1 引言
隨著測控技術的快速發(fā)展，現(xiàn)代雷達系統(tǒng)對于多雷達高精度協(xié)同測控跟蹤能力的需求越來越高。然而，現(xiàn)役的大多數(shù)雷達并不具有這樣的功能。基于某型號雷達，我們開發(fā)了基于CAN總線的雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)。經(jīng)過對雷達加裝該系統(tǒng)，我們構建了雷達局域測控網(wǎng)絡，實現(xiàn)了基于CAN總線網(wǎng)絡的雷達間目標，狀態(tài)等相關信息的共享。利用這些信息，網(wǎng)絡中各雷達可以進行相互配合工作，極大地提高了雷達的探測與協(xié)同能力。
2 雷達網(wǎng)絡測控測控系統(tǒng)的基本結構與原理
2.1 CAN總線測控網(wǎng)絡的結構與特點
從本質(zhì)上看，我們設計的雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)，屬于主從式網(wǎng)絡測試控制系統(tǒng)。與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡相比, 控制網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)幀短、數(shù)據(jù)交換頻繁、有實時約束等特點。同時雷達本身工作時電磁環(huán)境復雜，相對距離較遠，這都對采用的總線形式提出了較高的要求。
近20 年來， 控制網(wǎng)絡獲得迅速發(fā)展，特別是作為其主流的現(xiàn)場總線技術已形成了一系列國際標準，CAN總線是其中一種比較有影響的現(xiàn)場總線標準。 CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的多種錯誤。當信號傳輸距離達到10Km時，CAN仍可提供高達50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 同時CAN總線具有很高的實時性能，在工業(yè)控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。因此我們選擇CAN總線構建網(wǎng)絡。圖1與圖2分別顯示了雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)與CAN總線的連接關系及各雷達間互連的拓撲結構。
圖1 網(wǎng)絡測控系統(tǒng)與CAN總線的連接
圖2 雷達網(wǎng)絡拓撲結構
2.2 系統(tǒng)原理
同其他網(wǎng)絡測控系統(tǒng)一樣，雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的主要工作基礎是對于相關數(shù)據(jù)的采集與共享。在這個網(wǎng)絡中，依據(jù)實際的工作環(huán)境與實際情況的需要，每個雷達既可以作為一個獨立單元工作，也可以作為網(wǎng)絡的節(jié)點工作。當雷達成為網(wǎng)絡的一個節(jié)點工作時，其可以依據(jù)網(wǎng)絡中共享的數(shù)據(jù)，與網(wǎng)內(nèi)的其他雷達共同協(xié)同跟蹤工作。
在一般情況下，網(wǎng)絡中的雷達作為獨立的節(jié)點進行工作，此時網(wǎng)絡中的每個雷達是對等的。當出現(xiàn)特殊目標或其他需要多雷達對同一目標進行協(xié)同跟蹤的情況下，雷達的操作手可以通過雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)向網(wǎng)絡發(fā)出進入網(wǎng)絡工作狀態(tài)的指令。網(wǎng)內(nèi)其他雷達收到指令后，操作手可以依據(jù)該雷達的具體情況選擇繼續(xù)獨立工作或進入網(wǎng)絡協(xié)同工作。進入網(wǎng)絡的雷達之間為主從關系，發(fā)出指令與數(shù)據(jù)的雷達為主雷達，接收共享數(shù)據(jù)的雷達為從雷達。處于網(wǎng)絡狀態(tài)工作的雷達，也可以隨時退出網(wǎng)絡工作。
3 系統(tǒng)硬件結構
由以上對系統(tǒng)原理的分析可以看出，該系統(tǒng)的設計關鍵技術主要包括：雷達及目標信息的獲取與共享，目標數(shù)據(jù)的計算、校正及基于校正數(shù)據(jù)的目標跟蹤。系統(tǒng)的硬件設計亦基于此進行。
圖3給出了系統(tǒng)的硬件設計框圖。從框圖可以看出，該系統(tǒng)主要由單片機模塊，雷達接口模塊，通信與控制模塊，軸角轉(zhuǎn)換模塊及人機交互接口組成。
系統(tǒng)單片機模塊采用Winbond公司的高性能51兼容內(nèi)核單片機W77E58實現(xiàn)系統(tǒng)控制。該單片機具有兩個相互獨立的串口，便于與外設通信，同時芯片支持高達40M的時鐘且具有倍頻模式，能夠滿足目標信息與控制信息的解算要求。
雷達接口模塊通過信號轉(zhuǎn)接電路從雷達中截取相關信號送至接口信號處理電路。其中，雷達的數(shù)字信號主要通過CPLD處理。我們使用了Altra公司的 CPLD芯片EPM7128。其第一個作用是作為信號多路復用器與接口緩沖器。當控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，其依據(jù)雷達的狀態(tài)，切換形成不同的數(shù)據(jù)總線開關狀態(tài)，同時將來自雷達及單片機的數(shù)據(jù)鎖存或緩沖，使雷達與單片機能交換正確的數(shù)據(jù)。其第二個功能是產(chǎn)生接口邏輯與控制系統(tǒng)的控制邏輯。利用來自雷達的時鐘信號、各種時序信號與狀態(tài)信號，產(chǎn)生接口控制信號，控制接口的數(shù)據(jù)交換與狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時依據(jù)單片機發(fā)來的地址與控制信號，合成控制系統(tǒng)的各種控制邏輯。
圖3 系統(tǒng)硬件框圖
通信與控制模塊是處理后的信息與本雷達及其他雷達交互的接口。控制系統(tǒng)的狀態(tài)及目標數(shù)據(jù)等信息由單片機串口輸出后，通過MAX232變換送至人機交換模塊顯示，來自人機接口的控制信息同樣通過該接口下行至單片機。控制系統(tǒng)與CAN總線的互連同樣經(jīng)過RS-232接口，并由CAN通信模塊完成RS-232 協(xié)議與CAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)與遠端雷達的長距離、實時通信。經(jīng)過控制系統(tǒng)解算的目標距離信息通過CPLD被雷達獲取，目標的角度信息則通過控制模塊完成D/A變換，電壓隔離與平滑等處理，送至雷達的天控系統(tǒng)，直接推動雷達完成對目標的跟蹤。
雷達天線軸角轉(zhuǎn)換使用了兩個雙精度軸角轉(zhuǎn)換模塊，分別完成對雷達天線方位角、高地角的數(shù)據(jù)提取。當雷達天線受控制系統(tǒng)控制時，該模塊構成雷達控制閉環(huán)的反饋支路。
人機交互模塊是操作手與控制系統(tǒng)交互的接口，來自控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息通過交互模塊顯示，操作手通過交互接口完成對控制系統(tǒng)的裝定與操作，當狀態(tài)轉(zhuǎn)換或出現(xiàn)通信、操作錯誤時，人機接口將發(fā)出提示或報警。
4 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計主要針對系統(tǒng)狀態(tài)設計、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換流程及數(shù)據(jù)通信與處理流程三個部分進行。
4.1 系統(tǒng)狀態(tài)設計
狀態(tài)設計主要是針對控制系統(tǒng)工作的各狀態(tài)，對系統(tǒng)硬件進行相應的操作。該系統(tǒng)主要設置了3個主要狀態(tài)：單機工作狀態(tài)，主動工作狀態(tài)，被動工作狀態(tài)。
在網(wǎng)絡尚未組織時，各雷達工作于單機工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)雷達各自獨立工作，相互關系對等。當網(wǎng)絡建立后，網(wǎng)內(nèi)的雷達將具有不同的優(yōu)先級。其中，提供目標與雷達信息的雷達具有最高的優(yōu)先級，工作于主動工作狀態(tài)，網(wǎng)內(nèi)的其他雷達則工作于被動工作狀態(tài)。主動狀態(tài)下的雷達負責組織整個雷達網(wǎng)絡，由它向網(wǎng)絡發(fā)送目標的各種參數(shù)及雷達狀態(tài)信息，被動雷達從網(wǎng)絡獲取目標及雷達信息，并據(jù)此控制雷達工作，直至主動狀態(tài)雷達撤除網(wǎng)絡或操作手強制退出。這種主從工作方式保證了網(wǎng)絡的高可靠工作。
4.2 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程設計
轉(zhuǎn)換流程設計則主要指系統(tǒng)依據(jù)目標的特征、性質(zhì)，操作手的命令和網(wǎng)內(nèi)其他雷達發(fā)來的指令，自動或被動地在各個狀態(tài)間進行轉(zhuǎn)換的流程設計。圖4顯示了系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程。從圖中可以看出，單機工作狀態(tài)是系統(tǒng)的缺省狀態(tài)，當網(wǎng)絡組織后，雷達將進入主動狀態(tài)或被動狀態(tài)工作。主動狀態(tài)或被動狀態(tài)是動態(tài)的，依據(jù)目標的不同特性，網(wǎng)絡發(fā)來的指令及操作手的指令，雷達能夠在主動狀態(tài)與被動狀態(tài)間進行相互轉(zhuǎn)換，并保證網(wǎng)絡中始終保證由一臺主動雷達組織。
圖4 系統(tǒng)軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程
4.3 數(shù)據(jù)通信與處理流程
數(shù)據(jù)通信與處理流程也是系統(tǒng)軟件設計的一個重要部分，圖5給出了這一流程框圖。從圖中可以看出，主動狀態(tài)雷達啟動并控制著整個通信過程。主動狀態(tài)的雷達向網(wǎng)絡發(fā)送目標
圖5 數(shù)據(jù)通信與處理流程
及雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)，被動狀態(tài)雷達收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過預處理向主動雷達發(fā)出應答信號。如果被動狀態(tài)的雷達收到的數(shù)據(jù)由于干擾等原因存在錯誤，同時在應答信號中要求主動雷達重新發(fā)送。當通信錯誤過多時，被動雷達將通過人機模塊報告錯誤，請求操作手處理。通信中使用了自定義的通信協(xié)議保證高可靠的加密傳輸。
5 試驗結論
我們使用三臺經(jīng)過雷達網(wǎng)絡測控系統(tǒng)改造雷達，進行了雷達網(wǎng)絡測控實驗。從目前的實驗結果看，經(jīng)過改造的雷達能夠較好地實現(xiàn)與其他雷達的通信與數(shù)據(jù)交換，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的狀態(tài)切換。主動雷達跟蹤特定目標時，被動雷達能夠進行較為精確的聯(lián)合定位與跟蹤，基本達到了預期設計目標。
該課題創(chuàng)新地基于CAN總線構建了雷達局域測控網(wǎng)絡，實現(xiàn)了雷達間目標，狀態(tài)等相關信息的共享，及網(wǎng)絡中雷達的協(xié)同工作，提高了雷達的效能，填補了該方向上的空白。