)2中讀取各信號平臺相對被試設備的方位、俯仰和距離信息，并通過Rapidio接口發(fā)送到DSP中，DSP實時解算50 ms內(nèi)的PDW脈沖數(shù)據(jù)。DSP解算流程如下：先把處于工作狀態(tài)的雷達信號按優(yōu)先級排序，根據(jù)雷達信號設置參數(shù)，各自生成50 ms內(nèi)的一串PDW數(shù)據(jù)隊列，每個PDW都有一個TOA時間值，再根據(jù)氣象參數(shù)、PDW的頻率、雷達信號平臺與被試設備的距離算出每個PDW的功率。如果低于被試設備靈敏度則丟棄該PDW，DSP將隊列中優(yōu)先級高的PDW分配到4個通道中的空閑通道，如果某一時刻有多于4個的PDW要發(fā)送，則舍棄優(yōu)先級低的PDW；如果優(yōu)先級一樣，則舍棄信號功率低的PDW。最終將所有的PDW按TOA時間發(fā)送給信號模擬器。

姿態(tài)仿真解算計算機收到試驗開始命令后，提前解算50 ms之后被試設備的姿態(tài)信息，寫入實時網(wǎng)的數(shù)據(jù)區(qū)1中，并向信號顯控計算機發(fā)送中斷3。信號顯控計算機的RTX程序收到中斷3響應后，讀取數(shù)據(jù)區(qū)1中被試設備的姿態(tài)信息，然后解算各信號平臺在50 ms之后的位置信息，并解算各信號平臺相對被試設備的方位、俯仰和距離信息，寫入實時網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)2。

3.3 試驗運行過程

試驗開始后，時統(tǒng)控制計算機每個50 ms節(jié)拍在命令區(qū)寫入命令碼3，并發(fā)送中斷2到姿態(tài)仿真解算計算機和信號源零槽控制計算機，運行流程與時統(tǒng)控制計算機發(fā)出試驗開始命令后的運行流程一致。試驗運行過程中，信號源零槽控制計算機收到信號顯控計算機的以太網(wǎng)報文時，先存放在緩沖區(qū)中暫不處理，等待下一個50 ms的實時網(wǎng)數(shù)據(jù)處理完畢，再發(fā)送該以太網(wǎng)報文到DSP中，這樣就保證了系統(tǒng)的高實時性。

3.4 試驗停止過程

在信號顯控Win界面程序點擊“試驗停止”按鈕，試驗停止操作流程和試驗開始相似，命令碼為2。其他計算機的RTX程序收到時統(tǒng)控制計算機的試驗停止命令后便進入試驗停止狀態(tài)。

系統(tǒng)的試驗流程如圖2所示。

系統(tǒng)中各個計算機實時網(wǎng)卡的中斷和數(shù)據(jù)流如圖3所示。

4 結(jié)束語

Win程序+RTX程序模式既能滿足界面顯控操作要求，又能滿足實時性要求，本系統(tǒng)經(jīng)過多次測試，各個計算機的RTX實時程序和Vxworks程序都能嚴格按照50 ms節(jié)拍實時工作，為被試設備提供一個實時的復雜高密度雷達信號動態(tài)環(huán)境。