基于VxWorks武控仿真系统设计与实现∗

孙茂义 王志恒

（91550部队 大连 116023）

1 引言

目前，嵌入式实时操作系统已在导弹武控系统设计和建设中得到较大范围的应用，VxWorks操作系统具有丰富的接口资源、支持多任务并行和实时性强等优点，使它成为了实时操作系统的最优选择之一［1～2］。导弹武控系统是导弹武器系统中火力单元作战控制的最核心部分，主要用于响应指挥控制系统的各种命令和消息，处理探测系统中的各种信息，组织武控系统火力配置并控制导弹武器发射。随着科技的进步，导弹武器系统对于武控系统功能要求越来越多，性能要求越来越高，在实现多种复杂任务功能的同时又必须保证任务处理的实时性。将VxWorks嵌人式实时操作系统应用于导弹武控系统软件的设计和开发之中，通过多任务并行的合理设计能够提高导弹武器控制系统的实时性和可靠性［3］。

在评定武控系统性能时，传统做法是通过大量试验来验证其战术技术性能指标是否合格。受各种试验条件的制约，部分性能无法使用试验充分检验，某些复杂使用条件仅仅依靠小子样的试验，更难以对武控系统的性能指标进行科学的评定。因此，按照试验为主、仿真为辅的评定思路，项目组开展了基于以太网和VxWorks实时操作系统的武控仿真系统设计与开发，对武控系统的性能指标进行科学、合理的评定［4～5］。

2 系统总体设计

2.1 系统组成

武控仿真系统由硬件和软件两部分组成。系统硬件采用基于高速以太网的分布式体系结构［6～8］，主要包括：1个武器控制节点计算机、1个信息接口节点计算机、1个指挥系统仿真节点计算机、1个导航系统仿真节点计算机、1个信息采集及转发节点计算机、1个仿真态势显示节点计算机、1个数据采集节点计算机、1个数据管理节点计算机和1个网关节点计算机。硬件结构如图1所示。

图1 仿真系统硬件结构图

武控仿真系统软件主要由VxWorks操作系统、武器控制模型、指控系统模型、导航系统模型、信息接口协议、管理软件、配套软件和分布式仿真软件开发运行环境组成。

2.2 系统功能

1）系统具有导弹武控系统仿真、武控系统作战过程及信息交互过程仿真的功能，能够扩展应用于其他导弹武控系统仿真。

2）系统具有对潜艇平台环境进行仿真的功能。能够模拟外围目标环境，配合导弹武控系统进行仿真和测试；能够通过设计不同外围条件的软件测试用例，实现对真实潜艇武控系统作战软件的评估分析。

3）系统具有向数字仿真系统发送相关控制命令和数据装订信息的功能，能够实现对导弹的虚拟发射与控制，并接收返回的状态信息。

4）系统能够与导弹武控系统实装连接，具有实现对实装武控系统仿真激励输入的功能；能够实现导弹武控系统实装接口实时向导弹数字仿真系统发送武控系统实装数据信息的功能。

5）系统具有武控系统（实装/仿真）数据的实时采集、录取、存储、转发功能；能够根据采集的数据进行回放；能够在线搜索、使用武控系统仿真数据。

6）系统能够通过模型封装，将导弹武控系统在线仿真系统以武控组件形式加入试验系统，实现武控组件的初始化和信息的订购与发布。

3 系统软件开发平台

系统软件开发平台基于VxWorks嵌人式实时操作系统，其结构如图2所示［9～10］。

图2 VxWorks操作系统结构图

Vx Works是一个十分高效、资源丰富的实时操作系统，用于嵌入式系统的优势包括：

1）具有十分高效的程序代码；

2）具有非常丰富的接口资源；

3）具有良好的移植性，可适应多种不同的硬件平台。

4 系统建模

4.1 数学模型

数学模型主要包括：

1）导航系统模型；2）目标信息模型；3）潜艇运动信息模型；4）武器控制模型；5）气象信息模型；6）航路规划模型；7）系统授时模型；8）指挥控制模型。

4.2 数学模型的校验

通过对数学仿真试验与实际试验结果的对比，来二次修正数学模型。利用实际试验数据，进行动静态特性的一致性比对，包括导弹经纬高、姿态及特征值的谱特性［11］。

综合采用定性、定量分析方法，将仿真模型计算输出的数据等与导弹试验数据对比。其中定性分析是通过计算导弹试验与仿真试验数据的TIC不等式系数和相关系数给出验证结论；定量分析是通过功率谱估计方法中的最大熵谱估计法对导弹试验与仿真试验动态数据的相容性进行检验，最后综合定性和定量分析结果，给出导弹武控系统模型的验证结论。

4.3 仿真精度控制方法

设统计量X服从正态分布N(μ,σ2)，今由X的一组样本X1，X2，…，Xn，对 μ，σ估值（无偏估值）：

判断在已知置信度的情况下，统计量估计值是否在合适的置信区间内，并由此来判断仿真精度控制是否满足试验要求［12］。

5 系统设计与实现

5.1 武器控制模拟节点软件

武器控制模拟节点软件由主模块、导弹控制模块、发控单元接口模块、网络通讯模块、报文解包模块、人机交互模块、单步指令发送模块、软件流程执行模块、WXML解释器和软件流程脚本组成。武器控制模拟节点软件体系结构如图3所示。

图3 武器控制模拟节点软件体系结构

武器控制模拟节点软件工作流程如图4所示。

图4 武器控制模拟节点软件工作流程

5.2 辅助节点软件

1）艇指系统仿真及目标模拟软件

艇指系统仿真及目标模拟软件启动后，首先进入主模块，初始化全局数据，创建并初始化各组成模块对象，启动运行各模块中的线程，显示人机交互界面。通过人机交互模块，完成态势数据、任务数据和特殊区域数据的设定，显示接收到的状态信息，并能通过人机界面完成导弹的发射流程控制，艇指系统仿真及目标模拟软件选择退出后，主模块终止各运行线程，释放各组成模块占有资源，并退出软件运行。软件体系结构如图5所示。

图5 艇指系统仿真及目标模拟软件体系结构

2）导航系统仿真及时统软件

导航系统仿真和时统软件启动后，首先进入主模块，初始化全局数据，创建并初始化各组成模块对象。通过导航接口模拟模块，完成数据的设定和转换，通过时统模拟模块接收授时服务器发送的时间统一信息，并能通过以太网向信息接口节点发送导航信息、时统信息，同时在人机界面上显示，导航系统仿真和时统软件选择退出后，主模块终止各运行线程，释放各组成模块占有资源，并退出软件运行。软件体系结构如图6所示。

图6 导航系统仿真及时统软件体系结构

3）信息采集及转发软件

软件启动后，首先进入主模块，显示模式选择界面，选择工作模式后，启动相应模式，初始化全局数据，创建并初始化各组成模块对象，启动运行各模块中的线程，通过人机交互模块，完成该模式下的相应功能；选择退出后，终止各运行线程，释放各组成模块占有资源，并退出软件运行。软件体系结构如图7所示。

图7 信息采集及转发软件体系结构

6 结语

基于上述设计，仿真系统集成调试之后，综合采用定性、定量分析方法，将仿真模型计算输出的数据与试验数据对比，通过计算验证了数学模型和控制流程的正确性，仿真数据与实际数据一致性好，且数据采集和数据录取正确。仿真结果表明武控系统设计方案合理、正确，实现了全部总体功能，可信度较高。