通用末端防御武器系統數據錄取評估設備設計與實現*

徐向毅，張宏亮

(駐航天科工集團210所軍事代表室，西安 710065)

0 引言

高技術武器的廣泛使用，使得戰爭由傳統二維平面的角逐向陸、海、空、天、電、網等多維領域的較量迅速蛻變。為應對敵方實施準確的偵查和強烈的電磁干擾后進行的多方位、多批次、高密度的飽和攻擊，末端防御武器系統應運而生。車載通用末端防御武器系統是專門用于近距離導彈防御的武器系統[1]，是地面防空反導體系的重要組成部分。

車載末端防御武器系統組成結構復雜、數據傳輸量大、實時性要求高、系統的調試和試驗難度大，為便于系統調試和測試，發生故障時的故障定位，武器系統威力與精度的評估，文中以車載末端防御武器系統的高炮車為例，設計實現了一種專用通訊數據錄取與評估設備。

1 錄取評估設備總體設計

車載末端防御武器系統的重要組成——高炮車主要由炮瞄雷達、光電跟蹤設備、火控設備、高速火炮、導航設備、通信設備等單機設備組成。各單機設備間通過以太網進行數據交換，使用雙絞線連入以太網交換機。通信協議采用UDP無連接的用戶數據報協議。

單機設備發送的以太網報文都通過交換機，若交換機采用具有端口鏡像功能的二層或三層交換機，同時錄取評估設備連接交換機，理論上錄取評估設備可以獲取到所有通過交換機的網絡報文。因此，通用末端武器防御系統錄取評估設備與武器系統中高炮車的連接示意圖如圖1所示。

1.1 主要功能

根據需求,末端防御武器系統錄取評估設備應具有以下主要功能：

1)系統中各單機設備發送報文的捕獲、實時解析、錄取存放，以及解析得到的數據、狀態、故障信息的顯示；

2)錄取報文的回放功能，支持報文自動回放和按幀回放；

3)十進制與十六進制查詢功能，支持數據范圍設置與超差標識；

4)報文導出功能，支持任意報文以文本文件格式導出；

5)搜索指揮車的模擬功能，向戰斗車發送目標指示等報文。

6)炮瞄雷達、光電跟蹤設備的威力評估，武器系統精度評估，以及評估結果的顯示與導出功能。

1.2 界面設計

為便于用戶的操作，末端防御武器系統錄取評估軟件運行于Windows平臺，開發工具采用Visual C++ 6.0，用戶界面基于對話框設計，并采用多線程設計，界面顯示刷新與數據處理分屬不同的線程，保證了用戶操作與界面顯示的互不影響。

因武器系統包含多個單機設備，每個單機設備發送多種網絡報文，每個網絡報文包含設備工作狀態、故障信息、運行數據等大量信息，為便于用戶的瀏覽及查看，軟件左側區域采用多標簽頁設計，首標簽頁以圖形及數據的方式顯示跟蹤目標信息及系統各個設備運行狀態，其中雷達態勢圖動態顯示目標進入過程，火炮三維模型實時顯示火炮運轉方式，其余每個標簽頁分別顯示各單機設備發送網絡報文及解析出的詳細信息(參見數據回放)；軟件右側區域顯示系統內各單機設備的網絡連接狀態、系統火力資源及故障狀態等。數據錄取界面如圖2所示。

為方便用戶對系統試驗過程的跟蹤和故障復現，錄取評估設備提供數據回放功能，數據回放除可按0.5倍、1倍和2倍速率回放，還提供單幀回放和數據幀跳轉功能，回放過程中用戶可通過設備標簽和報文標簽選擇相應報文進行查看，極大的方便了用戶對試驗過程的數據分析和故障定位。數據回放界面如圖3所示。

在數據查詢界面中，用戶可以選擇以十進制或十六進制的方式顯示系統網絡報文，支持跳轉至指定幀，以及瀏覽當前幀上一幀數據，下一幀數據。為方便用戶快速發現故障并定位，軟件支持用戶對指定數據設置正常數值范圍，對于超過正常范圍的數據，以紅色字體高亮顯示，從而方便用戶在大量數據中快速定位異常數據。數據查詢界面如圖4所示。

2 關鍵技術

2.1 數據包的捕獲與識別

在以太網中，幀(數據包)作為組成數據的基本單位來進行數據交換，它采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多址進行訪問，以CSMA/CD(載波監聽多點介入/碰撞檢測)的方式進行發送。由于CSMA/CD的特點，使得該網絡的用戶可以通過網卡的設置，獲得發往其他用戶地址的數據，并根據數據中的內容對網絡的狀態進行監控。數據包捕獲機制主要由最底層數據包捕獲機制、數據包過濾機制和針對用戶程序的最高層接口組成。如果用戶想得到需要的數據包，可以通過數據包捕獲機制提供的數據接口調用庫中的相關函數，根據預定義的過濾規則，數據包過濾機制對數據包進行檢索，把需要的數據包傳遞給應用程序。

Windows平臺下，數據包的捕獲可以通過調用NDIS(網絡驅動程序接口規范)庫函數來實現，使用此方法功能性強，但可能導致系統崩潰；也可以通過原始套接字(Raw Socket)實現，方法簡單但功能有限，只能捕獲高層的網絡數據包；也可以使用第三方開發的庫，例如WinPcap[2]。

末端防御武器系統的通信網絡是以交換機為連接節點的局域網。系統用于數據交換的信息經過應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層等層層封裝后，通過網卡傳輸出去，到達目的主機后每層協議再剝掉相應的首部，最后將應用層數據交給應用程序處理。以太網幀格式如圖5所示。

因武器系統通信局域網中充斥著ARP協議等廣播數據包，需對捕獲到的數據包設置過濾規則，剔除無用數據包，提高系統數據處理效率。根據對武器系統內各單機設備的通信設置及以太網幀格式的分析，按照以太網幀中類型字段為IP數據報(0x0800)，IP數據報中源IP地址與目的IP地址字段為系統內單機設備IP，IP數據報協議字段為UDP(0x17)，UDP段中源端口號與目的端口號為系統內單機設備設置的發送、接收端口，UDP段數據字段前8位為系統自定義通信報文的報頭符等限定條件設置過濾規則，過濾后得到的數據包即為武器系統通信報文。

武器系統通信自定義報文的報文信息標示字段由發方設備與收方設備唯一的8位設備標示組成，且每個單機設備發送至其他單機設備的UDP報文的報文長度各不相同，因此過濾后的UDP數據包根據報文信息標示與報文長度可以確定何種設備發送的何種報文，即完成了報文的識別。然后調用相應的報文解析函數，解析得到傳輸報文中包含的數據、設備狀態等信息，在錄取評估設備界面上顯示。

2.2 數據包的存放

系統中各單機設備通訊速率不同，一個周期內各單機發送的報文數目不同，有的單機還以不同的速率向多個相關單機發送不同類型報文，如果按照即發即存的處理機制會造成數據混亂。由于網絡協議中要求各單機報文中都要包括系統時標，因而可以利用系統時標進行報文分組。

現定義某單機(如火控設備)相鄰報文時間段之內的所有單機報文為一幀記錄，由于每幀記錄中包含多條各單機報文，為方便查詢和維護，文件開始位置定義了數據幀總數、文件保存時間等信息。為縮短響應時間，錄取的數據包文件采用雙向鏈表的數據結構進行存放，通過前一幀偏移地址、后一幀偏移地址，以及當前幀長度可以快速定位到指定幀的起始位置，雙向鏈表結構可大大減少遍歷整個數據包文件的時間復雜度。文件存儲格式見圖6。

2.3 數據分析和精度統計

數據錄取評估設備除實現數據錄取功能外，還可完成系統網絡通信狀態統計和設備精度評估，網絡通信狀態統計各個設備網絡報文丟包率，根據數據報文中的時標數據，完成數據發送延時的數據統計，為系統分析提供輔助手段。

每次試驗后，軟件可以利用保存的報文數據和試驗基地提供的目標真值數據進行數據分析和精度統計。目標真實位置由靶機或靶彈掛載的GPS記錄儀提供，其數據為GPS格式的經緯度數據，計算時需將其數據轉換為以地面載車為中心的坐標空間下[3]，以目標真實位置為基準，按照距離、方位和高低數據進行分段，分別統計各數據段的測量精度，再將本航次及多航次的精度數據進行綜合，得出系統的精度數據。

精度統計流程圖如圖7所示。

2.3.1 目標真實位置預處理

由于GPS記錄儀數據頻率與各分系統的數據記錄頻率不一致，造成真值數據與測量數據無法對齊，一般而言GPS記錄儀數據頻率較慢，一個記錄周期內各分系統有多個記錄數據，因而需要對GPS記錄數據進行線性插值，或采用最小二乘法等數學方法，將目標真實位置插值成與測量數據相同時間間隔的位置數據，便于進行數據計算和分析[4]。

2.3.2 跟蹤精度統計

本系統中需要統計系統的距離、方位和高低誤差[5]。根據精度統計要求，首先需要對數據進行預處理，采用3σ準則將異常值剔掉，然后計算系統精度均值，標準差和均方根值。設Δijk為同一航次中第k次進入第j航段的第i個誤差，則此航段的系統誤差為：

(1)

則同一航次進入相同航段的系統誤差的平均值和離散值計算公式為：

(2)

(3)

同一航次進入相同航段的總系統誤差計算公式為：

(4)

由式(1)～式(4)可以計算得到系統某一航段的總誤差數據，軟件在計算出所有航段的精度數據后，在界面統一顯示，為系統分析和優化提供數據支持。

2.3.3 火控解算精度統計

對火控系統的解算精度進行分析，需要在獲得目標真實位置的基礎上，根據試驗氣象條件，進行偏流解算，利用武器系統的彈道方程計算理論射擊諸元[6]。如圖8所示，橫軸為目標運動時間，縱軸為斜距離。D(t)為目標斜距離曲線。設當前時刻為ti(A點)，由于目標的當前位置可看做彈丸飛行時間τi時刻前即(ti-τi)時目標(C點)的未來點，因而對當前時刻位置進行解算可看作是對(ti-τi)時刻目標未來點的解算，得到的射擊諸元即可以看做在(ti-τi)時刻進行射擊，經過彈丸飛行時間τi，命中ti時刻目標位置的理論諸元。B點為A點平移τi時刻所對應的曲線Dy(t)中對應點。

由于彈丸飛行時間由彈道方程和氣象條件解算[7]，因而該時時間為非線性分布，D(t)與Dy(t)非線性平移，求解理想諸元時還需要進行插值才能與火控的周期數據對齊。

解算精度的求解過程如圖9所示。

3 結束語

在設備設計整體上采用層次化、模塊化的設計思想，將整個系統劃分為幾個不同的子模塊，這種設計有利于軟件的后期維護和擴展；多線程的設計使得用戶的操作和界面顯示不會影響到數據包的識別、抓取以及存放等，保證了用戶的可操作性和數據錄取的實時性需求；雙向鏈表的數據結構存放錄取到的數據包，以及自定義的幀結構使得數據包清晰有序，便于回放、查詢；操作人員可根據報文分析功能進行系統故障的快速定位及故障原因的排查；軟件界面設計使得用戶操作方便快捷；跟蹤精度和火控解算精度統計功能為武器系統功能提供驗證手段，該設備在系統聯調試驗中取得了很好的應用效果，可大幅提高武器系統科研生產效率。