一种雷达信号环境实时仿真方法

2021-11-22钱志亚程焱明

舰船电子对抗 2021年5期

钱志亚，程焱明

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

雷达信号环境实时仿真系统目前在微波暗室中使用较多，本系统在试验过程中能模拟频率2～18 GHz、按50 ms节拍实时变化的高密度复杂电磁信号环境。将被试设备安装在微波暗室的三轴转台上，按预先规划的场景设置一个战情态势来模拟被试设备所面临的战场实时环境，试验时本系统生成的雷达脉冲信号从三元组面阵向三轴转台方向辐射，通过实时调整三元组3个天线的信号发射功率，就可以模拟出雷达脉冲信号相对被试设备的运行轨迹。这样的半实物仿真试验系统具备保密性强、测试成本低、可反复试验的优点。

1 系统硬件组成

雷达信号环境实时仿真系统由信号显控计算机、姿态仿真解算计算机、时统控制计算机、信号源零槽控制计算机、信号环境模拟器、以太网交换机和实时网交换机等硬件组成。

信号显控计算机、姿态仿真解算计算机、时统控制计算机采用研华PCI工控机，在XP+RTX8.1系统下运行，RTX8.1实时操作系统能与XP系统共存于计算机平台，广泛应用于仿真、工业自动化、航空航天等领域，具有良好的实时性和极高的可靠性。时统控制计算机安装时统卡TCRC3001，能接收GPS/BD卫星信号，输出50 ms中断信号，该时统卡是保证整个系统以50 ms节拍实时运行的关键设备。这3台计算机都安装PCI-5565PIORC实时网卡，该网卡的初始化及使用过程如下：在RTX程序或Vxworks程序启动后，打开实时网卡设备获取句柄(RFM2gOpen)，并获取节点号(RFM2gNodeID)。节点号各不相同，可在网卡上进行手动设置。对本程序要用到的中断号进行使能(RFM2gEnableEvent)，中断最多可设4个，本系统每个实时程序只用了1个或2个，然后启动响应中断的线程。在试验过程中通过中断线程实时响应其他节点发来的中断，并进行相应处理。

信号源零槽控制计算机采用VPX总线结构机箱，安装PMC-5565PIORC实时网卡，配备Rapidio通信接口。Rapidio接口主要应用于嵌入式系统内部互连，支持芯片到芯片、板到板间的通信，具有(3.125 GHz)的高速率、低延迟、稳定可靠的特性。信号源零槽控制计算机运行在Vxworks嵌入式实时操作系统下，该系统以良好的可靠性和卓越的实时性广泛应用于通信、军事、航空等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，进行程序开发时需要供应商提供主板BSP驱动开发包和实时网卡驱动。信号源零槽控制计算机的机箱中还安装了1块数字信号处理器(DSP)板接口，其控制程序和DSP之间通过Rapidio接口进行通信。Rapidio接口的初始化及使用过程如下：Vxworks程序启动后，对Rapidio接口进行初始化，获取句柄(tsi721GetDeviceHandle)，检查链路是否正常(tsi721RioLocalRead4)。分配直接存储器访问(DMA)内存空间(vxbDmaBufTagCreate等函数)。然后进行数据测试，往内存空间写入一些数据(tsi721RioDmaWrite)，再从该地址读取这些数据(tsi721RioDmaRead)，如果数据相同，则初始化成功。通过Rapidio接口向DSP通信时，先往指定地址1和地址2写入数据和报文长度，再发送门铃消息(tsi721RioDoorbellSend)，然后进入while循环函数，不停地去读计数器地址。如果计数器值变了，再去指定的数据回告地址读取DSP的回告报文。计数器值变化说明DSP收到门铃消息后，读取数据信息并处理完毕[1]。

信号环境模拟器可模拟连续波、脉冲、调频、调相等各种体制的雷达信号，具备4个通道同时工作的能力，因此能模拟同时四分集信号和同时到达信号。模拟器接收DSP板实时生成的脉冲描述字(PDW)数据，按照每个脉冲的到达时间(TOA)间隔和通道号将脉冲从对应信号发射通道发出去。模拟器最终输出到三元组面阵的喇叭天线，从面阵向三轴转台上的被试设备辐射信号。

以太网交换机采用华为千兆以太网交换机，传输速率10/100/1 000 Mbps。实时网交换机采用美国VMIC公司的ACC-5595反射内存集线器，每个集线器有8个节点端口，可级联扩展。

信号显控计算机作为传输控制协议(TCP)客户端，姿态仿真解算计算机和信号源零槽控制计算机作为TCP服务端，通过以太网来进行数据交换。所有计算机的实时网卡通过光纤连接到实时网交换机，形成星形连接，通过实时网中断响应和读取数据区来进行数据交换。系统的硬件架构如图1所示。

2 系统软件组成

信号显控计算机、姿态仿真解算计算机、时统控制计算机的控制程序都包括Win界面程序和RTX实时程序两部分，Win程序启动后自动加载RTX程序，在Win程序中创建共享内存和事件，在RTX程序中打开该共享内存和事件，每个计算机的Win程序和RTX程序之间通过收发各种事件和读写共享内存的方式来进行数据交互。信号源零槽控制计算机的控制程序可以通过以太网和信号显控计算机的Win程序进行非实时通信，通过实时网与信号显控计算机和时统控制计算机的RTX程序进行实时通信[2]。

信号显控软件在试验前主要完成战情态势设置功能，按照预先规划的场景，设置一个被试设备和若干个信号平台，信号平台的载体类型包括陆基平台、舰载平台、机载平台和弹载平台。被试设备需要设置接收灵敏度等工作参数，每个信号平台上配置若干个雷达辐射源信号，雷达信号参数包括载频、重频、脉宽、脉内调制、扫描、天线方向图、发射功率、优先级等。被试设备和信号平台根据规划场景设置各自的运行轨迹和运行速度。战情态势设置完毕后，可进行脱机预演，检查是否符合要求。在试验过程中完成战情态势的试验流程控制、战情态势显示，各信号平台相对被试设备的方位、俯仰角和距离信息的解算功能，整个系统中只有该软件需要人员操控。

姿态仿真解算软件主要完成在试验开始时刻和每个50 ms节拍时提前解算下一个节拍的被试设备姿态信息，并通过实时网发送姿态信息给信号显控软件。每一个被试设备都单独开发一个姿态信息解算动态库动态链接库(DLL)程序，统一输入和输出接口，方便加载调用。

时统控制软件主要完成在试验过程中定时发送50 ms中断的功能。接收GPS/BD卫星的秒脉冲信号，并在相邻2个秒脉冲信号之间按50 ms间隔精确细分为20等份，在试验开始后通过实时网光纤在每个50 ms节拍时发送一个中断信号到其他计算机的实时网卡上。

信号源零槽控制软件主要完成与信号显控软件、时统控制软件和DSP的数据交互功能。通过以太网接收信号显控软件发送的初始化参数报文、雷达信号模式更新报文、雷达信号参数更新报文等，通过实时网接收时统控制软件的试验开始、试验停止命令以及50 ms节拍命令。通过实时网接收信号显控软件发送的平台航迹更新报文。信号源零槽控制软件通过Rapidio接口与DSP进行通信，DSP用来实时解算50 ms内信号环境模拟器将要发出的PDW脉冲数据，并将解算结果发送给信号环境模拟器。

3 仿真试验流程

3.1 初始化过程

信号显控Win程序加载战情态势并点击“初始化”按钮，通过以太网发送被试设备轨迹设置参数到姿态仿真解算计算机，发送雷达信号参数等报文到信号源零槽控制计算机。将解算初始时刻各信号平台相对被试设备的方位、俯仰和距离信息，通过RTX程序写入实时网数据区2。

3.2 试验开始过程

在信号显控Win程序点击“试验开始”按钮，因为点击按钮的时刻不可能刚好是时统卡50 ms的那个时刻，所以此时并非真的试验开始，必须把试验开始命令发送给时统控制计算机的RTX程序，由它在下个50 ms节拍时再把试验开始命令发给其他计算机。信号显控的RTX程序收到Win程序下发的试验开始事件后，通过实时网写入试验开始命令(命令码为1)到命令区，并发送中断1到时统控制计算机。时统控制计算机的RTX程序收到中断1响应后，读取命令区，判断命令码为试验开始命令，便在下一个50 ms节拍到来后，立即发送中断2到姿态仿真解算计算机和信号源零槽控制计算机，这2个计算机的RTX实时程序收到中断2后，判断命令码为试验开始命令后便进入试验开始状态。

信号源零槽控制计算机收到试验开始命令后，从数据区2中读取各信号平台相对被试设备的方位、俯仰和距离信息，并通过Rapidio接口发送到DSP中，DSP实时解算50 ms内的PDW脉冲数据。DSP解算流程如下：先把处于工作状态的雷达信号按优先级排序，根据雷达信号设置参数，各自生成50 ms内的一串PDW数据队列，每个PDW都有一个TOA时间值，再根据气象参数、PDW的频率、雷达信号平台与被试设备的距离算出每个PDW的功率。如果低于被试设备灵敏度则丢弃该PDW，DSP将队列中优先级高的PDW分配到4个通道中的空闲通道，如果某一时刻有多于4个的PDW要发送，则舍弃优先级低的PDW；如果优先级一样，则舍弃信号功率低的PDW。最终将所有的PDW按TOA时间发送给信号模拟器。

姿态仿真解算计算机收到试验开始命令后，提前解算50 ms之后被试设备的姿态信息，写入实时网的数据区1中，并向信号显控计算机发送中断3。信号显控计算机的RTX程序收到中断3响应后，读取数据区1中被试设备的姿态信息，然后解算各信号平台在50 ms之后的位置信息，并解算各信号平台相对被试设备的方位、俯仰和距离信息，写入实时网数据区2。

3.3 试验运行过程

试验开始后，时统控制计算机每个50 ms节拍在命令区写入命令码3，并发送中断2到姿态仿真解算计算机和信号源零槽控制计算机，运行流程与时统控制计算机发出试验开始命令后的运行流程一致。试验运行过程中，信号源零槽控制计算机收到信号显控计算机的以太网报文时，先存放在缓冲区中暂不处理，等待下一个50 ms的实时网数据处理完毕，再发送该以太网报文到DSP中，这样就保证了系统的高实时性。