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基于IMA的电视指令制导系统研究pdf

发布时间:2019-06-19 18:47 来源:未知 编辑:admin

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  第27卷第 1期 计算机应用与软件 V01.27No.1 2010年 1月 ComputerApplicationsandSoftware Jan.2010 基于 IMA的电视指令制导系统研究 李 骞 冯金富 潘 博 许凌权 (空军工程大学工程学院 陕西 西安710038) 摘 要 针对现有的电视指令制导系统功能上的不足和结构体系上的缺陷,首先给出了一种功能更加完善的电视指令制导系统, 然后建立了其基于综合模块化航空电子 IMA(IntegratedModularAvionics)体系结构的系统模型。描述 了IMA体系结构、电视指令制 导系统的硬件和应用软件 ,确定 了相关软件到系统硬件的分配方案以及在故障态时的系统重构方案,其功能原型为综合更全面的航 空电子系统的研究提供有益的价值。 关键词 电视制导 IMA 处理模块 oN TV-CoMM AND GUIDANCE SYSTEM BASED oN IMA LiQian FengJinfu PanBo XuLingquan (CollegeofEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’fin710038,Shaanxi,China) Abstract A performance--enhancedTV--commandguidancesystem ispresentedfirstaimingatthedeficienciesandlimitationsoftraditional system,thenitssystemmodelbasedonintegratedmodularavionics(IMA)architectureisestablished.Inthepaperwedescribedtheraehitec- tureofIntergatedModulra Avionics,thehardwareandapplicationsoftwraeoftheTV·Commandugidancesystem,anddetemr inedthedistribu— tionschemescoveringrelevantsoftwraeand system hardwrae,aswellasthesystem reconstructionplanforfailuresituation.Therespective functionalprototypesprovidedtheirbeneficialvaluetotheresearchesonintegrationofmorecomprehensiveavionicssystems. Keywords TV guidance IMA Processmodule 0 引 言 1 电视指令制导原理 电视制导空地导弹是一种可以在防区外发射的战术中程空 随着嵌入式计算机科学和数字信号处理技术的发展 ,高速 射巡航导弹。导弹发射后,操纵员根据导弹导引头传回的电视 的数据和图像处理已经成为可能。通过融合这些方法,得到一 图像确定导弹位置,并根据图像上的参照物确定导弹飞行的航 种综合电视指令制导系统,如图 1所示。这个系统包括两大部 分,综合电视图像生成部分和电视指令制导部分。 迹…。现有的电视制导方式仅给操纵员显示导弹和 目标的相 对位置和导弹的高度,当遇到复杂的地形、天气环境和敌方干扰 时,会增加操纵员的工作量并降低导弹攻击的成功率。本文提 出的综合电视指令制导希望融合电视图像制导、地形匹配 、辅助 导航等方法,提供给飞行员更加丰富实时的信息,如实际弹道、 障碍物报警等。 另外现有的电视指令制导系统一般为封闭式的系统结构, 即当前现役和在研的飞机与电视指令制导系统之间的综合 (通 过武器控制系统实现)都是在设计时实现的,在武器控制系统 中用于控制机载电视指令制导系统的控制程序是在设计时搭建 图1 电视指令制导系统原理图 在图像生成部分,综合图像的生成是建立在运用能实时更 的,所以某种定型飞机所携带 的电视指令制导系统的型号也是 新的数据库如地形特征数据库的基础上。地形特征数据库是在 设计时固定的,当需要加装新型电视指令制导系统或对其采用 攻击前,通过航拍、卫星侦察等手段对导弹巡航路线和被攻击 区 新技术时,则需对载机的武器控制系统进行软、硬件的更改,甚 域进行侦察得到的,它应当包含威胁导弹低空巡航的建筑、塔台 至需要重新设计、重新构形。这样大大增加了装备升级的费用 , 本文将综合模块化航空电子体系结构 IMA引入电视指令制导 收稿 日期:2008—08—22。军队重点科研项 目(KJ08056)。李骞 , 系统的体系结构设计中,希望能解决这个 问题。 博士生,主研领域:机载制导武器系统技术与运用 。 计算机应用与软件 2010血 和山丘等的信息 ,这些信息应该被数据和图像处理软件处理和 严格地控制各种硬件资源。蓝图也定义系统在出现故障时的系 显示。当电视图像数据传到载机后,数据处理器将把它与地形 统重构方案。 特征数据库中的地形数据进行比较融合,得到最新的实时地形 IMA核心系统和 目前的可更换单元的根本差别在于,IMA 数据,这样当导弹航迹的部分地形因自然环境或人为地被遮挡 系统中应用软件并不是驻留在模块上 ,而是存储在数据存储设 时,仍然可以提供完整信息的图像。导弹的真实航迹由电视制 备中,在系统初始化或者配置时作为初始化或者配置一部分被 导和其他导航系统如捷联惯导+GPS/GLONASS所提供 的信息 下载到模块上。 确定。最后包含电视传感器图像特征的合成图像,传感器图像、 2.2 IMA软件结构 相关的导航数据、预先装订的航迹规划数据以及障碍物告警等 为了防止底层硬件对应用软件的影响,IMA将应用软件设 信息就会被融合到机载显示器上。在导弹巡航阶段,操纵员根 计和系统硬件设计严格区分开来,以达到系统的开放性。硬件 据实际弹道和预先装订的弹道以及航迹上的地形特征通过机载 独立是 IMA软件结构的主要特点 ,主要解决在硬件升级时需要 操纵机构产生导弹的控制信号,对 目标进行探测和识别后,可由 更换与之相配套的软件的高成本问题。这种体系结构的中心思 机载 自动跟踪系统转入 自动跟踪,或由操纵员通过操纵机构发 想是采用分层的概念,整个软件结构分为三层:应用层、操作系 送控制指令,这些导弹控制指令信号经过编码加密后通过无线 统层 、模块支持层,主要包括应用软件、操作系统 (OS)、通用系 电发送给导弹 。 统管 理 (GSM)、运 行 蓝 图 (RTBP)、模 块 支 持 层,如 图 3 所示 ] 2 基于IMA的软件模型 上述的综合电视指令指导系统将采用综合模块化航空电子 体系结构,下面介绍 IMA的思想和软件模型。 2.1 皿 A 综合模块化航电系统通过采用模块化的设计方法以及在模 块间采用开放的标准化接 口,使系统硬件与操作系统和系统应 用软件相隔离,减少由于系统和部件老化引起系统更新或升级 时的成本 。开放式综合化模块化系统所要达到的一般性 目 标是: 软件可移植性 在技术开放的基础上应用功能能很容易地 在不同硬件平台上实现。 技术开放性 技术开放性包括两个方面。系统构架的可扩 展性 ,以确保能在武器服役期间增加新的能力;技术的可扩展 性 ,以最小的改动采用最新的技术实现系统升级和升级代价最 图3 1MA软件结构图 小化 。 应用层包括应用软件和应用管理两部分,是实现航电系统 容错性 由于系统重构的能力而提高系统的可靠性。 作战使用的具体应用代码(或功能)的平台。 IMA系统包括一系列由一个通信网络连接起来的的标准化 操作系统层包括机载计算机操作系统 、通用系统管理和系 的可互换的处理单元,这些处理模块集中于一个核心模块中,包 统蓝图的运行部分 ,提供应用软件层的公共服务。通用系统管 含了所有的计算处理功能,如数据、信号、图像等处理功能,核心 理管理应用程序需要的处理和通信资源,操作系统提供访问这 模块的硬件能在软件的控制下通过系统配置有效地完成具体的 些资源的程序。使用这种软件结构的主要好处是软件具有可移 任务,即接收由传感器传来的数据加以处理和产生输出信号给 植性。软件的可移植性主要由一个标准化的应用程序到操作系 平台的受动器,如图2所示。 统层的接 口来提供。这个接 口是应用软件在整个软件结构中唯 一 的可视化接 口,应用软件仅仅依靠这个接 口满足它的处理和 通信资源要求。 ‘ 【嚣I 模块支持层是硬件调用层,操作系统和应用软件通过模块 \\ ... ..... ..... 支持层词用硬件资源。高层次的操作系统和应用软件及具体的 \\‘ 硬件是相互独立的,硬件的改变不会影响操作系统层和应用层 软件。 蓝图提供资源和系统配置的定义。系统的硬件资源和应用 图2 电视指令制导系统的IMA原理图 软件独立的操作系统的连接 由通用系统管理和运行蓝图来 为了完成IMA系统的任务应对整个系统进行有效的管理。 完成 系统管理的一个最主要的功能是管理应用程序的控制,包括应 用程序的初始化、启动、终止和移出。系统管理的另一个基本任 3 基于IMA的电视指令制导系统 务是故障管理,辨别、标识、配置和定位系统的故障,并对系统进 行重构。系统管理按照蓝图来进行,系统蓝图提供系统资源和 3.1 硬件和系统运行环境 系统配置方案的定义。系统配置在时间上是确定的,保证系统 目前专用的IMA软硬件平台还没有开发出来,设计者的基 第 1期 李骞等:基于IMA的电视指令制导系统研究 67 本选择是将当前基于COTS的软硬件作为过渡处理平台。COTS 图像图形融合显示 在相关控制指令形成相应的图形信息 产品在适应新 的硬件上显示出了极大 的弹性和经济性,基于 指令后 ,经大容量存储器进入图形形成器 ,在图形形成器中形成 COTS的操作系统能够使操作系统层有效地使用同样是 COTS 图形符号 ,这些图形符号经图像融合软件与地形图像通道送来 的硬件资源。倘若有一个和 COTS硬件具有兼容性的稳定的应 的视频信号合成 ,在显示器上显示出既有地形图像又有飞行航 用程序接 口,一个 COTS实时操作系统因此能很好地支持从传 迹、瞄准符号、参数字符的画面。 统的紧密耦合的系统结构向IMA系统转变 ’。 指令信号生成处理 根据操纵员的动作产生控制导弹飞行 LynxOS,一种 COTS 实时操作系统,在这里作为操作系统层 状态的二进制指令信号,如巡航高度等。 的核心部件 ,将设计成一个显示操作系统,使用 64位的VME 指令信号加密 对上述指令信号进行加密处理 ,防止敌方 来实现对外通信。数据处理硬件包括数据处理模块 ,由Power- 干扰,并传给无线电指令发射机。 Pc微处理器SBC(SingleBoardComputer)组成。信号处理硬件 图4显示了相关软件到电视指令制导系统硬件的分配方 为多个数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessing),通过这 案。整个核心处理部件包括四个处理模块:TV模块、导航模 些数字信号处理器高度内部互连,是实现信号处理运算的最有 块 、人机接 口模块 (MMI)、无线 电控制指令模块。在 TV模块 效方法,并且这些处理器应和进行数据处理特征的功能分开。 中,有三个信号处理单元 、两个数据处理单元、三个图像处理单 图像处理硬件包括2个图像处理模块,由3DPCI转接卡 (PMC) 元 、四个大容量存储单元。一个信号处理单元将把 Ⅳ 传感器 组成,支持OpenGL,安装在微处理器上。与PowerPC微处理器 信号转化为图像数据,一个数据处理单元处理这些数据,一个大 通用的固体存储器提供通用的大容量存储能力,存储下载到模 容量存储单元存储下载本模块所需的应用软件、功能库、数据库 块的应用软件、功能库、数据库和表。通信单元包括有关的网络 和表等,其余的处理资源作为人机接 口模块的备用资源。在人 接 口,就像PMC模块安装在 PowerPC微处理器上 ,提供必要的 机接 口模块 中处理资源和TV模块一样 ,其中两个信号处理单 模拟和离散的输入输出。 元分别处理 由操纵员控制产生的无线电指令生成信号和图形信 由于硬件性能的局限性 ,在执行 IMA观念时存在下列约 息信号 ,一个数据处理单元处理地形数据库和 TV传感器提供 束:(1)只能解决较小的错误;(2)由蓝图决定的系统重构能力 的数据 ,三个图像处理单元分别完成地形图像处理 、图形处理、 是有限的。 综合显示处理,其中三个大容量存储单元存储地形数据库 、图形 为了将软件对应到 目标硬件 ,将执行下列步骤 : 数据库 、航迹数据和本模块所需的应用软件 、功能库、数据库和 (1)建立和提供应用程序到操作系统的接 口(APOS)服务, 表,其余资源为TV模块 的备用资源。导航模块和无线电控制 如进程控制、通信服务 、数据存储服务 、时问管理; 指令模块类似上述两个模块。 (2)各种功能应用软件到APOS服务的适应性,例如线程 到通信通路的映射、远程文件的处理; (3)实现进程内部和进程之间的通信 ,例如通信通路和物 理连接的映射 ; (4)专用 “中断”的执行满足每个程序进一步处理所需的 输入数据; (5)软件的评估和认证。 第 (3)步 中,在 LynxOSPOSIX服务的基础上,进程内部的 通信初始实现方法有两种 : SPM:信号处理模块;DPM:数据处理模块 (1)当两个应用程序在同一个处理器时,使用共享内存 ; GPM:图像处理模块;MMM:大容量存储模块 (2)当两个应用程序在不同的处理器时,使用套接字通信。 图4 综合电视指令制导的核心处理部件 3.2 应用软件及配置方案 当某些处理资源发生故障时,备用资源就会激活用于系统 首先,电视指令制导系统的软件功能如下所示 : 重构。如图5所示,有阴影的DPU是处于睡眠状态的,当主处 地形数据库 它包括导弹巡航区域和攻击 目标所在区域的 理器处于故障态时才被激活。例如:当 DPU1处于故障态时, 图像数据,且能接收并融合 电视图像传感器传来 的实时RAW 地形数据融合处理将被分配给 DPU4,DPU4将被激活。一般来 (原始图像数据存储格式)数据 ,在数据库得到实时更新后为显 讲 ,在这个任务中处于睡眠状态的处理资源也会被激活完成其 示图像提供有效的图像特征。 他任务。 图像信号处理 信号经电视信号处理器处理后生成图像数 据,经过图像分割和特征提取后,与地形数据库提供的地形特征 融合后产生显示图像。 导航数据处理 接收导弹上 的导航系统如捷联惯导 + GPS/GLONASS所提供的信息 ,确定导弹飞行真实航迹。 航迹数据处理 是指在上面给定的数字地图、电视制导导 弹特性参数以及飞行任务情况下,按照某性能指标,利用地形和 威胁等信息,在数字地图某些离地高度上规划出一条从初始点 到 目标点性能最优的三维航迹。一般情况下是离线 处理单元故障时的重构方案 软件在加载到硬件前,在 SUN工作站中的GNU环境中使 划出的航迹与实时航迹相 比较 ,然后 由操纵员对实时航迹进行 用 ADA95来实现。 (下转第72页) 修正。 72 计算机应用与软件 2010生 重伯努利实验。所以,在整个算法时间 内,某一节点i搜索到另 相搜索的效率对整个网络后续的一些分组、路由等操作都有一 一 个节点 (包括重复收到该节点信息的情况)的概率符合泊松 定的影响。尤其对于一个能量受限、通信环境不稳定的无线网 参数为A:ZxPij的概率: 络来说,节点之间搜索的效率和结果更是对其它操作影响重大。 r】一Pt)×Pii 而本文中所描述的基于认知无线电的无线传感器网络节点搜索 Pijt=P(i在 71内发现 )=1一e~ =1一e一—旅鬲 算法既克服了无线通信中频点使用率不高、节点间通信干扰性 (8) 较强等不足,更是通过建立模型分析了不同的使用情况下影响 根据上式可知,A是关于P 的增函数。通过前面的分析, 我们 已经得到了P£、Ⅳ和F之间的关系,而 rtime可以根据所发 效率的各个参数,并分别进行了合理的配置,从而减少了节点间 送搜索帧的帧长度轻松测得,所以上式中剩下所要解决的就只 搜索的时间并节省了能量。 有参数 了’和 了。其中,参数 的设定将在2.4节做简单的描 参 考 文 献 述,而参数 的设置与实际使用的硬件系统的灵敏度及所使用 操作系统的复杂度等参数都有一定关系,下面我们就将在一个 [1]HaykinS.Cognitiveradio:brain—empoweredwirelesscommunications. IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2005,23(2):201 无线传感器网络嵌入式操作系统 中通过实证测得它与节点 — 220. 间成功搜索所用时间的关系,如图1所示。 [2]JondralFK.Software—definedradio—basicevolutiontocongitiveradio. EURASIPJournalonWirelessCommunicationandNetworking,2005: 275—283. [3]VasudevanS,KuroseJ,TowsleyD.Onneighbordiscoveryinwireless networkswithdirectional antennas.IEEE Infocom,2005:2502—2512. [4]王漫.面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述[J].计算 机应用与软件 ,2007,24(6):44—48. (上接第67页) 4 结 论 图1 参数M与搜索消耗时间、搜索的节点数 目之间的关系 由图1中参数 与搜索消耗时间、搜索的节点数 目之间的 为解决软硬件老化和技术升级问题 ,电视指令制导系统朝 关系,我们可以从实验的角度发现,当任意节点每次连续收发帧 IMA体系结构发展。文中描述了IMA体系结构 、电视指令制导 数M=2时,节点间成功搜索所花费的时间将达到最短。并且, 系统的硬件和应用软件,确定 了相关软件到系统硬件的分配方 随着所需搜索节点数 目上的增加,我们可以清楚的发现,参数 案,以及在故障态时的系统重构方案,其功能原型为综合更全面 取值为的2的优越性越发明显。而从理论的角度来看,通过公 的航空电子系统的研究提供有益的价值。下一步的工作是完善 式(8)我们可以分析出, 的取值与A成反比,也就是与JP 成 软件原型的功能 ,以进一步证明它们的实用性。 反比。所以从另一个角度,我们也 “凑巧”验证了通过实验方法 参 考 文 献 得出的M取值的相对正确性。 2.4 算法执行时间及结束条件 [1]杨满忠,于雷.中程空地电视指令制导导弹的建模与仿真研究 [J].电光与控制,2003(10):66~68. 通过前面的分析,我们已经能确定 Pf与 的取值 ,但整 [2]SehuheA,StutzP.CognitiveConceptsinMis-sionManagementforAir— 个算法执行的时间或结束条件仍是一个需要考虑问题。显 to—GroundAttackAir-craft[C3//3rdInternationalConferenceonEnb— 然,算法执行 的时间越长 ,节点 间互相搜索到的可能性就越 neeringPsychologyandCong itiveErgonomics,Edinburgh. 大,但使用搜索算法本身的目的是提高后续算法的执行效率 , [3]SehuheA,StutzP,KlocknerW.CognitiveConceptsforTacticalMission 当执行搜索算法所花费的时间大于为后续算法所节约的时间 Management,NATORTO SCI—Integration TechnologiesofrImpmved· 的边际时,算法的设计显然是不合理的,而且对于一个无线传 TacticalOperations.Florence,Italy,1999UK,2000. 感器网络来说,能量等 因素也是一个不得不考虑的问题。所 [4]JibbDJ,WalkerJB,AvionicsArchitectureStandardsasanAppmach 以,合理地限制算法执行的时间也是非常有必要的。有一些 toObsolescenceManagement.NATO RTA SCI,Budapest,2000. [5]MarchettoA.ModularAvionicsyscemArchitectureDefinitionintheEU— 简单且相对高效的策略能解决这个问题 ,比如:对于任意一个 CLID R&T Programme4.I.NATO AGARD Mission SystemsPna el 节点,每搜索到一个新节点都与Ⅳ进行一次比较,以判断是否 Symposium,lstanbul,Turkey,1996. 相等或接近 ,从而决定是否退出算法;经过较长时间的各频点 [6]MuhedoG,JibbD,AngelG.ASAACPhase11ProrgammeProgresson 搜索,仍没有新节点的加入的情况下,进入一定时间的休眠状 theDefinitionofStandardsofrtheCoreProcessingArchitectureofFu· 态 或退出算法等等。 tureMilitaryAircrdt[C]//ERA AvionicsConference,London, UK,1998. 3 总 结 [7]PotthausJ,KlocknerW,Sprang,eta1.White:IntergatedModularAvi— onicsAI℃hitectureC0nceptsDemonstration.NATO AGARD MissionSys- 对于任何一个无线或有线网络,在其成网初期,节点之间互 temsPanelSymposium,Istanbul,Turkey,1996.

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