Giải pháp xử lý thứ cấp thông tin ra đa cho các đài ra đa biển ứng dụng hệ điều hành thời gian thực

Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> GIẢI PHÁP XỬ LÝ THỨ CẤP THÔNG TIN RA ĐA CHO CÁC ĐÀI<br /> RA ĐA BIỂN ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC<br /> Nguyễn Đức Nghĩa1, Vũ Chí Thanh1*, Trần Văn Ánh1, Trần Xuân Yến2<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày những đặc điểm nổi bật của hệ điều hành thời gian<br /> thực QNX so với hệ điều hành Linux trong xử lý thông tin ra đa đặc biệt đối với ra<br /> đa biển. Đây là đặc điểm quan trọng để xây dựng chương trình phần mềm xử lý cấp<br /> 2 thông tin ra đa, thực hiện khởi đầu quỹ đạo, bám bắt quỹ đạo mục tiêu. Bài báo<br /> đưa ra kết quả triển khai thuật toán xử lý cấp 2 thông tin ra đa trên nền hệ điều<br /> hành thời gian thực QNX ứng dụng cho ra đa biển.<br /> Từ khóa: Xử lý tín hiệu ra đa, Xử lý cấp 2, Hệ điều hành thời gian thực, Hệ điều hành QNX.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Hiện nay việc áp dụng các công nghệ xử lý tiên tiến như DSP, ASIC, FPGA,<br /> vào xử lý sơ cấp tín hiệu ra đa đã được phổ biến rộng rãi và đạt được những bước<br /> tiến lớn trong công nghệ thiết kế và chế tạo ra đa. Song song với xử lý sơ cấp thì<br /> bài toán xử lý thứ cấp cũng cần phải nâng cấp để đảm bảo được tốc độ xử lý với<br /> thuật toán phức tạp và khối lượng thông tin lớn.<br /> Với ra đa biển, việc xử lý phân cấp mục tiêu trên biển gặp rất nhiều khó khăn,<br /> đặc biệt tại các cảng biển, ven bờ số lượng mục tiêu rất lớn và tốc độ di chuyển<br /> chậm. Bên cạnh đó thuật toán xử lý cho mục tiêu biển cũng có các đặc điểm phức<br /> tạp nên đòi hỏi phải nâng cao cấu hình hệ thống xử lý về tài nguyên cũng như tốc<br /> độ xử lý.Với hệ điều hành Windows việc xử lý thông tin ra đa với khối lượng tính<br /> toán lớn gặp rất nhiều khó khăn và khó can thiệp vào hệ thống, điều đó làm hạn<br /> chế tốc độ, độ bảo mật, đặc biệt với các hệ thống quân sự. Do đó, sử dụng một hệ<br /> điều hành thời gian thực và có khả năng can thiệp hệ thống cao phục vụ cho bài<br /> toán xử lý thông tin ra đa đáp ứng thời gian thực là rất cấp thiết. Hệ điều hành<br /> QNX được đánh giá là hệ điều hành thời gian thực có độ tin cậy cao nhất. Ứng<br /> dụng QNX trong bài toán ra đa biển sẽ giải quyết được các hạn chế về tốc độ xử lý<br /> của các hệ điều hành thông thường. Từ những vấn đề trên bài báo nêu lên giải pháp<br /> xử lý thứ cấp thông tin ra đa cho các đài ra đa biển ứng dụng hệ điều hành thời<br /> gian thực QNX và kết quả nhận được qua xây dựng chương trình phần mềm.<br /> 2. HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC QNX<br /> QNX là một hệ điều hành có kích thước nhỏ. Nó dựa trên kiến trúc Micro<br /> Kernel (vi nhân). Điều này khác biệt với Unix, MacOS và Windows vốn dĩ được<br /> xây dựng trên những nhân lớn và nguyên khối.<br /> Hệ điều hành QNX có những điểm nhấn sau:<br /> - QNX cấp riêng vùng nhớ ảo cho mỗi tiến trình (process):<br /> QNX cấp phát cho mỗi tiến trình vùng nhớ ảo riêng, và chỉ cho phép process<br /> hoạt động trong phạm vi vùng nhớ đó, nếu cần thêm tài nguyên thì tiến trình yêu<br /> cầu, QNX sẽ cấp thêm, nhưng vẫn theo nguyên lý “sử dụng riêng biệt”. Điều này<br /> hạn chế tối đa việc toàn bộ hệ thống bị lỗi giữa chừng do dùng chung vùng nhớ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 164 N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, …, “Giải pháp xử lý thứ cấp… hệ điều hành thời gian thực.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Với cơ chế hoạt động này, nếu tiến trình nào phát sinh lỗi, hoặc ghi vào vùng<br /> nhớ không dành cho nó, hệ điều hành sẽ phát hiện và ngay lập tức tắt tiến trình đó.<br /> Ngoài việc hạn chế lỗi hệ thống, cơ chế cấp phát vùng nhớ riêng cho mỗi tiến<br /> trình của QNX còn giúp tối ưu hóa độ bảo mật và sự ổn định của hệ thống. Mỗi<br /> tiến trình chỉ sử dụng được vùng nhớ mà nó được cấp cho, không thể xâm phạm<br /> vào vùng nhớ của tiến trình khác hoặc vùng nhớ chưa được cấp phép. Do đó, sử<br /> dụng phương thức chạy code lấy thông tin vùng nhớ khác là không thể, do đó<br /> QNX được dùng rất rộng rãi trong các hệ thống quân sự: ra đa, tên lửa, thông tin<br /> quân sự, hệ thống bảo mật.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Kiến trúc hệ điều hành thời gian thực QNX.<br /> - Mọi thứ trong QNX trừ kernel (nhân) đều là process:<br /> Với kiến trúc Micro Kernel của mình, QNX chỉ gồm nhân kernel nhỏ duy nhất,<br /> tất cả phần còn lại đều là process đính kèm vào (giống như plug-in trên các hệ điều<br /> hành khác). Từ TCP/IP, driver, keyboard, nhận dạng cử chỉ (gesture) cho đến trình<br /> dựng hình (rendering) tất cả đều là process. Nếu có lỗi xảy ra, hệ thống sẽ tự khởi<br /> động tiến trình đó lại và hệ thống vẫn sử dụng bình thường [4].<br /> - Tương thích hoàn toàn qui chuẩn API POSIX:<br /> POSIX là tên viết tắt của Portable Operating System Interface cho Unix. Đó là<br /> một tập hợp các tiêu chuẩn mà các lập trình tuân thủ khi viết chương trình. Nói cách<br /> khác, đó là một loạt các chi tiết kỹ thuật API. Các lập trình viên thường dựa theo<br /> những qui chuẩn này để viết code. Vậy nên việc tương thích chuẩn POSIX giúp cho<br /> các nhà lập trình Unix, Windows, Linux dễ dàng tiếp cận với QNX [5][6].<br /> - Thiết kế phù hợp cho bộ xử lí đa nhân và phân phối địa lí:<br /> Xử lí đa nhân mà QNX hỗ trợ không dừng ở những con số đếm trên đầu ngón<br /> tay nữa, mà lên đến 32 hoặc 64 nhân. QNX còn hỗ trợ phân phối địa lí, giúp chúng<br /> ta sử dụng một hệ điều hành cùng lúc cho nhiều thiết bị phần cứng có thể đặt gần<br /> hoặc rất xa nhau [4].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 165<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> 3. KIẾN TRÚC ĐẶC BIỆT KHÁC CỦA QNX SO VỚI HỆ ĐIỀU HÀNH<br /> CÙNG NỀN TẢNG NHƯ LINUX<br /> - Các bản Linux bản quyền và không bản quyền đều tương thích với chuẩn<br /> POSIX, chuẩn này tương tự như chuẩn công nghiệp API sử dụng với QNX tuy<br /> nhiên trên Linux trình điều khiển không thể truy cập tới POSIX API (hình 2), trong<br /> khi đó QNX hoàn toàn có thể truy cập trực tiếp tới các POSIX API (hình 3)[4][6].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Kiến trúc của hệ điều hành Linux.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Kiến trúc của hệ điều hành QNX.<br /> <br /> <br /> 4. TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN XỬ LÝ CẤP 2 THÔNG TIN RA ĐA<br /> VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN<br /> Ứng dụng bộ lọc Kalman vào xử lý cấp 2 thông tin ra đa, đối với bài toán xử lý<br /> cấp 2 thông tin ra đa, khi chúng ta cần đánh giá các tham số của một quỹ đạo tuyến<br /> tính với độ sai số đo đạc qua các chu kỳ quét T0, bộ lọc nhận được sẽ là 1 bộ lọc 2<br /> chiều với đánh giá cự ly rˆn và vận tốc Vˆrn được xác định với n =1,2,... qua quan hệ<br /> truy toán sau:<br /> <br /> <br /> 166 N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, …, “Giải pháp xử lý thứ cấp… hệ điều hành thời gian thực.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> rˆ n1  rˆ n  T0  Vˆ r  b1,n1 ( yn1  rˆ n  T0  Vˆ r )<br /> n n<br /> <br /> <br /> (1)<br /> Vˆ r  Vˆ r  b2,n1 ( yn1  rˆ n  T0  Vˆ r )<br /> n 1 n n<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Khi đó hệ số khuếch đại Kk+1 của bộ lọc Kalman được tính như sau:<br />  k x ,n1 <br /> K n1   <br />  k x ,n1 <br /> 2(2n  1) ; 6<br /> k x ,n1  k x ,n 1  (2)<br /> ( n  1)( n  2) ( n  1)(n  2)  T0<br /> Ma trận ngoại suy trong trường hợp này có dạng:<br />  gn  fn <br />  hn  2 g n  f n T0 <br /> 1 <br /> Pn/ n  (3)<br /> kn  g n  f n fn <br />  T0 T02 <br /> <br /> hn  hn1  2 g n1  f n1 ; g n  g n1  f n<br /> f n  f n1  w n ; kn  kn1  w n hn ; w n  1 /  x2<br /> 2<br /> Nếu sai số dữ liệu đo đạc  x không đổi trong mỗi chu kỳ quét thì các hệ số kn,<br /> hn, gn, fn được xác định như sau:<br /> n(n  1)<br /> f n  nw ; g n  w<br /> 2<br /> n(n  1)(2n  1) n 2 (n 2  1)<br /> hn  w ; kn  w<br /> 6 12<br /> Tính toán cửa sóng ngoại suy với hình dạng và kích thước cửa sóng trong hệ tọa<br /> độ vuông góc. Trong trường hợp này sai số tuyệt đối giữa điểm dấu thực và điểm<br /> dấu ngoại suy xác định bằng:<br /> x  x  xns <br />  (4)<br /> y  y  yns <br /> Giả sử x và y không tương quan, phân bố xác suất độ lệch điểm dấu thực<br /> và điểm ngoại suy (tâm cửa sóng) có dạng phân bố lệch chuẩn:<br /> <br />  1  x y 2 <br /> 2<br /> 1<br /> f (x.y )  exp   2  2  (5)<br /> 2 x y  2   x  y <br /> Từ (5) suy ra đường đẳng xác suất độ lệch:<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 167<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> x 2 y 2<br /> 2<br />  2<br />  2 (6)<br /> x y<br /> Từ (5) và (6) cửa sóng tối ưu phải có dạng hình elíp. Nhưng việc định cửa điểm<br /> dấu ngoại suy bằng cửa sóng elíp trong hệ tọa độ vuông góc trên máy tính rất phức<br /> tạp. Vì vậy, trên thực tế người ta chọn cửa sóng hình chữ nhật như hình 4:<br /> <br /> <br /> ycs<br /> ( xns , yns )<br /> ycs<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> xcs xcs<br /> <br /> x<br /> <br /> Hình 4. Hình dạng cửa sóng bám sát trong tọa độ vuông góc.<br /> Từ hình 4 dễ dàng suy ra điều kiện giải tích để điểm dấu mới rơi vào cửa sóng là:<br /> xNi 1  xns  xcs<br /> (7)<br /> y Ni 1  yns  ycs<br /> <br /> Ở đây xNi 1 , y Ni 1 - tọa độ điểm dấu của mục tiêu i ở chu kỳ quan sát N+1. Còn<br /> kích thước cửa sóng xcs , ycs chọn theo xác suất rơi điểm dấu thực vào cửa sóng.<br /> Để xác suất rơi điểm dấu thực vào cửa sóng bằng 0.999 thì cần chọn kích thước<br /> cửa sóng gấp 3 lần trung bình sai số của đài theo 2 trục tọa độ vuông góc như bên<br /> dưới [3]:<br /> xcs  3 x<br /> ycs  3 y<br /> Sơ đồ khối thuật toán khởi đầu quỹ đạo theo tiêu chuẩn 2/m nêu trên hình 5. Ở<br /> đây m là số chu kỳ quan sát để thực hiện khởi đầu quỹ đạo.<br /> Ta có thể áp dụng một trong những phương pháp của lý thuyết thống kê về giải<br /> bài toán phát hiện ứng với những hiểu biết tiên nghiệm phân bố thống kê quỹ đạo<br /> mục tiêu và điểm dấu lầm. Ở đây không xem xét các thuật toán tối ưu theo phương<br /> pháp thống kê xác suất, mà chỉ xét một thuật toán đơn giản hơn đó là thuật toán thử<br /> hàng loạt với tiêu chuẩn một mức ngưỡng, thuật toán phát hiện được mô tả bằng<br /> tiêu chuẩn l .<br /> n<br /> Ở đây : n số chu kỳ quan sát lấy để thực hiện khẳng định quỹ đạo.<br /> l số điểm dấu có liên hệ với nhau.<br /> Như vậy, nếu kể cả giai đoạn khởi đầu quỹ đạo thì tiêu chuẩn phát hiện quỹ đạo<br /> hợp nhất theo phương pháp thử hàng loạt có thể viết [3]:<br /> ( 2/m + l/n )<br /> <br /> <br /> 168 N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, …, “Giải pháp xử lý thứ cấp… hệ điều hành thời gian thực.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> i