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 N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, , “Giải pháp xử lý thứ cấp hệ điều hành thời gian thực.” 164 GIẢI PHÁP XỬ LÝ THỨ CẤP THÔNG TIN RA ĐA CHO CÁC ĐÀI RA ĐA BIỂN ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC Nguyễn Đức Nghĩa1, Vũ Chí Thanh1*, Trần Văn Ánh1, Trần Xuân Yến2 Tóm tắt: Bài báo trình bày những đặc điểm nổi bật của hệ điều hành thời gian thực QNX so với hệ điều hành Linux trong xử lý thông tin ra đa đặc biệt đối với ra đa biển. Đây là đặc điểm quan trọng để xây dựng chương trình phần mềm xử lý cấp 2 thông tin ra đa, thực hiện khởi đầu quỹ đạo, bám bắt quỹ đạo mục tiêu. Bài báo đưa ra kết quả triển khai thuật toán xử lý cấp 2 thông tin ra đa trên nền hệ điều hành thời gian thực QNX ứng dụng cho ra đa biển. Từ khóa: Xử lý tín hiệu ra đa, Xử lý cấp 2, Hệ điều hành thời gian thực, Hệ điều hành QNX. 1. MỞ ĐẦU Hiện nay việc áp dụng các công nghệ xử lý tiên tiến như DSP, ASIC, FPGA, vào xử lý sơ cấp tín hiệu ra đa đã được phổ biến rộng rãi và đạt được những bước tiến lớn trong công nghệ thiết kế và chế tạo ra đa. Song song với xử lý sơ cấp thì bài toán xử lý thứ cấp cũng cần phải nâng cấp để đảm bảo được tốc độ xử lý với thuật toán phức tạp và khối lượng thông tin lớn. Với ra đa biển, việc xử lý phân cấp mục tiêu trên biển gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt tại các cảng biển, ven bờ số lượng mục tiêu rất lớn và tốc độ di chuyển chậm. Bên cạnh đó thuật toán xử lý cho mục tiêu biển cũng có các đặc điểm phức tạp nên đòi hỏi phải nâng cao cấu hình hệ thống xử lý về tài nguyên cũng như tốc độ xử lý.Với hệ điều hành Windows việc xử lý thông tin ra đa với khối lượng tính toán lớn gặp rất nhiều khó khăn và khó can thiệp vào hệ thống, điều đó làm hạn chế tốc độ, độ bảo mật, đặc biệt với các hệ thống quân sự. Do đó, sử dụng một hệ điều hành thời gian thực và có khả năng can thiệp hệ thống cao phục vụ cho bài toán xử lý thông tin ra đa đáp ứng thời gian thực là rất cấp thiết. Hệ điều hành QNX được đánh giá là hệ điều hành thời gian thực có độ tin cậy cao nhất. Ứng dụng QNX trong bài toán ra đa biển sẽ giải quyết được các hạn chế về tốc độ xử lý của các hệ điều hành thông thường. Từ những vấn đề trên bài báo nêu lên giải pháp xử lý thứ cấp thông tin ra đa cho các đài ra đa biển ứng dụng hệ điều hành thời gian thực QNX và kết quả nhận được qua xây dựng chương trình phần mềm. 2. HỆ ĐIỀU HÀNH THỜI GIAN THỰC QNX QNX là một hệ điều hành có kích thước nhỏ. Nó dựa trên kiến trúc Micro Kernel (vi nhân). Điều này khác biệt với Unix, MacOS và Windows vốn dĩ được xây dựng trên những nhân lớn và nguyên khối. Hệ điều hành QNX có những điểm nhấn sau: - QNX cấp riêng vùng nhớ ảo cho mỗi tiến trình (process): QNX cấp phát cho mỗi tiến trình vùng nhớ ảo riêng, và chỉ cho phép process hoạt động trong phạm vi vùng nhớ đó, nếu cần thêm tài nguyên thì tiến trình yêu cầu, QNX sẽ cấp thêm, nhưng vẫn theo nguyên lý “sử dụng riêng biệt”. Điều này hạn chế tối đa việc toàn bộ hệ thống bị lỗi giữa chừng do dùng chung vùng nhớ. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 165 Với cơ chế hoạt động này, nếu tiến trình nào phát sinh lỗi, hoặc ghi vào vùng nhớ không dành cho nó, hệ điều hành sẽ phát hiện và ngay lập tức tắt tiến trình đó. Ngoài việc hạn chế lỗi hệ thống, cơ chế cấp phát vùng nhớ riêng cho mỗi tiến trình của QNX còn giúp tối ưu hóa độ bảo mật và sự ổn định của hệ thống. Mỗi tiến trình chỉ sử dụng được vùng nhớ mà nó được cấp cho, không thể xâm phạm vào vùng nhớ của tiến trình khác hoặc vùng nhớ chưa được cấp phép. Do đó, sử dụng phương thức chạy code lấy thông tin vùng nhớ khác là không thể, do đó QNX được dùng rất rộng rãi trong các hệ thống quân sự: ra đa, tên lửa, thông tin quân sự, hệ thống bảo mật. Hình 1. Kiến trúc hệ điều hành thời gian thực QNX. - Mọi thứ trong QNX trừ kernel (nhân) đều là process: Với kiến trúc Micro Kernel của mình, QNX chỉ gồm nhân kernel nhỏ duy nhất, tất cả phần còn lại đều là process đính kèm vào (giống như plug-in trên các hệ điều hành khác). Từ TCP/IP, driver, keyboard, nhận dạng cử chỉ (gesture) cho đến trình dựng hình (rendering) tất cả đều là process. Nếu có lỗi xảy ra, hệ thống sẽ tự khởi động tiến trình đó lại và hệ thống vẫn sử dụng bình thường [4]. - Tương thích hoàn toàn qui chuẩn API POSIX: POSIX là tên viết tắt của Portable Operating System Interface cho Unix. Đó là một tập hợp các tiêu chuẩn mà các lập trình tuân thủ khi viết chương trình. Nói cách khác, đó là một loạt các chi tiết kỹ thuật API. Các lập trình viên thường dựa theo những qui chuẩn này để viết code. Vậy nên việc tương thích chuẩn POSIX giúp cho các nhà lập trình Unix, Windows, Linux dễ dàng tiếp cận với QNX [5][6]. - Thiết kế phù hợp cho bộ xử lí đa nhân và phân phối địa lí: Xử lí đa nhân mà QNX hỗ trợ không dừng ở những con số đếm trên đầu ngón tay nữa, mà lên đến 32 hoặc 64 nhân. QNX còn hỗ trợ phân phối địa lí, giúp chúng ta sử dụng một hệ điều hành cùng lúc cho nhiều thiết bị phần cứng có thể đặt gần hoặc rất xa nhau [4]. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, , “Giải pháp xử lý thứ cấp hệ điều hành thời gian thực.” 166 3. KIẾN TRÚC ĐẶC BIỆT KHÁC CỦA QNX SO VỚI HỆ ĐIỀU HÀNH CÙNG NỀN TẢNG NHƯ LINUX - Các bản Linux bản quyền và không bản quyền đều tương thích với chuẩn POSIX, chuẩn này tương tự như chuẩn công nghiệp API sử dụng với QNX tuy nhiên trên Linux trình điều khiển không thể truy cập tới POSIX API (hình 2), trong khi đó QNX hoàn toàn có thể truy cập trực tiếp tới các POSIX API (hình 3)[4][6]. Hình 2. Kiến trúc của hệ điều hành Linux. Hình 3. Kiến trúc của hệ điều hành QNX. 4. TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN XỬ LÝ CẤP 2 THÔNG TIN RA ĐA VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN Ứng dụng bộ lọc Kalman vào xử lý cấp 2 thông tin ra đa, đối với bài toán xử lý cấp 2 thông tin ra đa, khi chúng ta cần đánh giá các tham số của một quỹ đạo tuyến tính với độ sai số đo đạc qua các chu kỳ quét T0, bộ lọc nhận được sẽ là 1 bộ lọc 2 chiều với đánh giá cự ly nˆr và vận tốc ˆ nr V được xác định với n =1,2,... qua quan hệ truy toán sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 167 1 1 0 1, 1 1 0 2, 1 1 0 ˆ ˆˆ ˆ ˆ( ) ˆ ˆ ˆˆ( ) n n n n n n n nr rn n nr r rn n r r T V b y r T V V V b y r T V                   (1) Khi đó hệ số khuếch đại Kk+1 của bộ lọc Kalman được tính như sau: , 1 1 , 1 x n n x n k K k           , 1 2(2 1) ( 1)( 2) x n n n n k      ; ,n 1 0 6 ( 1)( 2) x k n n T       (2) Ma trận ngoại suy trong trường hợp này có dạng: 0 / 2 0 0 2 1 n n n n n n n n n nn g f h g f T P g f fk T T              (3) 1 1 1 1 2 1 1 2 ; w ; w ; w 1 / n n n n n n n n n n n n n n n x h h g f g g f f f k k h                  Nếu sai số dữ liệu đo đạc 2 x không đổi trong mỗi chu kỳ quét thì các hệ số kn, hn, gn, fn được xác định như sau: 2 2 ( 1) w ; w 2 ( 1)(2 1) ( 1) w ; w 6 12 n n n n n n f n g n n n n n h k         Tính toán cửa sóng ngoại suy với hình dạng và kích thước cửa sóng trong hệ tọa độ vuông góc. Trong trường hợp này sai số tuyệt đối giữa điểm dấu thực và điểm dấu ngoại suy xác định bằng: ns ns x x x y y y          (4) Giả sử x và y không tương quan, phân bố xác suất độ lệch điểm dấu thực và điểm ngoại suy (tâm cửa sóng) có dạng phân bố lệch chuẩn: 2 2 2 2 1 1 ( . ) exp 2 2x y x y x y f x y                  (5) Từ (5) suy ra đường đẳng xác suất độ lệch: Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, , “Giải pháp xử lý thứ cấp hệ điều hành thời gian thực.” 168 2 2 2 2 2 x y x y        (6) Từ (5) và (6) cửa sóng tối ưu phải có dạng hình elíp. Nhưng việc định cửa điểm dấu ngoại suy bằng cửa sóng elíp trong hệ tọa độ vuông góc trên máy tính rất phức tạp. Vì vậy, trên thực tế người ta chọn cửa sóng hình chữ nhật như hình 4: csy  csx ( , )ns nsx y csy  csx x Hình 4. Hình dạng cửa sóng bám sát trong tọa độ vuông góc. Từ hình 4 dễ dàng suy ra điều kiện giải tích để điểm dấu mới rơi vào cửa sóng là: 1 1 i N ns cs i N ns cs x x x y y y         (7) Ở đây 1 1, i i N Nx y  - tọa độ điểm dấu của mục tiêu i ở chu kỳ quan sát N+1. Còn kích thước cửa sóng ,cs csx y  chọn theo xác suất rơi điểm dấu thực vào cửa sóng. Để xác suất rơi điểm dấu thực vào cửa sóng bằng 0.999 thì cần chọn kích thước cửa sóng gấp 3 lần trung bình sai số của đài theo 2 trục tọa độ vuông góc như bên dưới [3]: 3 3 cs x cs y x y       Sơ đồ khối thuật toán khởi đầu quỹ đạo theo tiêu chuẩn 2/m nêu trên hình 5. Ở đây m là số chu kỳ quan sát để thực hiện khởi đầu quỹ đạo. Ta có thể áp dụng một trong những phương pháp của lý thuyết thống kê về giải bài toán phát hiện ứng với những hiểu biết tiên nghiệm phân bố thống kê quỹ đạo mục tiêu và điểm dấu lầm. Ở đây không xem xét các thuật toán tối ưu theo phương pháp thống kê xác suất, mà chỉ xét một thuật toán đơn giản hơn đó là thuật toán thử hàng loạt với tiêu chuẩn một mức ngưỡng, thuật toán phát hiện được mô tả bằng tiêu chuẩn l n . Ở đây : n số chu kỳ quan sát lấy để thực hiện khẳng định quỹ đạo. l số điểm dấu có liên hệ với nhau. Như vậy, nếu kể cả giai đoạn khởi đầu quỹ đạo thì tiêu chuẩn phát hiện quỹ đạo hợp nhất theo phương pháp thử hàng loạt có thể viết [3]: ( 2/m + l/n ) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 169 Kiểm tra điểm dấu rơi vào cửa sóng i<m-1 Hình 5. Sơ đồ khối khởi đầu quỹ đạo. Hình 6. Sơ đồ khối minh họa thuật toán xử lý thứ cấp thông tin ra đa. Trên hình 6 biểu diễn sơ đồ khối xử lý lọc và ngoại suy quỹ đạo mục tiêu được sử dụng trong chương trình. Ở đây R và lần lượt là cự ly và phương vị của điểm dấu cấp 2 tại đầu ra của khối xử lý tâm chùm. R và  lần lượt là các sai số đo Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, , “Giải pháp xử lý thứ cấp hệ điều hành thời gian thực.” 170 cự ly và phương vị tương ứng. Các sai số này được coi là không đổi trong quá trình đo đạc [1],[2]. Hình 7. Thông tin về mục tiêu và bảng điều khiển. Hình 8. Giao diện tổng quát. Việc triển khai thành công các thuật toán xử lý cấp 2 thông tin ra đa trên nền hệ điều hành thời gian thực QNX đã góp phần đáng kể trong việc tăng tốc độ xử lý trong việc xử lý, hiển thị thông tin ra đa cho các đài ra đa biển. Số lượng quỹ đạo mục tiêu bám bắt cùng lúc hơn 100 mục tiêu, cùng lúc thực hiện kiểm tra khởi tạo hơn 300 điểm dấu đơn, tốc độ mục tiêu bám trong dải rất rộng từ vài mét/s tới dưới Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 171 1000 mét/s, các mục tiêu có quỹ đạo cắt nhau có thể phân biệt tốt, chương trình có thể thực hiện các tính năng hiển thị chế độ giả video với tốc độ cao lên đến 20 vòng/phút, lưu tham số quỹ đạo và lưu dữ liệu trong các phiên làm việc khác nhau và tái hiện chúng lên màn hình hiển thị phục vụ cho việc kiểm tra đánh giá tình huống. Thực hiện tạo các quỹ đạo chéo nhau để đánh giá độ bám bắt quỹ đạo cho thấy khả năng phân biệt quỹ đạo rất tốt, các quỹ đạo không bám nhầm lẫn do có sử dụng các yếu tố gia tốc, hướng, vận tốc và các yếu tố tham số, đặc điểm khác biệt của các quỹ đạo mục tiêu. Hình 9. Hình thành điểm dấu, khởi tạo và bám bắt quỹ đạo. 5. KẾT LUẬN Như vậy, bài báo đã đưa ra kết quả triển khai thuật toán xử lý cấp 2 thông tin ra đa trên nền hệ điều hành thời gian thực QNX ứng dụng cho ra đa biển. Với việc sử dụng hệ điều hành này các hệ thống xử lý nói chung và phân khối xử lý thứ cấp thông tin ra đa sẽ ổn định và nâng cao toàn diện về tốc độ xử lý, tạo được độ trống trong khe thời gian phục cho các khâu xử lý tiếp theo. Xử lý cấp 2 thông tin ra đa trên nền hệ điều hành thời gian thực QNX đã cải thiện được đáng kể về tốc độ xử lý bám bắt các quỹ đạo mục tiêu, bởi vì có thể can thiệp và hệ thống nên hệ điều hành QNX có độ bảo mật rất cao rất thích hợp cho các hệ thống quân sự, có khả năng tự khoanh vùng lỗi hệ thống và ngắt các tiến trình lỗi nên rất thích hợp sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi độ ổn định cao. Tuy vậy hệ điều hành QNX cũng có những điểm hạn chế nhất định: hệ điều hành này là hệ điều hành có phí và giá thành cho mỗi máy là rất cao. Khi viết chương trình trên hệ điều hành này đòi hỏi lập trình viên phải hiểu nhiều về hệ thống, đặc biệt là cấu hình vi nhân hệ thống, lập trình tương tác Driver cho các ngoại vi như bàn phím, chuột, PCI, Ethernet, USB, nên khó khăn trong thời gian ban đầu tiếp cận. Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa N.Đ. Nghĩa, V.C. Thanh, , “Giải pháp xử lý thứ cấp hệ điều hành thời gian thực.” 172 Với những tính năng nổi bật trong việc giải quyết bài toán xử lý cấp 2 cho ra đa biển hệ điều hành thời gian thực QNX trong tương lai có thể sẽ được ứng dụng rất nhiều trong các đài ra đa nói chung và ra đa biển nói riêng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Бакулев П. А., Степин В. М. “Методы и устройства селекции движущихся целей”. М.: Радио и связь, 1986. 288 с., ил. [2]. Трухачев А. А. “Радиолокационные сигналы и их применения”. М.: Воениздат, 2005. 320с., ил. [3]. “Giáo trình tự động hóa xử lý thông tin ra đa” – HVKTQS – 2002. [4]. Сергиенко А. Б. “Цифровая обработка сигналов: учеб. Пособие”. 3- е изд. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 768с., ил. [5]. Кузьмин С. З. “Цифровая радиолокация. Введение в теорию”. – Киев: Издательство КВЦ, 2000. – 428 с.: ил. [6]. В. Я. Плекин. “Цифровые устройства селекции движущихся целей: Учебное пособие”. –М.: САЙНС-ПРЕСС, 2003. – 80с.: ил. ABSTRACT SOLUTIONS USING QNX REAL TIME OS FOR RADAR SIGNAL PROCESSING In the paper, the features of QNX real time operating systems compared with Linux in radar information processing special for sea radar is presented. This is the important feature to develop the software programs for the 2nd radar information processing, performing initial orbit, tracking target orbit. It is also expressed the results of deployment the 2nd radar information processing algorithms on QNX real time OS using for sea Radar. Keywords: Radar signal processing, 2nd processing, Real time OS, QNX OS. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: 1 Phòng XLTH, Viện Ra đa, Viện Khoa học-Công nghệ quân sự; 2 Học viện Phòng không – Không Quân. *Email : thanhvch@gmail.com