Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование алгоритмов обработки информации в угломерном канале бортовой РЛС с ФАР 17
1.1. Алгоритмы вычисления навигационных параметров 17
1.1.1. Платформенные инерциальные системы 19
1.1.2. Бесплатформенные инерциальные системы 28
1.2. Алгоритмы преобразования информации о текущем положении цели 36
1.3. Алгоритм определения угловой ориентации ЛА 44
1.4. Алгоритм коррекции пеленгов цели на выходе радиолокационного приемника канала углового сопровождения бортовой РЛС с ФАР 48
1.5. Алгоритм компенсации колебаний корпуса ЛА в канале стабилизации углового положения РЛ-луча бортовой ФАР 52
1.6. Алгоритм формирования выходной информации в угломерных каналах бортовой РЛС с ФАР 53
1.7. Последовательность применения алгоритмов в современньж бортовых РЛС 55
1.8. Оптимизация алгоритмов цифровой обработки для реализации на ПЛИС 56
Выводы 59
Глава 2. Разработка математических моделей динамических воздействий в угломерном канале БРЛС с ФАР и анализ требований к его вычислительной системе 60
2.1. Структура построения и динамика угломерного канала бортовой РЛС с ФАР 60
2.1.1. Математические модели составляющих входных воздействий в цифровом угломерном канале .' 61
2.1.2. Формирование требований по динамической точности процесса углового сопровождения цели 64
2.1.3. Выбор принципов построения структуры угломерного канала бортовой РЛС с ФАР 67
2.1.4. Формирование требований к угломерному каналу бортовой РЛС с ФАР 70
2.2. Разработка методики определения минимальной частоты цифровой обработки данных бортовой РЛС с ФАР 73
2.3. Исследование зависимости динамической точности и устойчивости канала бортовой РЛС с ФАР от времени цифровой обработки 74
2.4. Выбор требуемой скорости цифровой обработки в угломерном канале бортовой РЛС с ФАР 81
Выводы 84
Глава 3. Исследование и реализация методов вычислений элементарных математических операций и функций бортовой РЛС с ФАР 85
3.1. Определение формата представления чисел 85
3.2. Алгоритмы и программы вычисления элементарных математических операций 88
3.2.1. Алгоритмы аппаратной реализации операций сложения и вычитания 89
3.2.2. Алгоритмы аппаратной реализации операции умножения 90
3.2.3. Алгоритмы аппаратной реализации операции деления 92
3.3. Выбор и обоснование методов вычисления элементарных математических функций 98
3.3.1. Определение значения функции синуса 98
3.3.2. Определение значения функции косинуса 102
3.3.3. Определение значения функции арксинуса 104
3.3.4. Определение значения функции арктангенса 106
3.4. Определение разрядности представления чисел 108
3.5. Алгоритмы и программы вычисления элементарных математических функций 112
3.5.1. Реализация алгоритма вычисления функции синуса 113
3.5.2. Реализация алгоритма вычисления функции косинуса 116
3.5.3. Реализация алгоритма вычисления функции арксинуса 117
3.5.4. Реализация алгоритма вычисления функции арктангенса 120
3.5.5. Оценка эффективности разработанных алгоритмов 121
Выводы 125
Глава 4. Разработка алгоритмов работы функциональных узлов цифровой обработки информации, основанных на ПЛИС 127
4.1. Принципы организации вычислительного процесса в модуле бортовой РЛС ЛА 127
4.2. Алгоритмы управления модулем обработки информации в бортовой РЛС ЛА 139
4.2.1. Алгоритм одноступенчатой выборки данных 141
4.2.2. Алгоритм двухступенчатой выборки данных 145
4.3. Анализ соответствия требований к объему и времени вычислений в цикле обработки информации с использованием ПЛИС 150
4.4. Разработка методики проектирования вычислительных модулей, реализуемых в каналах бортовой РЛС с использованием ПЛИС 152
Выводы 154
Заключение 156
Литература
- Алгоритмы преобразования информации о текущем положении цели
- Математические модели составляющих входных воздействий в цифровом угломерном канале
- Алгоритмы и программы вычисления элементарных математических операций
- Алгоритмы управления модулем обработки информации в бортовой РЛС ЛА
Введение к работе
Основной тенденцией развития авиационной техники является постоянное совершенствование характеристик летательных аппаратов (ЛА). Достижение этой цели ставит перед разработчиками все новые задачи, связанные с возможностью выполнения ЛА самых разных функций и боевых задач, не только по завоеванию превосходства в воздухе, но и по нанесению ударов по наземным и надводным целям; по выполнению задач разведывательного характера и тому подобные действия. Это невозможно как без улучшения летных характеристик самолета, так и совершенствования комплекса его бортового оборудования (КБО) на основе широкого использования средств современной вычислительной техники. Круг задач, решаемых бортовыми вычислительными системами (БВС) современных ЛА, постоянно расширяется. Он охватывает область от управления отдельными системами самолета (системы навигации, управления вооружением и т.д.), до реализации экспертных систем с элементами искусственного интеллекта, анализирующих полный объем информации, снимаемой с датчиков, и формирующих рекомендации в виде подсказок для принятия летчиком правильных решений по управлению ЛА. Большая часть перечисленных задач реализуется с помощью многофункциональной бортовой радиолокационной системы (БРЛС), отвечающей за решение таких важных задач управления ЛА, как [1, 3, 4, 25, 59, 60]: обнаружение целей на максимальной дальности (в верхней и нижней полусферах) - режим обзора; автоматическое сопровождение воздушных целей с выдачей необходимой информации для комплексов управления полетом и вооружения; наблюдение и картографирование земной и морской поверхностей, береговой линии; определение углового положения и дальности характерных наземных ориентиров; пеленгование источников излучения (обнаружение и сопровождение поставщиков активных помех); захват и сопровождение наземных и надводных целей; обнаружение и определение размеров и пространственных координат, опасных для полета метеообразований, наземных препятствий (полет над горной местностью или на малых высотах); излучение различного рода помех.
Анализ показывает, что БВС КБО, обеспечивающая решение перечисленных задач, должна обладать высоким быстродействием, то есть обеспечивать обработку больших массивов информации в режиме реального времени, при сохранении высокой живучести всей системы.
Проведенные исследования (DIAS, PAVE PILLAR и др.) [3, 63, 64] показали, что искомое решение должно формироваться не столько в области повышения технических характеристик, качества и эффективности функционирования отдельных элементов КБО, сколько в области поиска новых концепций и возможных подходов к разработке архитектур КБО перспективных ЛА, на основе следующих постулатов: формирование семейства устройств, получивших название унифицированных модулей (common modules), с помощью которых может быть реализовано более 90% программируемых и аппаратных функций КБО, при этом проводится линия их глубокой унификации; современный уровень развития электронных технологий позволяет реализовать отдельный общий модуль в виде одной или нескольких сверхбольших интегральных схем (СБИС), а вычислительные средства функциональных подсистем могут реализоваться из той или иной совокупности общих модулей; те функции, которые не покрываются семейством общих модулей, реализуются посредством специализированных устройств, но таких специализированных модулей немного; программное обеспечение КБО необходимо продолжать строить по модульному принципу из общих и специализированных программных модулей; техническое обслуживание организуется на основе сменных блоков LRU (Line Replacable Unit), при этом в качестве единицы «физической» архитектуры был выбран общий унифицированный модуль, который, таким образом, одновременно и является LRU;
Используемые в настоящее время КБО ЛА имеют системно-ориентированную детерминированную структурную организацию, т.е. вычислительный ресурс этих БВС регулярно распределен между информационными каналами бортового оборудования посредством организации отдельных подсистем. Перераспределение задач между подсистемами не предусматривается, так как в ряде случаев из-за используемых алгоритмов работы оно принципиально невозможно, что не обеспечивает достаточной и гибкой интеграции бортового оборудования, и, в конечном счете, снижает живучесть ЛА. Обычно реализуется лишь дублирование наиболее важных задач, решаемых вычислительными средствами верхнего уровня. Процесс совершенствования характеристик такого бортового оборудования связан с изменением алгоритмов работы и увеличением количества используемых неоднородных ЭВМ, что, естественно, не может происходить бесконечно.
Очевидно, что применяемые в настоящее время БВС не отвечают постулатам КБО перспективных ЛА. В них имеет место нерациональное использование ресурсов средств вычислительной техники (СВТ), что приводит к неоправданно высоким массо-объемным, энергетическим и стоимостным характеристикам, усложняет техническое обслуживание и эксплуатацию ЛА. В результате основные характеристики существующих БВС перестали отвечать постоянно возрастающим требованиям к КБО ЛА.
Исследования, проводимые у нас и за рубежом, показали, что дальнейшее совершенствование КБО требует коренного пересмотра основополагающих принципов его построения. Оно должно базироваться на замене систем- но-ориентированной структуры на функционально-ориентированную, организованной по типу интегрированной вычислительной среды (ИВС) [3]. При этом должно отсутствовать регулярное распределение СВТ по функциональным подсистемам и информационным каналам, что предопределяет значительное повышение живучести КБО ЛА. К основным особенностям ИВС нового поколения следует отнести: открытость и адаптивность архитектуры к различным вариантам применениям; унификация и стандартизация всех аппаратно-программных компонентов на основе применения высокоэффективных алгоритмов; функциональная и аппаратная интеграция; высокий уровень технологичности процесса разработки системы; введение ограничений на совокупную стоимость.
Перечисленные особенности предполагают унификацию и стандартизацию аппаратных и программных средств, что обеспечивает снижение затрат и сокращение сроков как разработки, так и последующих модернизаций КБО, К тому же, эта концепция позволяет использовать при создании элементов КБО доступные коммерческие проекты и средства автоматизации процесса проектирования и разработки, как аппаратных средств, так и программного обеспечения, лишь адаптируя их к специализированному применению. Такого рода ориентация способствует снижению стоимости разработки и сокращению сроков проведения работ, то есть сокращает время выхода на рынок готовой продукции.
Концепция аппаратной интеграции требует построения ИВС, которая обеспечит независимость программ от используемых аппаратных средств и расширит функциональные возможности КБО на основе комплексной обработки информации.
Вполне очевидно, что решение такой задачи возможно только при полном пересмотре самих принципов построения аппаратных средств КБО. Существуют два традиционных подхода к решению поставленной задачи. Пер- вый предполагает реализацию аппаратной части с использованием универсальных микропроцессоров и организацию требуемых алгоритмов обработки информации программными средствами. Этот путь хорошо зарекомендовал себя при разработке ЭВМ общего назначения и позволяет реализовать ИВС, в большей части отвечающую сформулированным выше требованиям. Однако основным недостатком такого решения, несмотря на достигнутые в настоящее время тактовые частоты работы микропроцессоров на уровне нескольких ГГц, является недостаточное быстродействие при необходимости обработки больших массивов информации в режиме реального времени. Значительно большим быстродействием обладают специализированные системы, сама архитектура которых ориентирована на выполнение заданного алгоритма обработки информации (системы на жесткой логике). Этот принцип широко применяется при построении так называемых сигнальных процессоров (DSP), используемых, например, в системах обработки изображения. Однако реализация такого подхода не удовлетворяет сформулированным выше требованиям к ИВС нового поколения в частности к открытости и адаптивности архитектуры к различным вариантам применения и аппаратной интеграции. Фактически реализация этого подхода приводит к уже существующей системно-ориентированной структуре КБО.
Решение задачи построения ИВС перспективного КБО современного ЛА требует совмещения достоинств обоих известных подходов, то есть возможности гибкого изменения алгоритмов работы системы при адаптации ее структуры к выполнению вычислений на аппаратном уровне.
Основой для реализации такого подхода является появившееся в последнее время направление SoC (System-on-Chip — система на кристалле). С точки зрения требований, сформулированных выше для ИВС, наибольший практический интерес представляет направление SoC [46, 56, 68], базирующееся на использовании новой элементной базы, так называемых программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Структура ПЛИС может гибко адаптироваться к заданному алгоритму обработки информации, при- чем сама адаптация может выполняться непосредственно во время работы устройства [69, 72]. Такая реализация системы на кристалле получила название SoPC (System on a programmable chip). Увеличение логической ёмкости ПЛИС (в настоящее время существуют схемы, содержащие до нескольких миллионов элементарных логических элементов) привело к тому, что это направление становятся полноправными конкурентам при реализации SoC.
В основе идеи SoC лежит интеграция всей электронной системы в одном кристалле (например, в случае ШС такой чип объединяет процессор, память, и т.д.). Компоненты SoPC, алгоритм работы которых задается на одном из языков описания аппаратуры (HDL - Hardware Description Language), разрабатываются отдельно и хранятся в виде файлов параметризируемых модулей. Окончательная структура SoPC микросхемы выполняется на базе этих «виртуальных компонентов» с помощью программ систем автоматизации проектирования (САПР) электронных устройств. Благодаря стандартизации и применению HDL можно объединять «виртуальные компоненты» от разных разработчиков [70, 71].
В настоящий момент существует два направления развития SoPC. Первое предполагает объединение на одном кристалле готового процессорного ядра, некоторого объема памяти, программируемой логической матрицы и дополнительных законченных функциональных устройств.
Примером такого подхода является реконфигурируемый коммуникационный процессор CS2000 компании Chameleon Systems. В состав CS2000 входит RISC-процессор, программируемая матрица (RFP reconfigurable processing fabric), 32-разрядный РСІ-контроллер, 64-разрядный контроллер памяти и 16-канальный контроллер прямого доступа в память. Внутренний обмен данными между различными подсистемами осуществляется по шине RoadRunner, представляющей собой 128-разрядную шину с пропускной способностью 2 Гбайт/с. Структура RFP содержит 12 независимых компонент каждый из которых, в свою очередь, состоят из семи 32-разрядных узлов передачи данных DPU (data path unit), двух однотактных устройств умножения
16-разрядного числа на 24-разрядное, четырех внутренних 32-разрядных буферов памяти на 128 элементов и блока управления (CLU).
Компания ХШпх предлагает технологию ExtremeDSP, в основе которой лежат такие базовые элементы, как таблицы поиска и регистры, из которых могут строиться различные DSP-элементы типа умножителей-аккумуляторов (MAC). Пользуясь этой технологией для цифровой обработки сигналов можно в программируемой матрице создавать конвейеры из подобных умножителей-аккумуляторов (например, из 256 MAC). Используя 16-разрядные коэффициенты, такой конвейер после заполнения может обеспечивать производительность обработки до 160 миллионов выборок в секунду [48, 52].
Второй подход предполагает создание на кристалле некоторой однородной программируемой среды, с возможностью ее конфигурирования для решения конкретных задач. Примером такого подхода является предлагаемая фирмой ALTERA система Excalibur, базирующаяся на ПЛИС семейства АРЕХ20К [51]. В ПЛИС может быть загружен 16- или 32-разрядныей процессор Nios [57], занимающий 1100 или 1700 вентилей соответственно, что означает возможность создания на ПЛИС типа ЕР20К1500 устройства, включающего более 2000 16-разрядных процессоров работающих на частоте 50 мГц.
Проведенный выше анализ показывает, что использование второго подхода позволяет разработать ИВС, отвечающую указанным выше постулатам. Такой подход обеспечивает, с одной стороны, максимальное быстродействие — возможность одновременного решения большого числа задач в режиме реального времени, и, с другой стороны, максимальную живучесть -способность выполнять функции в полном объеме при частичном повреждении системы. При этом вся система может быть выполнена на основе однотипных унифицированных модулей, так как на основе ПЛИС могут быть разработаны сменные блоки LRU (Line Replacable Unit), использующиеся в качестве единицы «физической» архитектуры, что решает вопрос о техническом обслуживании и дальнейшей модернизации КБО. Смена алгоритма pall боты такого блока производится их соответствующей реконфигурацией либо при включении, либо непосредственно в процессе работы. Данная работа посвящена разработке однородной программируемой среды.
Повышать производительность БВС можно не только совершенствованием аппаратных средств, но и использованием более эффективных алгоритмов работы, позволяющих без увеличения тактовой частоты работы аппаратных средств значительно поднять эффективную производительность бортовых СВТ.
В настоящее время основными направлениями совершенствования алгоритмического обеспечения являются модульность и параллельность, т.е. алгоритмы обработки информации должны иметь модульную организацию, а так же давать возможность распараллеливания процесса обработки данных. Модульный принцип организации алгоритмического обеспечения подразумевает построение всего программного обеспечения из общих и специализированных программных модулей. По оценкам специалистов [3, 62] эта тенденция сохранится и с переходом к новым принципам построения БВС.
Проведенный анализ показывает, что используемые в настоящее время БВС, имеющие системно-ориентированную детерминированную структурную организацию и использующие ЭВМ общего назначения, ограничивают возможности перехода на новые, повышенные требования к КБО, в частности по точности и быстродействию процесса наведения, ремонтопригодности, стоимости технического обслуживания, возможности модернизации и живучести ЛА. Таким образом, задача совершенствования БВС и алгоритмов ее работы является в настоящий момент весьма актуальной. В первую очередь это касается канала БРЛС. Поставленная задача может быть решена только путем пересмотра основополагающих принципов построения КБО, совершенствования аппаратных средств БВС и использования более производительных алгоритмов работы. Одним из таких путей является новое направление, основанное на использовании ПЛИС.
Такие системы приближаются к оптимальным по размерам, потребляемой мощности и внутрисистемным задержкам распространения сигналов. Система, реализованная на ПЛИС, не привязана к конкретной аппаратной архитектуре, а ее аппаратная гибкость позволяет модульное наращивание системы в рамках одной унифицированной архитектуры.
Учитывая, что исследуемые системы имеют сложную структуру, содержащую большое число узлов, в которых происходит обработка цифровой информации (вычислительное пространство), целесообразно ввести условие, согласно которому вычисления в любой точке (узле) этого пространства производятся с одинаковой (предельной) точностью и быстродействием (в дальнейшем - единое вычислительное пространство). Для реализации единого вычислительного пространства необходимы достаточно простые алгоритмы обработки информации и достаточно гибкое аппаратное обеспечение, в частности ПЛИС.
Использование концепции единого вычислительного пространства, базирующегося на применении унифицированных модульных алгоритмов и сменных блоков LRU на основе современных ПЛИС, позволит в значительной степени повысить быстродействие обработки информации, то есть решить задачу построения КБО ЛА нового поколения.
В соответствии с выше изложенным, целью работы является построение математических моделей динамических воздействий в угломерном канале БРЛС с ФАР и разработка на их основе принципов организации вычислительного процесса, алгоритмов функционирования и комплексов программ для обработки информации при их реализации на ПЛИС в рамках концепции единого вычислительного пространства КБО ЛА.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - сформулировать требования к параметрам бортовой вычислительной системы КБО по быстродействию и точности обработки информации в угломерном канале БРЛС с ФАР в соответствии с тактико-техническими ха- рактеристиками ЛА; на основе анализа существующих методов обработки информации выбрать метод, удовлетворяющий требованиям концепции единого вычислительного пространства и оптимальности с точки зрения реализации на ПЛИС; оптимизировать алгоритмы выполнения элементарных операций и функций с точки зрения минимизации ресурсов ПЛИС и времени вычисления, а также удовлетворения заданной точности и разработать специализированный комплекс программ; сформулировать принципы организации вычислительного процесса в БРЛС на основе вычислительных модулей с последовательно-параллельной структурой, разработать алгоритмы функционирования и комплексы программ для построения на базе ПЛИС и исследовать их соответствие требованиям, предъявляемым к характеристикам навигационных систем перспективных ЛА; разработать методику проектирования алгоритмов работы вычислительных модулей угломерного канала БРЛС ЛА, реализуемых в рамках концепции единого вычислительного пространства КБО ЛА с использованием ПЛИС.
Для решения указанных задач необходимо провести сравнительный анализ существующих алгоритмов цифровой обработки в навигационных системах. Критериями отбора должны быть модульность структуры алгоритмов, возможность параллельных вычислений, временные затраты и точность результатов. Выбранный алгоритм преобразуется к виду, удобному для реализации на ПЛИС, определяются необходимые элементарные математические операции и функции. Для аппаратной реализации элементарных математических операций и функций производится анализ методов их вычисления, определяется необходимая разрядность и формат представления чисел. Аппаратная реализация производится с учетом максимального распараллеливания вычислений. На основании построенных блоков и алгоритма цифро- вой обработки создаются универсальные блоки математических функций и типичного (одного) модуля цифровой обработки информации. Проводится оценка общего времени вычисления в цикле обработки. В заключении необходимо провести анализ возможности реализации выбранного алгоритма на ПЛИС.
К научной новизне проведенных исследований можно отнести: определение временных характеристик угломерного канала в БРЛС ЛА с использованием методики совмещения топографических картин устойчивости и точности обработки цифровой информации; разработка принципов организации вычислительного процесса в угломерном канале БРЛС, на основе унифицированных вычислительных модулей с аппаратной адаптацией на конкретное применение, базирующихся на концепции единого вычислительного пространства; полученные функциональные зависимости времени вычисления и необходимых ресурсов ПЛИС для различных методов вычисления математических функций от заданной точности результата; математические модели вычислительного модуля угломерного канала БРЛС ЛА, отражающие связь между параметрами, определенными из условия обеспечения требуемых тактико-технических характеристик ЛА и аппаратными ресурсами ПЛИС.
Практическая значимость данных исследований заключается в следующем: разработан комплекс программ, предназначенных для аппаратной реализации на основе ПЛИС алгоритмов вычисления элементарных математических функций, имеющих структуру последовательно-параллельных вычислений, позволяющих при заданной точности на треть сократить время вычислений; предложена структура функционирования цифрового автомата вычислительного модуля, позволяющая как минимум в 5 раз сократить количество используемых ячеек ПЛИС, и для нее получены аналитические зависимо- сти требуемого количества ячеек от числа выходных состояний, дающие возможность прогнозирования необходимых ресурсов ПЛИС при модернизации системы; разработана структура унифицированного модуля цифровой обработки информации в угломерном канале БРЛС, использующая свойство распараллеливания вычислений различных функций, что при заданной точности позволило повысить быстродействие обработки данных в 4 раза; разработана методика проектирования бортовых вычислительных модулей угломерного канала БРЛС позволившая решить задачу создания систем со значительно расширенными функциональными возможностями, обеспечивающими, в частности, увеличение точности и скорости процесса наведения, живучести, а так же возможности быстрой модернизации КБО ЛА.
Основные результаты диссертационной работы докладывались ш обсуждались на Международных молодежных научных конференциях «XXVII Гагаринские чтения» (Москва, 2001), «XXVIII Гагаринские чтения» (Москва, 2002), «XXIX Гагаринские чтения» (Москва, 2003), «XXXI Гагаринские чтения» (Москва, 2005), «IV Международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов» (Клязьма, 2001).
Алгоритмы преобразования информации о текущем положении цели
Метод цифровой обработки требует хранения информации об текущем положении целей, так как процесс анализа целей проводится с разделением по времени. Информации о текущем положении цели, формируемой в приемном тракте угломерных каналах БРЛС относительно осей связанной СК, содержит данные о собственных угловых маневрах ЛА, происходящих с большими угловыми скоростями. В процессе преобразования к виду, удобному для хранения в памяти, информация о цели должна быть очищена «от примесей», включающих динамику собственного маневра ЛА. Это может быть достигнуто путем перехода от пеленгов цели к ее ракурсам, то есть к параметрам ее угловой ориентации относительно осей инерциальной СК.
С другой стороны, формирование РЛ-луча в предполагаемом направлении на цель может быть произведено только путем фазирования излучателей ФАР в соответствии с ее заданными пеленгами, то есть в параметрах ориентации относительно связанной СК. Поэтому процесс облучения цели может быть произведен только после обратного перехода от параметров ориентации, хранимых в памяти вычислительной системы в ракурсах, к параметрам, определяющим требуемую угловую ориентацию РЛ-луча относительно связанной СК, то есть к ее пеленгам. Такие взаимно обратные преобразования реализуются в угломерных каналах БРЛС с ФАР внутри каждого цикла обработки данных и формирования информации о положении каждой цели и являются основным средством обеспечения устойчивости режима одновременного сопровождения нескольких целей.
Таким образом, цифровая обработка в рамках бортового многофункционального радиолокационного комплекса включает алгоритмы [9, 20], проанализированные в данной главе, и производится в следующей предложенной нами в [21] последовательности: 1. алгоритм расчета триады ориентации ЛА; 2. алгоритм определения текущих пеленгов цели из известных ракурсов (прямая задача); 3. алгоритм коррекции пеленгов; 4. алгоритм коррекции динамики в контуре углового сопровождения; 5. алгоритм стабилизации луча ФАР; 6. алгоритм коррекции динамики в канале стабилизации; 7. алгоритм сложения; 8. алгоритм определения ракурсов цели из известных пеленгов (обратная задача); 9. алгоритм формирования выходной информации.
Выбранная и рассмотренная в разд. 1.1 - 1.7 последовательность алгоритмов имеет модульную организацию. Модуль состоит из определенной последовательности математических операций и функций, а все вычисления сводятся к вычислению этого модуля нужное число раз. Рассмотрим один из модулей с целью приведения его к виду, удобному для реализации на ПЛИС.
Каждый модуль содержит одну операцию перемножения двух матриц, за ней следует последовательность математических операций и функций, вычисляющая угловые координаты. Эта последовательность включает в себя операции сложения, вычитания, умножения и деления, а также функции синуса, косинуса, арксинуса и арктангенса.
Подобную схему вычислений можно отнести к последовательно-параллельной организации вычислений, которая предполагает распараллеливание операции перемножения матриц и последовательное вычисление остальных операций [13, 19,23, 31].
В качестве матриц-сомножителей используются шесть различных матриц угловых поворотов - трех прямых и трех транспонированных, что приводит к расчету тридцати возможных комбинаций. Используя то свойство, что транспонированная матрица углового поворота на некоторый угол в прямом направлении равна прямой матрице углового поворота вокруг той же оси на тот же угол в обратном направлении, т.е. RiT(a)=Ri(-a), а также изменение только знаков синусов при подстановке отрицательного угла в прямую матрицу, количество комбинаций перемножения двух матриц поворотов сводится к шести произведениям:
Математические модели составляющих входных воздействий в цифровом угломерном канале
Динамика входных воздействий является главным фактором, определяющим качество цифровой обработки информации и управления в бортовых системах [7]. В соответствии с приведенной в разд. 2.1 классификацией произведен анализ входных воздействий БРЛС с ФАР. В результате анализа выделены основные составляющие входных воздействий, произведена их систематизация и разделение на полезные и возмущающие составляющие. Описание составляющих входных воздействий разработано в виде аналитических функционалов простого вида (2.1 - 2.6), необходимых для первичной обработки радиолокационной информации. Модели составляющих входных воздействий сформированы с учетом экстремальных значений параметров движения цели и собственного ЛА. Таким образом, произведено обоснование параметров математических моделей составляющих входных воздействий в зависимости от динамики объектов, определяющих их природу.
Основными функциональными особенностями работы каналов автосопровождения бортовых радиолокаторов является противоречивость требований к системе с точки зрения динамической точности отработки основных составляющих входных воздействий, которые и будут рассматриваться в работе: - угловых перемещений цели относительно центра масс ЛА; - угловых флуктуации цели из-за «блуждания» центра отражения радиолокационного луча по сопровождаемой цели; - собственных угловых маневров ЛА.
Первая из составляющих имеет узкий спектр, а ее динамика может быть с достаточной степенью приближения описана с помощью соотношения (2.1).
Вторая составляющая входного воздействия есть угловой шум флуктуации цели, который с достаточной степенью приближения может быть описан как белый соотношением (2.5).
Первые две составляющие входных воздействий в угломерном канале любой РЛС могут быть оптимально отслежены путем фильтрации угловых флуктуации цели. Такая фильтрация может быть реализована путем сужения полосы пропускания замкнутого контура угломерного канала до единиц герц (ю пуглсопр =10рад/сек).
Третья составляющая входного воздействия канала углового автосопровождения определяется динамикой собственного углового маневра ЛА и может быть определена соотношением (2.6). Динамика составляющей собственного углового маневра ЛА определяется как максимально возможная, то есть для легких машин (ИП - истребитель перехватчик). С учетом ортогональности составляющих угловых скорости и ускорения ЛА коэффициенты разложения углового маневра ЛА в ряд Тейлора определяются известными функционалами: m а ЛА max Maxcty dt ЛА V ГМахёОдд Y + ГМахсіулд dt J V dt (2.8) Maxd УЛА m s ЛА max МахаУдд dt + + Maxd j 2 Гл j2 dt V V dt -ii/ (2.9)
В соответствии с [1, 35, 47, 60] величина суммарной СКО измерения угловой координаты в режиме автосопровождения вычисляется по формуле X (2.10) СТе угл солр 2 — „ j / \ ! Ъш cos(a)-yj q где X - длина волны, d - база (расстояние между соседними излучателями решетки), а - угол отклонения направления на цель от перпендикуляра к базе антенны, q — отношение сигнал/шум. Для определения точности измерения угловых координат зададимся исходными параметрами ФАР. Известно, что направленная антенна имеет ширину луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях А6ГіВ = 1[6, 45]. Исходя из соотношения _ X (2.11) Чв " ДЄ и предполагая, что у антенной решетки число излучателей в горизонтальной плоскости равно числу излучателей в вертикальной плоскости (Lr = LB = ЬФАР), определяем размеры антенны. Так, например, для ФАР, работающей в сантиметровом диапазоне волн (Х= 2 см) ФАР =1Д5 м, можно упаковать около 1000 излучателей.
Алгоритмы и программы вычисления элементарных математических операций
Система, реализующая выбранные в главе 1 алгоритмы работы угломерного канала БРЛС ЛА при реализации на ПЛИС должна быть оптимизирована по размерам, внутрисистемным задержкам распространения сигналов, а главное по скорости цифровой обработки. В зависимости от предполагаемой к использованию элементной базы решение данной задачи целесообразно искать с помощью стандартного программного обеспечения, предназначенного для программирования ПЛИС. В работе с этой целью использовались пакеты программ QUARTUS II и MAX+plus II фирмы Altera [49, 50, 53, 55, 62], которые обладают рядом преимуществ по сравнению с другими САПР. Система синтеза пакета, в которую интегрирован язык описания аппаратуры AHDL, обеспечивает его архитектурную независимость: текстовое описание может быть без переделки синтезировано на базе любой СБИС программируемой логики, включенной в пакет. Кроме того, система для создаваемого устройства позволяет оптимизировать логику его функционирования и количество вентилей ПЛИС. Использованное программное обеспечение позволяет реализовать как стратегию восходящего проектирования (структурное описание работы законченного модуля в виде совокупности взаимосвязанных компонентов, то есть от отдельных блоков к системе), так и нисходящего (поведенческое описание в виде алгоритма работы начиная с модуля верхнего уровня, то есть от общей структуры к частным блокам). Обе стратегии позволяют легко локализовать источник ошибки, быстро внести изменения на любой стадии проектирования, что позволяет сократить время разработки.
Аппаратная реализация проводилась с использованием стандартных встроенных модулей математических операций сложения, вычитания, умножения и деления для целых чисел.
Операции сложения и вычитания над числами, представленными в формате с фиксированной точкой, ничем не отличаются от операций над целыми числами при правильной записи чисел в соответствующие разряды регистров. На рис. 3.1 представлена структурная схема, реализующая данный подход для операций сложения и вычитания. Схема и все приведенные ниже временные диаграммы даны для 32-х разрядных операндов.
Алгоритм работы устройств, описанный на языке AHDL [41], приведен в Приложении Г/. Результаты моделирования модулей сложения и вычитания иллюстрируются временными диаграммами, приведенными на рис. 3.2.
Операции сложения-вычитания выполняются асинхронно и, как следует из приведенных временных диаграмм, получение результата задерживается на некоторое время t . = t . + tH.p., где Тзад. - интервал, в течение которого на выходе поддерживается результат выполнения предыдущей операции; tH-p. - интервал, в течение которого на выходе формируется ошибочное значение результата [15]. Поэтому считывание результата возможно не ранее времени тзад.2 после подачи на вход устройства операндов.
Операция умножения не имеет принципиальных отличий от операции сложения, так как аппаратно она выполняется с применением каскадного включения сумматоров, и ее реализация строится в соответствии с описанной ранее схемой (рис. 3.1). Однако при отрицательном множителе произведение дополнительных кодов операндов не равно дополнительному коду результата. Истинное значение произведения двух операндов в дополнительном коде можно получить двумя способами: либо вычислять корректирующую величину и складывать ее с получаемым результатом, либо перемножать модули чисел и производить при необходимости коррекцию знака результата [42, 43, 44]. Второй вариант требует меньших вычислительных затрат, поэтому более предпочтителен. Из приведенной на рис. 3.3 структуры алгоритма умножения видно, что операция состоит их трех последовательно выполняемых асинхронных этапов: определение модулей аргументов, нахождение их произведения и если результат операции должен быть отрицательным, перевод результата в дополнительный код. Все эти действия выполняются за разные интервалы времени, что затрудняет определение момента готовности результата каждого из действий и, как следствие, усложняет обеспечение требуемой последовательности их выполнения.
Алгоритмы управления модулем обработки информации в бортовой РЛС ЛА
За организацию работы модуля отвечает цифровой автомат (УА), который задает последовательность использования блоков УВС и входных данных на каждом такте синхронизации. Из построенной потактовой диаграммы алгоритма (разд. 4.1) видно, что для организации всей последовательности вычислений необходимо 2322 такта (состояний автомата), а число различных кодовых слов выходного сигнала автомата равно 242.
Построение модуля цифровой обработки, а также использование определенного типа УВС блоков (разд. 4.1) зависит от способа выборки данных. Первому типу базового УВС блока соответствует одноступенчатая выборка данных, которая подразумевает под собой непосредственную передачу требуемых данных из буферов хранения на вход блока. Общая структура алгоритма одноступенчатой выборки данных приведена на рис. 4.6. Одноступенчатая выборка предполагает для каждого входного вывода базового УВС блока совой мультиплексор, который осуществляет однозначную выборку данных из всех возможных.
Второй тип базового УВС блока можно использовать в схеме двухступенчатой выборки данных, которая заключается в построении двухуровневого мультиплексорного дерева. На первом уровне выбираются данные, которые обрабатываются параллельно. Второй уровень мультиплексорного дерева встроен в базовые блоки, внутри которых осуществляется окончательная выборка входных данных. Общая структура алгоритма двухступенчатой выборки данных приведена на рис. 4.7.
Анализ алгоритма показал, что исходные данные на входе вычислительного модуля представлены в виде девятнадцати 32-разрядных, 3 трехразрядных, 2 одноразрядных двоичных кодов. Для реализации алгоритма необходимо 23 базовых УВС блока операций, которые могут работать параллельно в различных сочетаниях, для чего необходим 41 входной сигнал (31 32-разрядный, 8 одноразрядных и 2 трехразрядных). При этом максимально возможное число хранимых промежуточных результатов составляет восемь 32-разрядных и 4 одноразрядных. Каждый промежуточный результат имеет логический сигнал готовности вычислений, который подается на вход разрешения работы блока УВС (триггера). Одноступенчатая выборка возможна, если УА формирует на выходе 275-разрядный код, который содержит: - 31 5-разрядных адресов для выборки 32-разрядных операндов из 28 возможных; - 4 два двухразрядных адреса для выборки трехразрядных адресов памяти из 4; - 8 трехразрядных адреса для выборки одноразрядного операнда из 7; - 23 трехразрядных адреса следующего промежуточного результата; - 23 разряда разрешения работы регистров.
Структура рассматриваемого алгоритма (рис. 4.3) такова, что параллельно могут выполняться 7 операций. Из них только одна требует 3-х или 4-х входных сигналов, а остальные являются одно- или двухвходовые. Следовательно, максимально возможное количество необходимых входных сигналов равно 16: четырнадцать 32-разрядных и 2 одноразрядных. УА должен формировать 139-разрядный код, который содержит: - 14 пятиразрядных адресов для выборки 32-разрядных операндов из 31 возможного; - 2 трехразрядных адреса для выборки одноразрядного операнда из 7 возможных; - 7 пятиразрядных адресов вычислительных блоков из 23; - 7 трехразрядных адреса следующего промежуточного результата; - 7 разрядов записи в регистры.
Схема организации модуля, реализующего алгоритм двухступенчатой выборки, приведена на рис. 4.8, а перечень требуемых в этом случае стандартных узлов сведен в табл. 4.5.
Для определения аппаратных ресурсов, необходимых для реализации УА с двухступенчатой выборкой, на языке AHDL были разработаны программы, реализующие его работу при 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 330 выходных состояниях. Полученные в результате моделирования значения количества требуемых ячеек, приведенные в табл. 4.6, отображены в виде графика на рис. 4.9.
