火控單元一體化設計與實現

陳緒龍 郝士林 嚴 超

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

火控即火力控制，泛指對火力資源的統籌分配，實施火力打擊等[1]。單獨實現火控解算或者終端顯示控制不但額外增加系統的控制節點和硬件設備，還提高了系統復雜性、增加故障率以及產品成本，無法滿足用戶使用要求；而一體化火控單元設計不但可以兼顧火控解算和終端顯示控制這兩大重要部分功能，還具有減少控制節點、降低成本、操作簡單等優點。當今，高新能計算機、優化的算法以及嚴格的時序設計是影響火控一體化設計的主要原因。

本文主要提出火控單元一體化設計的一種工程實現方法，該方法時序設計滿足火控解算、網絡通信、串口通信、鍵盤操作、終端控制和終端顯示等功能的實時性，具備工程實用性。

1 VxWorks操作系統與DeltaGUI

VxWorks操作系統[2]實時性、微內核設計、可裁剪性、可移植性、可靠性高、專業性強的優點，被廣泛應用在國防工業、航空航天、通信技術、消費電子、工業控制、汽車電子等領域。

在VxWorks操作系統下的圖形顯示顯得尤為重要，DeltaGUI[3]式圖形用戶界面支撐系統，可運行在絕大多數操作系統之上，為嵌入式設備提供輕量級的圖形用戶界面支持。發起顯示的GUI任務，它在優先保證火控解算任務、網絡通信任務實時性的同時很好地兼顧了圖形顯示的更新和鍵盤鼠標響應，使得一體化設計在此基礎上變得更加容易。DeltaGUI層次體系結構見圖1所示，DeltaGUI與系統其他任務聯系見圖2所示。

圖1 DeltaGUI層次體系結構

圖2 DeltaGUI與系統其他任務聯系

2 火控單元一體化

火控單元中的終端顯控與火控解算將火控解算模塊輸出的數據以直觀的圖形信息顯示給火控操作人員，操作人員根據圖形顯示信息做出火力決策，快速正確的決策和對控制指令的實時響應是成功擊毀目標必要條件。

火控單元主要包括火控解算、終端控制和終端顯示等，任務[4]解算在導彈發射前主要完成導彈發射區、殺傷區、彈目遭遇點、彈目遭遇時間等計算[5]，彈發射后完成導彈實時位置和中制導目標信息外推的計算，數據計算量大，實時性高?；鹂亟K端主要完成圖形顯示，響應指令進行圖形更新，大量的圖形更新且長期占用CPU，在某些特殊任務下圖形還會成倍增加。應用合理的任務流程和嚴密時序設計是完成火控一體化設計的關鍵。

3 功能設計

依據某導彈武器系統要求，火力控制軟件功能包括參數裝訂、坐標變換、射擊諸元計算、發射命令的形成、導彈位置計算、中制導和狀態監控等，具體描述如表1所示。

表1 火控功能描述

序號功能名稱功能簡要描述1參數裝訂軟件上電自動加載參數裝訂文件,并支持裝訂參數的在線更新存儲。2坐標變換不同單體間的位置變換功能和速度變換功能。3射擊諸元計算計算目標對于導彈發射車的高、低概率的發射區遠界、發射區近界、不可逃逸發射區遠界、目標到達發射區遠界時間、目標在發射區內滯留時間信息。4發射命令形成各個單體數據判定,判定不同單體間的同步狀態并形成發射命令。5導彈位置計算導彈發射后,軟件周期計算導彈位置。6中制導控制無線電制導設備輻射導彈所在方位角和俯仰角,傳遞加密后的目標參數。7狀態監控對各個單體的時間、時序、故障狀態以顯著的圖形進行顯示并定周期更新。

火控單元需要完成的工作主要包括：響應上級指揮控制單元的命令并上報自身狀態、通過通信控制器對作戰單元內的導彈發射車下發命令和接收導彈狀態、控制無線電指令制導設備發送修正信息參數、響應串口專用鍵盤的正確控制指令和報出并警告錯誤的控制指令、更新終端界面的顯示、響應通用鍵盤觸發事件和完成火控解算任務?；鹂貑卧唧w任務如圖3所示。

4 時序和優先級設計

根據系統指標的要求，在滿足能同時形成6個火力通道攻擊6個目標，每個通道能發射2發導彈，同時制導12發導彈要求的前提條件下，對火控單元工作時序進行設計。以火控通道解算為基礎形成工作時序，一個周期分給6個通道和預留一定量的空閑時間，空閑時間主要用于圖形界面顯示更新。每個通道的時間再分2份，預留給兩發彈，如果有兩發導彈發射兩個時間片分別用于完成導彈位置計算；如果只有發射1發導彈，一個時間片計算導彈位置，另一個再計算發射前的發射條件判定解算，還能給出發射區等發射的決策信息，能快速地對目標實行再次攔截；如果沒有導彈發射，只利用一個時間片進行射前計算，另一個時間片空閑，這樣設計能保證時間利用的高效性。

圖3 火控任務圖

可見對周期的設計，主要取決于射前解算、導彈位置解算、網絡通信的最大量觸發占用時間、圖形最大更新時間。射前解算和導彈位置解算占用一個時間片，它是一個時間片的時間長短的主要決定因素。網絡隨機觸發任務主要是對控制令的解析、數據的發送和控制邏輯的判定，只占用了很小的時間，最后留一定時間響應圖形界面更新。12個時間片中單個時間片解算占用最大時間為32 ms，設計時給每個時間片分配40 ms，空閑的圖形更新時間分配20 ms，形成500 ms的工作周期。在工程設計實現上，周期的形成是以輔助時鐘計數，每20 ms釋放一次基準信號量，以基準信號量形成周期，以40 ms順序控制火控解算和最后20 ms更新圖形。時序見圖4，周期計算見式(1)。

圖4 火控工作時序

T=6×2×40+20

(1)

其中：T為工作周期，6表示火力通道總數，2表示每個通道內最多可同時發射的2發導彈，40表示一個時間片的時間40 ms，20表示一個周期末用于圖形更新的時間20 ms。

VxWorks采用基于時間片輪轉和優先級調度算法，對發起的任務進行調度。合理的設置任務的優先級，也是保證任務實時性的關鍵因素之一。在時序設計時，已經分給GUI任務中圖形處理一定時間，界面圖形更新采用選擇性更新，選擇性更新指的是在更新時只更新發生變化并且至于屏幕頂部的部分，不發生變化和被覆蓋部分不進行更新，20 ms能滿足圖形的更新需求，而通用鼠標鍵盤在CPU空閑時都能響應，故可將其設置優先級最低。解算任務需要長時間占用CPU，解算任務必須低于或者等于網絡和串口收發任務。在網絡任務中，指令機通信任務優先級最高，才能保證每次制導周期來臨時都能及時對空中的導彈進行目標指示。任務優先級設置如圖5所示。

5 仿真驗證

5.1 仿真環境

1)硬件環境：火控系統、調試計算機、調試網線及交換機，火控系統包括火控計算機、顯示器、通用鼠標鍵盤、專用鼠標鍵盤。

圖5 火控任務優先級

2)軟件環境：火力控制軟件、劇情模擬軟件、指控模擬軟件、指令發射機模擬軟件、發射車模擬軟件。

仿真試驗中硬件連接關系如圖6所示。

5.2 仿真步驟

1)火控軟件和安裝在調試計算機上的模擬軟件全部啟動接入交換機；

圖6 仿真連接關系

2)劇情模擬軟件模擬6批目標，發射車模擬軟件模擬6輛導彈發射車，指令機模擬軟件進入授時和制導請求模式；

3)指揮控制軟件將模擬目標分配給火控軟件，根據提示通過專用鍵盤準備2發導彈、發射2發導彈，在操作過程中不停地通過鼠標切換火控界面；仿真界面如圖7所示。

5.3 仿真結果

測試前與測試中的主要不同在于鼠標移動速度稍微變慢，主要因為鼠標的響應放在了CPU空閑時間進行處理，而仿真是在火控軟件進行大運算量情況下進行的，解算任務基本占滿了時序中的480 ms，只有在解算完成后的剩余時間才能響應鼠標，所以速度會變慢。

通用鍵盤采用向GUI圖形任務發送消息的響應方式，圖形有預先分配好的處理時間，故圖形顯示、更新和通用鍵盤的響應都正常。

專用鍵盤收發任務和網絡數據收發任務處理時間快不會長時間占用CPU，且優先級高于解算主任務，可以打斷低優先級的解算任務，不會造成低優先級的任務被阻塞。所以網絡監控顯示正常。

制導控制屬于最高優先級的網絡任務，更是系統控制的核心，通過測試軟件的顯示，在滿負荷的運作下，也不會丟幀，制導正常，如圖8所示。

圖7 火控仿真界面

圖8 仿真丟幀界面

5.4 仿真結論

仿真結論如表2所示，結果表明：提出的這種異步時序的火控系統，工作接近飽和的情況下，首先保證火控解算實時性的同時，驗證了每個時間片剩余8 ms能滿足通信觸發與回送、通用鼠鍵的響應。也驗證了選擇性更新圖形的高效性，GUI任務保證其他任務的可靠性。

表2 仿真結果對比

測試項測試前測試中圖形圖形更新及菜單切換流暢圖形更新及菜單切換流暢鼠標流暢、無卡頓速度稍微變慢,但不影響操作通用鍵盤按鍵響應及時按鍵響應及時專用鍵盤按鍵觸發正常及報警及時按鍵觸發正常及報警及時網絡丟包通信監控顯示正常無閃紅通信監控顯示正常無閃紅制導控制制導請求幀數與制導回復幀數一致,無丟幀制導請求幀數與制導回復幀數一致無丟幀

6 結束語

本文提出了某種復合制導導彈武器系統的火控解算和終端顯控的一體化設計方法，該方法可以兼顧解算、通信、鍵盤操作、終端控制和顯示等功能，通過仿真驗證和工程實踐，證明該方法能實現火控任務，具備工程實用性。