基于VxWorks武控仿真系統設計與實現?

孫茂義 王志恒

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

目前，嵌入式實時操作系統已在導彈武控系統設計和建設中得到較大范圍的應用，VxWorks操作系統具有豐富的接口資源、支持多任務并行和實時性強等優點，使它成為了實時操作系統的最優選擇之一［1～2］。導彈武控系統是導彈武器系統中火力單元作戰控制的最核心部分，主要用于響應指揮控制系統的各種命令和消息，處理探測系統中的各種信息，組織武控系統火力配置并控制導彈武器發射。隨著科技的進步，導彈武器系統對于武控系統功能要求越來越多，性能要求越來越高，在實現多種復雜任務功能的同時又必須保證任務處理的實時性。將VxWorks嵌人式實時操作系統應用于導彈武控系統軟件的設計和開發之中，通過多任務并行的合理設計能夠提高導彈武器控制系統的實時性和可靠性［3］。

在評定武控系統性能時，傳統做法是通過大量試驗來驗證其戰術技術性能指標是否合格。受各種試驗條件的制約，部分性能無法使用試驗充分檢驗，某些復雜使用條件僅僅依靠小子樣的試驗，更難以對武控系統的性能指標進行科學的評定。因此，按照試驗為主、仿真為輔的評定思路，項目組開展了基于以太網和VxWorks實時操作系統的武控仿真系統設計與開發，對武控系統的性能指標進行科學、合理的評定［4～5］。

2 系統總體設計

2.1 系統組成

武控仿真系統由硬件和軟件兩部分組成。系統硬件采用基于高速以太網的分布式體系結構［6～8］，主要包括：1個武器控制節點計算機、1個信息接口節點計算機、1個指揮系統仿真節點計算機、1個導航系統仿真節點計算機、1個信息采集及轉發節點計算機、1個仿真態勢顯示節點計算機、1個數據采集節點計算機、1個數據管理節點計算機和1個網關節點計算機。硬件結構如圖1所示。

圖1 仿真系統硬件結構圖

武控仿真系統軟件主要由VxWorks操作系統、武器控制模型、指控系統模型、導航系統模型、信息接口協議、管理軟件、配套軟件和分布式仿真軟件開發運行環境組成。

2.2 系統功能

1）系統具有導彈武控系統仿真、武控系統作戰過程及信息交互過程仿真的功能，能夠擴展應用于其他導彈武控系統仿真。

2）系統具有對潛艇平臺環境進行仿真的功能。能夠模擬外圍目標環境，配合導彈武控系統進行仿真和測試；能夠通過設計不同外圍條件的軟件測試用例，實現對真實潛艇武控系統作戰軟件的評估分析。

3）系統具有向數字仿真系統發送相關控制命令和數據裝訂信息的功能，能夠實現對導彈的虛擬發射與控制，并接收返回的狀態信息。

4）系統能夠與導彈武控系統實裝連接，具有實現對實裝武控系統仿真激勵輸入的功能；能夠實現導彈武控系統實裝接口實時向導彈數字仿真系統發送武控系統實裝數據信息的功能。

5）系統具有武控系統（實裝/仿真）數據的實時采集、錄取、存儲、轉發功能；能夠根據采集的數據進行回放；能夠在線搜索、使用武控系統仿真數據。

6）系統能夠通過模型封裝，將導彈武控系統在線仿真系統以武控組件形式加入試驗系統，實現武控組件的初始化和信息的訂購與發布。

3 系統軟件開發平臺

系統軟件開發平臺基于VxWorks嵌人式實時操作系統，其結構如圖2所示［9～10］。

圖2 VxWorks操作系統結構圖

Vx Works是一個十分高效、資源豐富的實時操作系統，用于嵌入式系統的優勢包括：

1）具有十分高效的程序代碼；

2）具有非常豐富的接口資源；

3）具有良好的移植性，可適應多種不同的硬件平臺。

4 系統建模

4.1 數學模型

數學模型主要包括：

1）導航系統模型；2）目標信息模型；3）潛艇運動信息模型；4）武器控制模型；5）氣象信息模型；6）航路規劃模型；7）系統授時模型；8）指揮控制模型。

4.2 數學模型的校驗

通過對數學仿真試驗與實際試驗結果的對比，來二次修正數學模型。利用實際試驗數據，進行動靜態特性的一致性比對，包括導彈經緯高、姿態及特征值的譜特性［11］。

綜合采用定性、定量分析方法，將仿真模型計算輸出的數據等與導彈試驗數據對比。其中定性分析是通過計算導彈試驗與仿真試驗數據的TIC不等式系數和相關系數給出驗證結論；定量分析是通過功率譜估計方法中的最大熵譜估計法對導彈試驗與仿真試驗動態數據的相容性進行檢驗，最后綜合定性和定量分析結果，給出導彈武控系統模型的驗證結論。

4.3 仿真精度控制方法

設統計量X服從正態分布N(μ,σ2)，今由X的一組樣本X1，X2，…，Xn，對 μ，σ估值（無偏估值）：

判斷在已知置信度的情況下，統計量估計值是否在合適的置信區間內，并由此來判斷仿真精度控制是否滿足試驗要求［12］。

5 系統設計與實現

5.1 武器控制模擬節點軟件

武器控制模擬節點軟件由主模塊、導彈控制模塊、發控單元接口模塊、網絡通訊模塊、報文解包模塊、人機交互模塊、單步指令發送模塊、軟件流程執行模塊、WXML解釋器和軟件流程腳本組成。武器控制模擬節點軟件體系結構如圖3所示。

圖3 武器控制模擬節點軟件體系結構

武器控制模擬節點軟件工作流程如圖4所示。

圖4 武器控制模擬節點軟件工作流程

5.2 輔助節點軟件

1）艇指系統仿真及目標模擬軟件

艇指系統仿真及目標模擬軟件啟動后，首先進入主模塊，初始化全局數據，創建并初始化各組成模塊對象，啟動運行各模塊中的線程，顯示人機交互界面。通過人機交互模塊，完成態勢數據、任務數據和特殊區域數據的設定，顯示接收到的狀態信息，并能通過人機界面完成導彈的發射流程控制，艇指系統仿真及目標模擬軟件選擇退出后，主模塊終止各運行線程，釋放各組成模塊占有資源，并退出軟件運行。軟件體系結構如圖5所示。

圖5 艇指系統仿真及目標模擬軟件體系結構

2）導航系統仿真及時統軟件

導航系統仿真和時統軟件啟動后，首先進入主模塊，初始化全局數據，創建并初始化各組成模塊對象。通過導航接口模擬模塊，完成數據的設定和轉換，通過時統模擬模塊接收授時服務器發送的時間統一信息，并能通過以太網向信息接口節點發送導航信息、時統信息，同時在人機界面上顯示，導航系統仿真和時統軟件選擇退出后，主模塊終止各運行線程，釋放各組成模塊占有資源，并退出軟件運行。軟件體系結構如圖6所示。

圖6 導航系統仿真及時統軟件體系結構

3）信息采集及轉發軟件

軟件啟動后，首先進入主模塊，顯示模式選擇界面，選擇工作模式后，啟動相應模式，初始化全局數據，創建并初始化各組成模塊對象，啟動運行各模塊中的線程，通過人機交互模塊，完成該模式下的相應功能；選擇退出后，終止各運行線程，釋放各組成模塊占有資源，并退出軟件運行。軟件體系結構如圖7所示。

圖7 信息采集及轉發軟件體系結構

6 結語

基于上述設計，仿真系統集成調試之后，綜合采用定性、定量分析方法，將仿真模型計算輸出的數據與試驗數據對比，通過計算驗證了數學模型和控制流程的正確性，仿真數據與實際數據一致性好，且數據采集和數據錄取正確。仿真結果表明武控系統設計方案合理、正確，實現了全部總體功能，可信度較高。