автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование вычислительного процесса в системах навигации летательного аппарата, разработка алгоритмов и комплексов программ для его реализации на программируемых логических интегральных схемах

На правах рукописи Экз.№_

ЧУМАКОВА ЕКАТЕРИНА ВИТАЛЬЕВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА В СИСТЕМАХ НАВИГАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И КОМПЛЕКСОВ ПРОГРАММ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Специальность 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005

Работа выполнена в «МАТИ» - РГТУ имени К.Э. Циолковского.

Научный руководитель: доктор технических наук

Опадчий Ю.Ф.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Соловьева Н.В.

кандидат физико-математических наук Мохель А.Н.

Ведущая организация: ЦНИИ «Связь»№18 МОРФ

Защита состоится « 2 » февраля 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.110.08 в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского (Москва, ул. Оршанская, д. 3, ауд. 603А ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д2

кандидат технических наук

Попов Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейшее совершенствование летных характеристик современных летательных аппаратов (ЛА) невозможно без коренного пересмотра принципов построения комплекса бортового оборудования (КБО). Его основой должна стать мощная вычислительная система, способная оперативно, в реальном масштабе времени, решать все задачи связанные как с функционированием оборудования самого ЛА, так и решением широкого круга тактических задач. При этом система должна обладать высокой производительностью, надежностью и живучестью, что предполагает сохранение нормальной работоспособности в условиях ее частичного повреждения. Очевидно, что удовлетворение таких противоречивых требований невозможно в рамках традиционной системно-ориентированной структурной организации КБО, так как в этом случае расширение круга решаемых задач и повышение надежности сопряжено со значительным ухудшением массогабаритных характеристик бортового оборудования.

Исследования, проведенные у нас и за рубежом, показали, что решение поставленной задачи возможно только при переходе на функционально-ориентированную организацию КБО, предполагающую наличие единой интегрированной вычислительной среды (ИВС) допускающей свободное перераспределение вычислительных ресурсов между различными системами ЛА. В этом случае, во-первых, повышение производительности и надежности не связано со значительным увеличением массы, объема и стоимости оборудования, так как все вычисления производятся на базе единой вычислительной структуры и расширение круга решаемых задач лишь повышает ее коэффициент загрузки. Во-вторых, так как вычислительные ресурсы жестко не привязаны к конкретным системам ЛА и могут быть территориально распределены, всегда существует возможность их оперативного перераспределения, что резко повышает живучесть ЛА. В-третьих, наличие мощной вычислительной структуры позволяет отказаться от сложных механических систем, таких, например, как гироплатформы, и решать проблемы навигации с использованием простейших бесплатформенных датчиков, что также ведет к повышению надежности КБО.

Построение КБО по описанному типу принципиально требует решения двух взаимосвязанных задач: разработки принципов аппаратного построения и алгоритмического обеспечения ИВС.

В общем случае ИВС может быть построена как многопроцессорная система. Такой подход позволяет обеспечить высокую надежность и живучесть КБО, однако использование универсальных процессоров не позволяет добиться высокий производительности системы. Последнее объясняется программными методами обработки информации. Известно, что значительно увеличить производительность вычислительной системы можно лишь при использовании специализированных вычислителей, в которых все процессы переведены на аппаратный уровень. Этот путь хорошо себя зарекомендовал при построении сигнальных процессоров. Однако любая специализация предполагает возврат к системно-ориентированной структуре построения КБО.

Решением возникшего противоречия является построение ИВС как еди-

3 i рос. национальна I библиотека

ного вычислительного пространства на основе программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), которые по своей сути являются универсальной средой, в которой оперативно можно формировать структуры любых специализированных вычислителей, что позволит значительно поднять производительность всей системы. Применение такого подхода позволит в полном объеме реализовать все преимущества функционально-ориентированной организации КБО ЛА.

Таким образом, исследования, связанные с построением КБО ЛА на основе ИВС, использующей ПЛИС, являются весьма актуальными. В первую очередь это касается одной из основных систем ЛА - системы навигации, построенной на основе ботовой радиолокационной станции (БРЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР). Практическая реализация такой системы требует исследования динамики входных воздействий в канале БРЛС, выбора соответствующей структуры и алгоритмов обработки информации, нацеленных на получение максимальной производительности и разработки принципов организации вычислительного процесса с целью реализации всех преимуществ функционально-ориентированного подхода к реализации КБО.

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 Л А.

Задачи исследований. 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 характеристиками 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.

А-

Научная новизна. К новым результатам проведенных исследований по теме диссертации относятся:

- 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;

- полученная функциональная зависимость 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 зависимости 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.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, а так же адекватность представленных математических моделей подтверждается использованием для их получения апробированного математического аппарата и средств систем автоматизированного проектирования (САПР), а также количественными оценками рассчитываемых данных и экспериментальной проверкой при разработке реальных систем в ГНПО «Орион».

Основные положения, выносимые на защиту:

- предложенные последовательно-параллельные алгоритмы вычисления основных математических функций и комплексы программ для их практической реализации, позволяющие получить компромисс между минимизацией времени вычисления и требуемыми аппаратными ресурсами ПЛИС;

- разработанные принципы организации вычислительного процесса, позволяющие за счет перехода к структуре последовательно-параллельных расчетов в 4 раза повысить быстродействие обработки данных в угломерном канале БРЛС ЛА;

- разработанная методика проектирования вычислительных модулей угломерного канала БРЛС, реализующая концепцию единого вычислительного пространства, которая может быть обобщена на проектирование любых вычислительных систем на борту ЛА.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и 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).

Публикации. По материалам и результатам диссертации опубликованы 9 печатных работ.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены на предприятии ГНПО «Орион», что подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложениях к диссертации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Объем диссертации 164 страницы машинописного текста, приложений 61 страница, 55 рисунков и

16 таблиц. Список литературы включает _76_ наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность избранной темы, анализируется степень ее разработанности в отечественной и зарубежной литературе. Формулируются цель и задачи диссертационной работы, отмечается новизна и практическая значимость результатов исследований, приводятся данные об апробации работы.

В первой главе исследуются различные алгоритмы обработки информации в угломерном канале бортовой РЛС с ФАР. Для этого приводится классификация методов навигации по способу определения координат местоположения ЛА. На основе анализа рассмотренных методов делается вывод, что при реализации концепции единого вычислительного пространства явными преимуществами над остальными обладает инерциальный метод, реализованный на основе бесплатформенных систем. В таких системах задача ориентации может быть решена аналитически путем измерения отдельных угловых парамет-

ров движения ЛА. Для математической обработки результатов измерения в этом случае в наибольшей степени подходят алгоритмы, основанные на методе простых кинематических связей (ПКС). Алгоритмы данного метода позволяют:

- упростить техническую реализацию датчиков измерения первичной информации о положении ЛА;

- получать однозначные результаты цифровой обработки при отсутствии ограничений для области определения исходных данных;

- выполнять вычисления по модульному принципу;

- распараллеливать процесс обработки информации.

Анализ возможности применения метода ПКС для решения задачи сопровождения целей показал, что цифровая обработка в многофункциональной БРЛС, должна базироваться на следующей последовательности алгоритмов:

1. алгоритм определения угловой 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 определение ракурсов цели из известных пеленгов (обратная задача);

9. алгоритм формирования выходной информации.

На основе анализа рассмотренных алгоритмов делается вывод, что повышение эффективности работы угломерного канала БРЛС при использовании ПЛИС может быть достигнуто распараллеливанием как алгоритмов вычисления требуемых элементарных математических операций и функций, так и самих алгоритмов определения координат ЛА. При этом необходимо отказаться от обработки на матричном уровне в пользу скалярной обработки, поскольку непосредственная реализация операций с матрицами приводит к вычислению ненужных элементов, что требует дополнительных ресурсов ПЛИС.

Переход к такой структуре вычислений даст значительное сокращение времени цифровой обработки информации на ПЛИС.

Вторая глава посвящена анализу динамических воздействий в угломерном канале БРЛС с ФАР и разработке на основе проведенного анализа, соответствующих математических моделей и требований к вычислительной системе. С этой целью предлагается все составляющие входных возмущений, отрабатываемых бортовыми комплексами управления, классифицировать по степени влияния на точность углового сопровождения цели на полезные и возмущающие.

На основе проведенной классификации строятся математические модели составляющих входных воздействий в цифровом угломерном канале, представленные виде функционалов простого вида, аналитически описывающие составляющие входных воздействий. Разработанные математические модели позво-

ляют сформировать требования по динамической точности процесса углового сопровождения цели. Для этого выделяются основные составляющие входных воздействий:

- угловые перемещения цели (фц(0) относительно центра масс ЛА:

Ф«(1) = (Уцгаи1 + Ацти12 /2)/Кцтш, (1)

где Уц тах, Ац тах - максимальные поперечные линейные скорость и ускорение цели, соответственно; Яц шш - минимальная дальность сопровождения цели; I-время;

- угловые флуктуации цели (8угл фЛ(со)) из-за «блуждания» центра отражения радиолокационного луча по сопровождаемой цели:

8углфл(<в) = 8цпрфл(£о)/К2ц=(0.25*Ьц/Кц)2 = Ыуглфл, (2)

где Ь ц -геометрический размер цели, Яц - текущая дальность цели;

- собственные угловые маневры (фк(0) ЛА:

Фк(1) = У)ЛА} = тш ЛА тах^ + т8 ЛА тах*2 >2, (3)

где т^е ЛА тах - максимально допустимое для ЛА данного класса значения его угловых скорости и ускорения, соответственно.

Величина суммарной среднеквадратической ошибки (СКО) измерения угловой координаты в режиме автосопровождения вычисляется по формуле:

X

угл сопр I - 2лс) С05(а)^' (4)

где X - длина волны, (1 - база (расстояние между соседними излучателями решетки), а - угол отклонения направления на цель от перпендикуляра к базе антенны, q — отношение сигнал/шум. Исходя из параметров ФАР, определяется значение ое уГл сопр I= 0,0089 рад. Задаются величины составляющих суммарной СКО, определяющие динамическую точность отработки всех рассматриваемых составляющих входного воздействия.

Для реализации сформулированных выше требований рассматривается комбинированный принцип построения структуры угломерного канала БРЛС с ФАР. Показано, что снижение динамических погрешностей требует введения в контур регулирования астатизма и предлагается использование структуры комплексной системы, в которой возможна реализация различных требований по отработке разных составляющих входного воздействия (фц(0 и фк(0), в том числе и по точности.

С учетом выбранной структуры канала обработки информации разработана методика определения минимальной частоты цифровой обработки данных БРЛС с ФАР. Согласно методике определение минимально допустимой частоты формирования данных, обеспечивающей требуемую динамическую точность и устойчивость работы системы производится в следующей последовательности:

- обоснование единого критического параметра, одновременно определяющего динамическую точность и устойчивость системы углового сопровождения;

- определение динамической ошибки работы данной бортовой системы;

- определение границ устойчивой работы данной бортовой системы;

- определение общей области требуемого качества и устойчивости бортовой системы цифрового управления;

- анализ границ работоспособности системы (режима) и выявление минимально допустимого значения частоты обработки информации.

На основе исходных требований произведен динамический синтез модели угломерного канала, который заключается в построении топографической картины в координатах [Тд; Кугл „„р] семейства линий уровня вида:

^ур — угл сопр OK треб — ^е угл сопр ОК (^д' ^угл сопр )' (5)

где: Тд - период дискретизации; Кугл „„р - коэффициент усиления.

Исследование устойчивости модели угломерного канала по критерию Гурвица позволило получить топографические картины как семейства линий уровня

Lyp I = А,(Тд,Кугл адпр),

где Д, - i-й определитель матрицы Гурвица. Совмещение четырех топографических картин позволило выявить общую положительную область устойчивости.

Проведенные исследования позволили определить область допустимой точности измерения угловых перемещений цели внутри области устойчивости системы углового сопровождения (рис. 1).

Анализ области допустимой точности углового автосопровождения позволил получить оптимальную точку [Тд тах; Куглсопр] = [0,06; 35], соответствующую требуемой точности обработки данных ОуГЛ сопр ок = 7,28 мрад, достаточной добротности канала углового сопровождения и минимально допустимой скорости обработки.

В третьей главе приведены результаты исследований и алгоритмы реализации методов вычислений измерения угловых перемещений цели элементарных математических one- внутри области устойчивости системы раций и функций, необходимых для углового сопровождения

построения вычислительного процесса БРЛС с ФАР. В качестве критерия оценки использовалось условие получения максимально возможного быстродействия при минимизации затрат на их техническую реализацию.

Установлено, что для реализации выбранных алгоритмов работы угломерного канала БРЛС ЛА с использованием ПЛИС целесообразно использовать представление чисел в формате с фиксированной точкой в дополнительном коде. Показано, что количество разрядов, отводимых под целую и дробную части числа, определяется используемыми алгоритмами расчетов, значениями исход-

шфровой системы Тд -С

Рис. 1. Область допустимой точности

ных данных, а так же требованиями к точности системы.

Анализ алгоритмов работы БРЛС показал, что использование в расчетных выражениях дополнительных множителей позволяет уменьшить необходимое число разрядов целой части исходных аргументов до 11. Анализ точности представления аргументов показал, что для заданных условий при представлении дробной части аргументов достаточно 20 разрядов.

Показано, что реализация операций сложения и вычитания над числами, представленными в формате с фиксированной точкой, ничем не отличаются от операций над целыми числами при соответствующей записи чисел в буферные регистры.

Реализация операции умножения потребовала доработки стандартного алгоритма, так как при отрицательных множителях произведение дополнительных кодов операндов не равно дополнительному коду результата. Предложено для нахождения результата перемножать модули чисел и, при необходимости, корректировать знак результата. Такое решение требует меньших вычислительных затрат и предполагает последовательное выполнение трех асинхронных действий: определение модулей аргументов, нахождение их произведения и, коррекцию кода результата. Все эти действия необходимо синхронизировать по времени. Поэтому операция умножения выполняется синхронно за 4 такта, причем длительность такта определяется интервалом нахождения произведения. Такой подход, в дальнейшем, позволил сравнить быстродействие системы при использовании ПЛИС различных типов.

Анализ известных алгоритмов деления двоичных чисел с фиксированной точкой показал, что наиболее рациональным, с точки зрения уменьшения аппаратных затрат на реализацию и повышение быстродействия, является переход к схемам целочисленного деления. Такой переход потребовал доработки алгоритма вычисления частного и синхронного характера его выполнения. Показано, что если длительность такта синхронизации определять временем выполнения операции умножения, то, в этом случае для 32-разрядных операндов, время получения частного равно 14 тактам. Таким образом, нахождение результата операции деления требует 17 тактов, из которых 14 тактов затрачивается на вычисление частного, 3 - вспомогательных.

С использованием разработанных программ было проведено исследование зависимости времени вычисления элементарных операций (сложение, вычитание, умножение и деление) от разрядности операндов и типа ПЛИС, позволившее оценить минимальную величину периода сигнала синхронизации, обеспечивающего получение достоверных результатов расчета. В работе в качестве базовых использовались ПЛИС семейства АРЕХ20КЕ, обладающие минимальным быстродействием из рассмотренных типов.

Проведенный анализ методов численного вычисления тригонометрических функций, используемых в алгоритмах, предложенных в главе 1, позволил сделать вывод, что, с точки зрения сформулированного выше критерия, наиболее оптимальны метод табличной выборки с линейной интерполяцией и метод наилучших многочленных приближений. Они достаточно точны, требуют умеренных аппаратных затратах при реализации и, из рассмотренных, обладают

наибольшим быстродействием.

Разрядность аргументов, используемых при реализации рассматриваемых алгоритмов, определяется, во-первых, значениями исходных входных физических величин (скорость ЛА, дальность до цели и т.д.), и, во-вторых, требуемой точностью вычисления. Проведенный в работе анализ алгоритмов работы БРЛС показал, что, используя в расчетных выражениях дополнительные множители, необходимое для отображения целой части аргументов число разрядов можно уменьшить до 11. Анализ точности представления аргументов показал, что для заданных условий при представлении дробной части аргументов достаточно 20 разрядов. Таким образом, реализация алгоритмов, предложенных в главе 1, предполагает использование 32- разрядных аргументов.

Для оценки аппаратных ресурсов ПЛИС были разработаны оптимальные по быстродействию последовательно-параллельные алгоритмы расчета тригонометрических функций.

Алгоритм вычисления синуса методом табличной выборки с линейной

интерполяцией реализует выражение (7). Его структура приведена на рис. 2.

= + (7)

X X

При этом полученное время вычисления уменьшилось относительно исходного последовательного алгоритма почти на треть, а по сравнению с последовательно-параллельными алгоритмами, реализующими метод наилучших многочленных приближений, в 1,5 раза.

Следует отметить, что последовательно-параллельный алгоритм, реализующий метод табличной выборки с линейной интерполяцией, является универсальным, и без изменения использовался для вычисления функций косинуса и арктангенса.

|~«~-»1 |

\

х _

х,_,ду<чи-»>к

I «М-» |

Рис. 2. Алгоритм линейной интерполяции

Для функции арксинуса преимуществом по времени (10 тактов) обладает метод наилучших многочленных приближений, реализующийся выражением:

V ,-«

агсвтхив!®^)*

А|.1-(*-Х|1 + +А,.(ХМ-Х) — 1 Н„' +А,.|хм-х|]

^-л/НхЦаН* А к=0

(8)

Последовательно-параллельный алгоритм вычисления функции арксинуса приведен на рис. 3.

Показано, что по сравнению с известными методами, используемыми в вычислительных системах построенных на основе универсальных процессоров, применение разработанных алгоритмов позволяет значительно уменьшить не-

обходимые для реализации аппаратные ресурсы ПЛИС (количество требуемого объема памяти уменьшается в 21820 раз) при одновременном повышении скорости вычисления (более 10%).

В табл. 1 приводятся результаты оценки ресурсов ПЛИС и времени вычисления рассмотренных тригонометрических функций.

Таблица 1

Требуемые ресурсы и времена вычислений функций _

Функция Метод Функционал по формуле № Количество ячеек Время вычисления, такты

Бт(х) Табличной выборки с линейной интерполяцией (7) 4596 18

сов(х) Табличной выборки с линейной интерполяцией (7) 4596 18

агсзт(х) Наилучших многочленных приближений (В) 11454 74

ап^(х) Табличной выборки с линейной интерполяцией (7) 4596 18

В четвертой главе рассмотрены вопросы организации вычислений в угломерном канале БРЛС ЛА. Показано, что применение унифицированных модулей и двумерной системы адресации при организации обработки информации позволяет, как минимум, на порядок повысить производительность системы.

Анализ структуры алгоритмов, приведенных в главе 1, показал наличие независимых вычислительных узлов, работа которых принципиально может быть организована параллельно. На рис. 4. показан предложенный в работе последовательно-параллельный алгоритм обработки информации в угломерном канала БРЛС ЛА. Его особенность заключается в использовании, для сокращения суммарного времени вычисления, нескольких параллельно работающих однотипных универсальных вычислительных структур (УВС). Число этих структур определяется особенностями используемого алгоритма.

Рассмотрены две возможности реализации УВС и модуля вычислительной структуры в целом. Первая подразумевает непосредственный обмен данными между УВС. К недостаткам такого построения следует отнести зависимость количества входных групп сигналов от числа применений реализуемой

операции в алгоритме. Устройство, управляющее взаимодействием УВС в такой структуре (управляющий автомат - УА), должно формировать как минимум 275-разрядный управляющий код. Дальнейшее модульное наращивание такой системы приводит к необходимости изменения каждого из блоков, и, следовательно, сопряжено с увеличения разрядности выходного кода УА, то есть требует полной переработки системы, что затрудняет дальнейшую модернизацию КБО ЛА.

Рис. 4. Вычислительная структура модуля обработки информации

Более перспективна реализация модуля с фиксированным числом входов и выходов УВС, количество которых зависит от особенностей алгоритма и структуры вычислительного модуля. При этом у УВС может быть как один информационный вход, включающий входные данные и адрес выхода (тип I), так и несколько входных групп с адресом входных выводов (тип II), число которых зависит от максимальной степени параллелизма в алгоритме. Использование того или иного типа УВС зависит от способа выборки данных в модуле. При использовании структуры, построенной на УВС типа I, выбор групп параллельно обрабатываемых данных производится непосредственно из буферов хранения на вход блока. В такой структуре реализуется так называемый принцип одноступенчатой выборки данных. 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.

Для обоих типов УВС произведена оценка требуемых аппаратных ресурсов и на ее основе оценка требуемых аппаратных ресурсов ПЛИС для реализации всего вычислительного модуля.

Для оценки требуемых аппаратных ресурсов ПЛИС, необходимых для реализации УА устройств с одномерной и двухмерной выборкой данных были разработаны их математические модели. Результаты исследования этих моделей, позволившие выявить аналитические зависимости требуемых аппаратных ресурсов ПЛИС от числа выходных кодов (состояний) УА, приведены на рис. 5

С учетом полученных результатов суммарные аппаратные затраты на

реализацию рассматриваемого модуля составляют: для случая одноступенчатой выборки - 118182; для случая двухступенчатой выборки - 117560 ячеек ПЛИС, то есть практически одинаковы. Однако при использовании двухступенчатой выборки разрядность выходного кода УА почти в два раза меньше (275 разрядов - при одноступенчатой и 139 разрядов - при двухступенчатой выборке), что ведет к упрощению УА. К тому же наращивание алгоритмического обеспечения системы не потребует переработки алгоритмов функционирования и структуры УВС, а при увеличении числа выходных состояний УА реализация принципа двухступенчатой выборки данных требует меньших аппаратных ресурсов ПЛИС. Поэтому схему с двухступенчатой выборкой следует считать более перспективной.

Разработанный алгоритм обеспечивает производительность вычислительного модуля в 322 раза превышающую требования, сформулированные в главе 2. При сопровождении нескольких целей (например, 10) объем вычислений увеличивается в десять раз, и, следовательно, время обработки увеличивается в десять раз и составит 1£=1,8576*10"3 сек., что в 32 раза меньше требуемого.

Сравнение полученного времени обработки информации со временем, обеспечиваемым многопроцессорной системой при одинаковой тактовой частоте, показывает более чем 4-х кратное преимущество разработанных методов. (Время одного цикла в многопроцессорной системе ^=7,725*10^ сек, в разработанной -11=1,8576*10'4 сек.)

Полученные результаты говорят о высокой эффективности разработанных алгоритмов и наличии потенциальной возможности значительного улучшения качественных показателей БРЛС ЛА, например, увеличения числа одновременно сопровождаемых целей и их допустимой скорости. Расчеты показали возможность сопровождения целей со скоростями в 1,75 раз превышающими скорость современных ЛА.

Результатом проведенного исследования стала разработка методики проектирования алгоритмов функционирования вычислительных модулей, реализуемых в бортовых системах с использованием ПЛИС. Методика ориентирована на применение ПЛИС, что позволяет перейти к реализации на борту ЛА принципиально новой, функционально-ориентированной структуры КБО, организованной по типу единого вычислительного пространства, и предопределяет значительное расширение функциональных возможностей и повышение живучести Л А. Технологии, описанные в методике, могут бьггь использованы при проектировании любых вычислительных систем на борту ЛА, в частности всех

Количество занимаемых 324 ячеек

30 105 180 255 530 Число состояний автомата

- - Одноступенчатая — Двухступенчатая выборка выборка

Рис. 5. Зависимость числа занимаемых ячеек автоматом на ПЛИС от числа его состояний

каналов БРЛС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Проведен анализ динамики входных воздействий угломерного канала бортовой РЛС и на его основе предложена новая классификация входных воздействий: по группам, описывающим динамику движения ЛА и цели; по характеру процессов и по их влиянию на точность сопровождения цели. Разработаны математические модели входных воздействий угломерного канала БРЛС, представленные в виде аналитически записанных функционалов простого вида, и обоснованы их параметры из условия экстремальных значений характеристик движения цели и ЛА. Получены количественные оценки входных воздействий, на базе которых определены требования к вычислительной системе угломерного канала БРЛС.

2. На основе проведенных исследований алгоритмов обработки информации в угломерном канале БРЛС с ФАР показано, что в наибольшей степени требованиям концепции ИВС, построенной на основе ПЛИС, отвечает метод простейших кинематических связей. Определена последовательность использования алгоритмов для получения конечного результата и установлена возможность повышения их эффективности за счет перехода к структуре последовательно-параллельных вычислений

3. Разработана методика определения времени формирования результатов цифровой обработки информации, базирующаяся на совмещении топографических картин устойчивости и точности системы и на ее основе произведена оценка максимально допустимого времени цифровой обработки (0,06 сек) в канале углового сопровождения БРЛС с ФАР.

4. На основе проведенных исследований различных методов вычисления математических функций, ориентированных на аппаратную реализацию, разработаны последовательно-параллельные алгоритмы, наиболее эффективные с точки зрения повышения быстродействия и точности, а так же снижения требуемых аппаратных ресурсов ПЛИС. Разработаны комплексы программ для практической реализации на ПЛИС разработанных алгоритмов. Для различных типов ПЛИС дана оценка времени вычисления и требуемых для их реализации аппаратных ресурсов.

5. Разработан алгоритм функционирования универсального модуля цифровой обработки информации в угломерном канале БРЛС, использующего свойство распараллеливания вычисления различных функций, что позволило при заданной точности производить вычисления в 32 раза быстрее максимально допустимого времени формирования результатов обработки информации и в 1,42 раза быстрее по сравнению с последовательными алгоритмами. Предложены три модификации построения вычислительного модуля, выявлены преимущества и недостатки каждого из вариантов и даны рекомендации по их применению. Предложена структура функционирования цифрового автомата, дающая выигрыш в количестве требуемых ячеек ПЛИС в 5 раз;

6. В рамках концепции единого вычислительного пространства разработаны

принципы построения вычислительной структуры, реализуемой на основе унифицированных вычислительных модулей с использованием ПЛИС, что по сравнению с многопроцессорной системой, при одинаковой тактовой частоте работы, позволяет поднять производительность вычислительной системы угломерного канала БРЛС как минимум в 4 раза.

7. Разработана методика построения вычислительных систем на основе концепции единого вычислительного пространства, позволяющий проектировать унифицированные вычислительные модули, реализуемые с помощью ПЛИС в навигационных системах ЛА.

Основные результаты, полученные при проведении исследований, опубликованы в следующих работах:

1. Чумакова Е.В. Алгоритм обеспечения цифрового канала углового сопровождения цели БРЛС с ФАР. Международная молодежная научная конференция «XXVII Гагаринские чтения», т. 5 М., 2001, тез. докл., с. 88.

2. Чумакова Е.В. Математические модели входных процессов каналов измерения параметров относительно движения цели в БРЛС. Международная молодежная научная конференция «XXVII Гагаринские чтения», т. 5 М., 2001, тез. докл., с. 89.

3. Волков H.H., Чумакова Е.В. Динамика каналов автосопровождения цели -выбор минимальной частоты цифровой обработки реального времени. Тезисы докладов IV международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов МКЭМС-2001 (ICEMK-2001) Институт электротехники МЭИ (ТУ) М., 2001, с. 217-219.

4. Волков А.Н., Данильченко Л.Ю., Чумакова Е.В. Метод оптимизации структур последовательно-параллельной цифровой обработки данных алгоритмов управления в системах угловой ориентации. Международная молодежная научная конференция «XXVIII Гагаринские чтения», т. 5 М., 2002, тез. докл., с. 128.

5. Волков А.Н., Чумакова Е.В. Анализ временных затрат при реализации алгоритмического обеспечения бортовых систем угловой ориентации на этапе предварительного проектирования. Международная молодежная научная конференция «XXVIII Гагаринские чтения», т. 5 М., 2002, тез. докл., с. 129.

6. Чумакова Е.В. Метод оценки реальной производительности мультипроцессора бортового вычислительного комплекса на этапе предварительного проектирования. Международная молодежная научная конференция «XXIX Гагаринские чтения», т. 5 М., 2003, тез. докл., с. 100.

7. Долгунов A.B., Чумакова Е.В. Исследование способов аппаратной реализации основных математических операций и элементарных функций. Международная молодежная научная конференция «XXXI Гагаринские чтения», т. 5 М., 2005, тез. докл., с. 102.

8. Чумакова Е.В. Алгоритмы операций умножения и деления для реализации на ПЛИС // Проектирование и технология электронных средств, Владимир, 2005, №2, с. 54-57.

9. Опадчий Ю.Ф., Чумакова Е.В. Реализация на ПЛИС вычисления элементарных математических функций // Проектирование и технология электронных средств, Владимир, 2005, №4, с. 7-12.

06-892

Тираж 100 экз. заказ 128 Отпечатано «Дизайн-студия»

Введение.

Глава 1. Исследование алгоритмов обработки информации в угломерном канале бортовой PJ1C с ФАР.

1.1. Алгоритмы вычисления навигационных параметров.

1.1.1. Платформенные инерциальные системы.

1.1.2. Бесплатформенные инерциальные системы.

1.2. Алгоритмы преобразования информации о текущем положении цели.

1.3. Алгоритм определения угловой ориентации JIA.

1.4. Алгоритм коррекции пеленгов цели на выходе радиолокационного приемника канала углового сопровождения бортовой PJ1C с ФАР.

1.5. Алгоритм компенсации колебаний корпуса JIA в канале стабилизации углового положения PJl-луча бортовой ФАР

1.6. Алгоритм формирования выходной информации в угломерных каналах бортовой PJ1C с ФАР.

1.7. Последовательность применения алгоритмов в современных бортовых PJ1C.

1.8. Оптимизация алгоритмов цифровой обработки для реализации на ПЛИС.

Выводы.

Глава 2. Разработка математических моделей динамических воздействий в угломерном канале БРЛС с ФАР и анализ требований к его вычислительной системе

2.1. Структура построения и динамика угломерного канала бортовой РЛС с ФАР.

2.1.1. Математические модели составляющих входных воздействий в цифровом угломерном канале .'.

2.1.2. Формирование требований по динамической точности процесса углового сопровождения цели.

2.1.3. Выбор принципов построения структуры угломерного канала бортовой PJIC с ФАР.

2.1.4. Формирование требований к угломерному каналу бортовой PJIC с ФАР.

2.2. Разработка методики определения минимальной частоты цифровой обработки данных бортовой PJIC с ФАР.

2.3. Исследование зависимости динамической точности и устойчивости канала бортовой PJIC с ФАР от времени цифровой обработки.

2.4. Выбор требуемой скорости цифровой обработки в угломерном канале бортовой PJIC с ФАР.

Выводы.

Глава 3. Исследование и реализация методов вычислений элементарных математических операций и функций бортовой PJIC с ФАР.

3.1. Определение формата представления чисел.

3.2. Алгоритмы и программы вычисления элементарных математических операций.

3.2.1. Алгоритмы аппаратной реализации операций сложения и вычитания.

3.2.2. Алгоритмы аппаратной реализации операции умножения.

3.2.3. Алгоритмы аппаратной реализации операции деления

3.3. Выбор и обоснование методов вычисления элементарных математических функций.

3.3.1. Определение значения функции синуса.

3.3.2. Определение значения функции косинуса.

3.3.3. Определение значения функции арксинуса.

3.3.4. Определение значения функции арктангенса.

3.4. Определение разрядности представления чисел.

3.5. Алгоритмы и программы вычисления элементарных математических функций.

3.5.1. Реализация алгоритма вычисления функции синуса.

3.5.2. Реализация алгоритма вычисления функции косинуса

3.5.3. Реализация алгоритма вычисления функции арксинуса

3.5.4. Реализация алгоритма вычисления функции арктангенса.

3.5.5. Оценка эффективности разработанных алгоритмов.

Выводы.

Глава 4. Разработка алгоритмов работы функциональных узлов цифровой обработки информации, основанных на ПЛИС.

4.1. Принципы организации вычислительного процесса в модуле бортовой РЛС JTA.

4.2. Алгоритмы управления модулем обработки информации в бортовой РЛС ЛА.

4.2.1. Алгоритм одноступенчатой выборки данных.

4.2.2. Алгоритм двухступенчатой выборки данных.

4.3. Анализ соответствия требований к объему и времени вычислений в цикле обработки информации с использованием ПЛИС.

4.4. Разработка методики проектирования вычислительных модулей, реализуемых в каналах бортовой РЛС с использованием ПЛИС.

Выводы.

Основной тенденцией развития авиационной техники является постоянное совершенствование характеристик летательных аппаратов (JIA). Достижение этой цели ставит перед разработчиками все новые задачи, связанные с возможностью выполнения JIA 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 JIA, 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 JIA. 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 JIA, 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 JIA 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 JIA. 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 системно-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 JIA. 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. Первый 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 JIA 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, причем 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 ПК 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 PCI-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 Xilinx 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 ИБС, 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 работы 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 характеристиками JIA;

- 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 цифровой 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 зависимости 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 и 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).

Выводы:

- разработаны принципы организации вычислительного процесса в угломерном канале БРЛС ЛА, реализующие алгоритмы обработки информации, основанные на методе простейших кинематических связей;

- показано, что повышение быстродействия и сокращение требуемых аппаратных ресурсов ПЛИС при реализации алгоритма может быть достигнуто при его декомпозиции на универсальные вычислительные структуры (УВС), обеспечивающие реализацию принципа последовательно-параллельного вычисления результата;

- разработаны алгоритмы функционирования УВС, а так же предложены принципы и разработаны алгоритмы организации их взаимодействия в структуре угломерного канала БРЛС ЛА;

- получена аналитическая зависимость между требуемыми аппаратными ресурсами ПЛИС и количеством состояний УА для различных методов организации вычислительного процесса и показано, что использование принципа двумерной адресации позволяет в 2 раза уменьшить разрядность управляющего слова автомата и 1,5 раза снижает затраты аппаратных ресурсов ПЛИС на его реализацию;

- выполнена оценка быстродействия канала обработки информации и показано, что использование алгоритма, основанного на применение УВС и двумерной системы выборка информации, позволяет при заданной точности в 32 раза повысить быстродействие обработки информации, что, в частности, позволяет увеличить количество одновременно сопровождаемых целей ив 1,75 раза увеличить их допустимую скорость;

- определены объемы затрат аппаратных ресурсов на реализацию модуля обработки информации в угломерном канале БРЛС ЛА;

- показано, что по сравнению с известными методами, использование разработанных алгоритмов позволяет, как минимум, в 4 раза увеличить быстродействие вычислительной системы угломерного канала БРЛС ЛА;

- разработана методика проектирования угломерного канала БРЛС ЛА, реализующая функционально-ориентированную структуру построения КБО и ориентированную на реализацию концепции интегрированной вычислительной среды, что предопределяет значительное расширение функциональных возможностей, в частности по точности и быстродействию процесса наведения, ремонтопригодности, стоимости технического обслуживания, возможности модернизации и живучести ЛА.

Заключение

Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Проведен анализ динамики входных воздействий угломерного канала бортовой PJIC и на его основе предложена новая классификация входных воздействий: по группам, описывающим динамику движения JIA и цели; по характеру процессов и по их влиянию на точность сопровождения цели. Разработаны математические модели входных воздействий угломерного канала БРЛС, представленные в виде аналитически записанных функционалов простого вида, и обоснованы их параметры из условия экстремальных значений характеристик движения цели и ЛА. Получены количественные оценки входных воздействий, на базе которых определены требования к вычислительной системе угломерного канала БРЛС.

2. На основе проведенных исследований алгоритмов обработки информации в угломерном канале БРЛС с ФАР показано, что в наибольшей степени требованиям концепции ИВС, построенной на основе ПЛИС, отвечает метод простейших кинематических связей. Определена последовательность использования алгоритмов для получения конечного результата и установлена возможность повышения их эффективности за счет перехода к структуре последовательно-параллельных вычислений.

3. Разработана методика определения времени формирования результатов цифровой обработки информации, базирующаяся на совмещении топографических картин устойчивости и точности системы и на ее основе произведена оценка максимально допустимого времени цифровой обработки (0,06 сек) в канале углового сопровождения БРЛС с ФАР.

4. На основе проведенных исследований различных методов вычисления математических функций, ориентированных на аппаратную реализацию, разработаны последовательно-параллельные алгоритмы, наиболее эффективные с точки зрения повышения быстродействия и точности, а так же снижения требуемых аппаратных ресурсов ПЛИС. Разработаны комплексы программ для практической реализации на ПЛИС разработанных алгоритмов. Для различных типов ПЛИС дана оценка времени вычисления и требуемых для их реализации аппаратных ресурсов.

5. Разработан алгоритм функционирования универсального модуля цифровой обработки информации в угломерном канале БРЛС, использующего свойство распараллеливания вычисления различных функций, что позволило при заданной точности производить вычисления в 32 раза быстрее максимально допустимого времени формирования результатов обработки информации ив 1,42 раза быстрее по сравнению с последовательными алгоритмами. Предложены три модификации построения вычислительного модуля, выявлены преимущества и недостатки каждого из вариантов и даны рекомендации по их применению. Предложена структура функционирования цифрового автомата, дающая выигрыш в количестве требуемых ячеек ПЛИС в 5 раз;

6. В рамках концепции единого вычислительного пространства разработаны принципы построения вычислительной структуры, реализуемой на основе унифицированных вычислительных модулей с использованием ПЛИС, что по сравнению с многопроцессорной системой, при одинаковой тактовой частоте работы, позволяет поднять производительность вычислительной системы угломерного канала БРЛС как минимум в 4 раза.

7. Разработана методика построения вычислительных систем на основе концепции единого вычислительного пространства, позволяющий проектировать унифицированные вычислительные модули, реализуемые с помощью ПЛИС в навигационных системах ЛА.

1. Харин Е.Г. Комплексная обработка информации навигационных систем летательных аппаратов. Опыт многолетнего практического применения. Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2002. - 264с.: ил.

2. Барашенков В.В., Лутченко А.Е., Скороходов Е.М. и др. Цифровые радионавигационные устройства/ Под ред. Смолова В.Б. М.: Сов. радио, 1980.-288 е.: ил.

3. Павлов A.M. Принципы организации бортовых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов, ГосНИИАС. // Мир компьютерной автоматизации, №4, 2001.

4. Александров И. Бортовая РЛС самолета F-18. //Зарубежное военное обозрение, 1979, №10, с.71-73.

5. Краткий физико-технический справочник в 3-х томах. Т 1: Математика. Физика-М.: Физматлит, 1960.-446с.

6. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для Вузов / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; Под ред. Г.А. Ерохина. 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 491 е.: ил.

7. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: учеб. для вузов М.: Высш. шк., 1990. -335с., ил.

8. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: ГИИЛ, 1953. -457с.

9. Матричный метод стандартных кинематических связей для решения задач сферической тригонометрии и угловой ориентации / Волков Н.Н., ВолковА.Н.; Моск. авиац .технол. ин-т(РГТУ).- 1998.- 33с.- Библиогр. 3 назв.- Рус.- Деп. В ВИРИТИ, №2406-В98М., 1998.

10. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: учеб. пособие. -М.: Высш. шк., 1994. 544 е.: ил.

11. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 831с.

12. Бесекерский В.А. ,Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1972. 768с., ил.

13. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам. М.: Радио и Связь, 1985.

14. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Радио и Связь, 1996. - 768с.

15. Справочная математическая библиотека под общей редакцией Л.А. Люстерника и А.П. Янпольского. Математический анализ. Вычисление элементарных функций. М., Физматгиз, 1963, 248 с.

16. Рахтеенко Е.Р. Гироскопические системы ориентации М.: Машиностроение, 1989.-227с.

17. Пескова С.А., Гуров А.И., Кузин А.В. Центральные и периферийные устройства электронных вычислительных средств/ Под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 2000. - 496 е.: ил.

18. Матричный метод стандартных кинематических связей при разработке алгоритмов управления в системах угловой ориентации. / Волков Н.Н., Волков А.Н.// 1С А'97 II Международный Аэрокосмический Конгресс. -М., Сентябрь 1997. Сб. докладов, -с.193-196.

19. Коношенко М.П. Параллельные вычисления. М.: Изд-во МЭИ, 1995. -82с.

20. Матов В.И., Белоусов Ю.А., Федосеев Е.П. Бортовые ЦВМ и системы. -М.: Высш. школа, 1988.

21. РЛС для легких самолетов с антеннами, использующие ФАР. //Электроника (русский перевод), 1972, №15, с.20.

22. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах М. Машиностроение, 1991г.-512с.

23. Ривкин С.С., Берман З.М., Окон И.О. Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 1996 - 226с.

24. Воробьев Л.М. Воздушная навигация. М.: Машиностроение, 1984. -256с., ил.

25. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей: Перев.с англ. М.: Радио и Связь, 1993.-320с., ил.

26. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы. Учеб. для вузов по специальности «Гироскопические приборы и устройства»/ Д.С. Пельпор, И.А. Михалев и др.; Под ред. Д.С. Пельпора. М.: Высш.шк., 1988. -424с., ил.

27. Водяхо А.И., Горец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных. Уч.пособие. М.: Высш.шк., 1997. - 304с., ил.

28. Беляевский JT.C., Новиков B.C., Олянюк П.В. Обработка и отображение радионавигационной информации. М.: Радио и связь, 1990. - 233 е.: ил.

29. Воробьев В.Г., Глухов В.В., Кадышев И.К. Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы: Учеб. для вузов/под ред. В.Г. Воробьева.-М.: Транспорт, 1992.-399с.

30. Верещака А.И., Олянюк П.В. Авиацинная радиоэлектроника, средства связи и радионавигации. Учеб. для вузов.-М.: Транспорт, 1993.343с.

31. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник /Ширман Я.Д., Минервин Н.Н., Москвитин С.В., Горшков С.А, Леховицкий Д.И., Левченко Л.С. /Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: ЗАО «МАКВИС», 1998. - 828 е.: ил.

32. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. СПб.: Политехника, 1998.-592 е.: ил.

33. Боглаев Ю.П. Вычислительная математика и программирование. Учеб. для вузов М.: Высш. шк., 1990.

34. Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры. М.: Наука, 1977.-304 с.

35. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 608 е.: ил.

36. Бахвалов Н.С., Жидков Н.Л., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 632 е.: ил.

37. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. -М.: ИП РадиоСофт, 2002. 224 е.: ил.

38. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов М.: Высш. шк., 1987.

39. Прикладная теория цифровых автоматов / К.Г. Самофалов, A.M. Раманкевич, В.Н. Валуйский, Ю.С. Каневский, М.М. Пиневич. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. — 375с.

40. Вендик О.Г. Фазированная антенная решетка — глаза радиотехнической системы, Соросовский образовательный журнал №2, 1997, с 115-120.

41. Хуторной С. Система Excaliur средство разработки SoC-решений фирмы ALTERA. //ChipNews, №6, 2001.

42. Теоретические основы радиолокации /Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Советское радио, 1978.

43. Том Уильяме. Шестая технология-киллер: жёсткие ядра и программируемая логика на одном системном кристалле. //Мир компьютерной автоматизации, №2, 2001.

44. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы «ALTERA»: элементная база, системы проектирования и языки описания аппаратуры. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002. - 576 с.

45. Quartus. SignalTap User Guide. Altera Corporation. November 1999. http ://www.altera.com/

46. APEX20K Programmable Logic Device Family. Altera Corporation. Data sheet. March 2000. http://www.altera.com/

47. Кузелин M.O., Кнышев Д.А., Зотов В.Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы XILINX. -М.: Горячая линия Телеком, 2004.

48. Стешенко В.Б. EDA: практика автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств. -М.: Издательство «Нолидж», 2002.

49. Антонов А.П., Мелехин В.Ф., Филиппов Л.С. Обзор элементной базы фирмы «ALTERA». Изд-во ЭФО, Санкт-Петербург, 1997. 143 с.

50. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы «ALTERA». Проектирование устройств обработки сигналов. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2000.

51. Шипулин С.П., Храпов В.Ю. Основные тенденции развития ПЛИС // Электронные компоненты. 1996. №3-4. с.26.

52. Nios Embedded Processor Development Board. Altera Corporation. Data sheet. March 2001. www.altera.com/

53. P. Блейхут. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. Москва: Мир, 1989.

54. Системы и оборудование ЛА. Модернизация РЛС самолета F-15C. Экспресс информация ВИНИТИ, сер. «Авиостроение», 2001, №29 с.27-29с.

55. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М.: Сов. радио, 1975. - 336 е.: ил.

56. Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие / Под ред. П.В. Трусова. -М.: Логос, 2004.

57. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике: Учеб. пособие / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

58. Бобровский С. Опыт создания бортового ПО для истребителя F-22 // Корпоративные системы, №35, 2000. www.peweed.ru/Year2000/N35/ CP 1251 /CorporationSystems/chapt3 .htm

59. J. Dias, J. Tonney. Universal control program for U.S. army helicopters, 2002. www.brard.ru/book/b0005/book/58afl80.pdf.

60. Волков А.Н. Волков H.H. Обоснование возможностей реализации управляющих алгоритмов в бортовых ЭВМ. II Междунар. Аэрокосм, конгр. IAC'97 М., сент. 1997 сб. докл., с. 135-138.

61. Волков А.Н. Оценка вычислительных возможностей управляющей ЭВМ, ориентированной на цифровую обработку в системах угловой ориентации XXIV Гагаринские чтения. Всероссийская молодежная НТК. МАТИ-РГТУ М., апр. 1998 Тез. докл. с. 62-63.

62. William В. Scott. Raptor strikes fast // Aviation week & space Technology, 2005, September, №12, p. 63-64.

63. Svetlana Jositovska. Second Chance // Electronics World, 2005, February, p. 14-15.

64. Nick Flaherty. Programmable is the future // Electronics World, 2005, March, p. 12-13.

65. Eddie Insam. FPGAs demystified // Electronics World, 2004, May, p. 10-14.

66. Eddie Insam. FPGAs demystified // Electronics World, 2004, June, p. 10-14.

67. P.M. Kelly, T.M. McGinnity, L.P. Maguire, L. McDiad. Exploiting binary functionality in quaternary look-up table for increased functional density in multiple value login FPGAs // Electronics Letters, 2005, №6, p. 300-302.

68. Чумакова Е.В. Алгоритмы операций умножения и деления для реализации на ПЛИС // Проектирование и технология электронных средств, Владимир, 2005, №2, с. 54-57.

69. Е.В. Чумакова, Опадчий Ю.Ф. Реализация на ПЛИС вычисления элементарных математических функций // Проектирование и технология электронных средств, Владимир, 2005, №4, с. 7-12.