火控单元一体化设计与实现

陈绪龙 郝士林 严 超

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

火控即火力控制，泛指对火力资源的统筹分配，实施火力打击等[1]。单独实现火控解算或者终端显示控制不但额外增加系统的控制节点和硬件设备，还提高了系统复杂性、增加故障率以及产品成本，无法满足用户使用要求；而一体化火控单元设计不但可以兼顾火控解算和终端显示控制这两大重要部分功能，还具有减少控制节点、降低成本、操作简单等优点。当今，高新能计算机、优化的算法以及严格的时序设计是影响火控一体化设计的主要原因。

本文主要提出火控单元一体化设计的一种工程实现方法，该方法时序设计满足火控解算、网络通信、串口通信、键盘操作、终端控制和终端显示等功能的实时性，具备工程实用性。

1 VxWorks操作系统与DeltaGUI

VxWorks操作系统[2]实时性、微内核设计、可裁剪性、可移植性、可靠性高、专业性强的优点，被广泛应用在国防工业、航空航天、通信技术、消费电子、工业控制、汽车电子等领域。

在VxWorks操作系统下的图形显示显得尤为重要，DeltaGUI[3]式图形用户界面支撑系统，可运行在绝大多数操作系统之上，为嵌入式设备提供轻量级的图形用户界面支持。发起显示的GUI任务，它在优先保证火控解算任务、网络通信任务实时性的同时很好地兼顾了图形显示的更新和键盘鼠标响应，使得一体化设计在此基础上变得更加容易。DeltaGUI层次体系结构见图1所示，DeltaGUI与系统其他任务联系见图2所示。

图1 DeltaGUI层次体系结构

图2 DeltaGUI与系统其他任务联系

2 火控单元一体化

火控单元中的终端显控与火控解算将火控解算模块输出的数据以直观的图形信息显示给火控操作人员，操作人员根据图形显示信息做出火力决策，快速正确的决策和对控制指令的实时响应是成功击毁目标必要条件。

火控单元主要包括火控解算、终端控制和终端显示等，任务[4]解算在导弹发射前主要完成导弹发射区、杀伤区、弹目遭遇点、弹目遭遇时间等计算[5]，弹发射后完成导弹实时位置和中制导目标信息外推的计算，数据计算量大，实时性高。火控终端主要完成图形显示，响应指令进行图形更新，大量的图形更新且长期占用CPU，在某些特殊任务下图形还会成倍增加。应用合理的任务流程和严密时序设计是完成火控一体化设计的关键。

3 功能设计

依据某导弹武器系统要求，火力控制软件功能包括参数装订、坐标变换、射击诸元计算、发射命令的形成、导弹位置计算、中制导和状态监控等，具体描述如表1所示。

表1 火控功能描述

序号功能名称功能简要描述1参数装订软件上电自动加载参数装订文件,并支持装订参数的在线更新存储。2坐标变换不同单体间的位置变换功能和速度变换功能。3射击诸元计算计算目标对于导弹发射车的高、低概率的发射区远界、发射区近界、不可逃逸发射区远界、目标到达发射区远界时间、目标在发射区内滞留时间信息。4发射命令形成各个单体数据判定,判定不同单体间的同步状态并形成发射命令。5导弹位置计算导弹发射后,软件周期计算导弹位置。6中制导控制无线电制导设备辐射导弹所在方位角和俯仰角,传递加密后的目标参数。7状态监控对各个单体的时间、时序、故障状态以显著的图形进行显示并定周期更新。

火控单元需要完成的工作主要包括：响应上级指挥控制单元的命令并上报自身状态、通过通信控制器对作战单元内的导弹发射车下发命令和接收导弹状态、控制无线电指令制导设备发送修正信息参数、响应串口专用键盘的正确控制指令和报出并警告错误的控制指令、更新终端界面的显示、响应通用键盘触发事件和完成火控解算任务。火控单元具体任务如图3所示。

4 时序和优先级设计

根据系统指标的要求，在满足能同时形成6个火力通道攻击6个目标，每个通道能发射2发导弹，同时制导12发导弹要求的前提条件下，对火控单元工作时序进行设计。以火控通道解算为基础形成工作时序，一个周期分给6个通道和预留一定量的空闲时间，空闲时间主要用于图形界面显示更新。每个通道的时间再分2份，预留给两发弹，如果有两发导弹发射两个时间片分别用于完成导弹位置计算；如果只有发射1发导弹，一个时间片计算导弹位置，另一个再计算发射前的发射条件判定解算，还能给出发射区等发射的决策信息，能快速地对目标实行再次拦截；如果没有导弹发射，只利用一个时间片进行射前计算，另一个时间片空闲，这样设计能保证时间利用的高效性。

图3 火控任务图

可见对周期的设计，主要取决于射前解算、导弹位置解算、网络通信的最大量触发占用时间、图形最大更新时间。射前解算和导弹位置解算占用一个时间片，它是一个时间片的时间长短的主要决定因素。网络随机触发任务主要是对控制令的解析、数据的发送和控制逻辑的判定，只占用了很小的时间，最后留一定时间响应图形界面更新。12个时间片中单个时间片解算占用最大时间为32 ms，设计时给每个时间片分配40 ms，空闲的图形更新时间分配20 ms，形成500 ms的工作周期。在工程设计实现上，周期的形成是以辅助时钟计数，每20 ms释放一次基准信号量，以基准信号量形成周期，以40 ms顺序控制火控解算和最后20 ms更新图形。时序见图4，周期计算见式(1)。

图4 火控工作时序

T=6×2×40+20

(1)

其中：T为工作周期，6表示火力通道总数，2表示每个通道内最多可同时发射的2发导弹，40表示一个时间片的时间40 ms，20表示一个周期末用于图形更新的时间20 ms。

VxWorks采用基于时间片轮转和优先级调度算法，对发起的任务进行调度。合理的设置任务的优先级，也是保证任务实时性的关键因素之一。在时序设计时，已经分给GUI任务中图形处理一定时间，界面图形更新采用选择性更新，选择性更新指的是在更新时只更新发生变化并且至于屏幕顶部的部分，不发生变化和被覆盖部分不进行更新，20 ms能满足图形的更新需求，而通用鼠标键盘在CPU空闲时都能响应，故可将其设置优先级最低。解算任务需要长时间占用CPU，解算任务必须低于或者等于网络和串口收发任务。在网络任务中，指令机通信任务优先级最高，才能保证每次制导周期来临时都能及时对空中的导弹进行目标指示。任务优先级设置如图5所示。

5 仿真验证

5.1 仿真环境

1)硬件环境：火控系统、调试计算机、调试网线及交换机，火控系统包括火控计算机、显示器、通用鼠标键盘、专用鼠标键盘。

图5 火控任务优先级

2)软件环境：火力控制软件、剧情模拟软件、指控模拟软件、指令发射机模拟软件、发射车模拟软件。

仿真试验中硬件连接关系如图6所示。

5.2 仿真步骤

1)火控软件和安装在调试计算机上的模拟软件全部启动接入交换机；

图6 仿真连接关系

2)剧情模拟软件模拟6批目标，发射车模拟软件模拟6辆导弹发射车，指令机模拟软件进入授时和制导请求模式；

3)指挥控制软件将模拟目标分配给火控软件，根据提示通过专用键盘准备2发导弹、发射2发导弹，在操作过程中不停地通过鼠标切换火控界面；仿真界面如图7所示。

5.3 仿真结果

测试前与测试中的主要不同在于鼠标移动速度稍微变慢，主要因为鼠标的响应放在了CPU空闲时间进行处理，而仿真是在火控软件进行大运算量情况下进行的，解算任务基本占满了时序中的480 ms，只有在解算完成后的剩余时间才能响应鼠标，所以速度会变慢。

通用键盘采用向GUI图形任务发送消息的响应方式，图形有预先分配好的处理时间，故图形显示、更新和通用键盘的响应都正常。

专用键盘收发任务和网络数据收发任务处理时间快不会长时间占用CPU，且优先级高于解算主任务，可以打断低优先级的解算任务，不会造成低优先级的任务被阻塞。所以网络监控显示正常。

制导控制属于最高优先级的网络任务，更是系统控制的核心，通过测试软件的显示，在满负荷的运作下，也不会丢帧，制导正常，如图8所示。

图7 火控仿真界面

图8 仿真丢帧界面

5.4 仿真结论

仿真结论如表2所示，结果表明：提出的这种异步时序的火控系统，工作接近饱和的情况下，首先保证火控解算实时性的同时，验证了每个时间片剩余8 ms能满足通信触发与回送、通用鼠键的响应。也验证了选择性更新图形的高效性，GUI任务保证其他任务的可靠性。

表2 仿真结果对比

测试项测试前测试中图形图形更新及菜单切换流畅图形更新及菜单切换流畅鼠标流畅、无卡顿速度稍微变慢,但不影响操作通用键盘按键响应及时按键响应及时专用键盘按键触发正常及报警及时按键触发正常及报警及时网络丢包通信监控显示正常无闪红通信监控显示正常无闪红制导控制制导请求帧数与制导回复帧数一致,无丢帧制导请求帧数与制导回复帧数一致无丢帧

6 结束语

本文提出了某种复合制导导弹武器系统的火控解算和终端显控的一体化设计方法，该方法可以兼顾解算、通信、键盘操作、终端控制和显示等功能，通过仿真验证和工程实践，证明该方法能实现火控任务，具备工程实用性。