某型任務(wù)實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

于古勝 朱 丹 卞光浪

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

“實(shí)時(shí)”是指對隨機(jī)發(fā)生的各種外部事件能夠做出及時(shí)的響應(yīng)和迅速的處理［1］。實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)是一個(gè)具有多進(jìn)程多線程體系結(jié)構(gòu)、信息流量大、接口關(guān)系復(fù)雜、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)［2］。它是靶場測控系統(tǒng)的核心，在飛行器試驗(yàn)任務(wù)中承擔(dān)測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、航區(qū)安全控制、試驗(yàn)指揮顯示、測量裝備數(shù)字引導(dǎo)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和基地間信息交換等重大使命［3］。某型飛行器具有射程遠(yuǎn)、機(jī)動能力強(qiáng)、可多發(fā)連射的特點(diǎn)，為完成該型試驗(yàn)任務(wù)，迫切需要研制具有跨區(qū)多目標(biāo)測控能力的高可靠性實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求［4］

針對試驗(yàn)任務(wù)需求，以設(shè)計(jì)功能完備、性能可靠的實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)為目標(biāo)，總的設(shè)計(jì)要求是，研制的實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)推廣應(yīng)用性強(qiáng)，既滿足當(dāng)前試驗(yàn)任務(wù)需求，也能夠用于未來新型飛行器試驗(yàn)任務(wù)。主要功能具有通用性，結(jié)構(gòu)松散，功能獨(dú)立，功能模塊之間高內(nèi)聚、低耦合。通用數(shù)據(jù)類型和對象統(tǒng)一設(shè)計(jì)，便于共享。軟件界面友好，操作直觀便捷。

1）符合軟件工程及有關(guān)國軍標(biāo)要求，并采用成熟先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)；

2）滿足不同航路的試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、航區(qū)安全控制、試驗(yàn)指揮顯示等功能需求；

3）強(qiáng)化分布式處理技術(shù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、安全故判任務(wù)分別由監(jiān)管工作站軟件配置項(xiàng)和安控臺軟件配置項(xiàng)承擔(dān)；

4）設(shè)計(jì)成雙工雙網(wǎng)實(shí)時(shí)多目標(biāo)測控軟件系統(tǒng)，具有自檢、故障檢測診斷和異常處理功能；

5）貫徹實(shí)時(shí)性原則，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)有30%的機(jī)時(shí)余量；

6）強(qiáng)調(diào)友好的人機(jī)界面、明確的操作定義、清楚和精確的信息顯示、操作簡單可靠、自動化程度高；

7）程序設(shè)計(jì)文檔應(yīng)規(guī)范、齊全，便于閱讀、修改、追蹤，能進(jìn)行改正性維護(hù)、適應(yīng)性維護(hù)、完善性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)；

8）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列各項(xiàng)質(zhì)量要求：實(shí)時(shí)性要求、可靠性要求、性能與效率要求、易用性要求、維護(hù)性要求、可移植性要求、安全要求，測試要求、文檔要求和管理要求。

2.2 系統(tǒng)硬件平臺

系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺是指控及顯示系統(tǒng)，由中心機(jī)、安控和指揮顯示硬件組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［5］

某型任務(wù)實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)按照測控總體技術(shù)要求和功能需求設(shè)計(jì)為五個(gè)軟件分系統(tǒng)。即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)、試驗(yàn)指揮顯示軟件分系統(tǒng)、安控軟件分系統(tǒng)、仿真軟件分系統(tǒng)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)［6］

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)是測控軟件的核心部分，主要作用是實(shí)時(shí)完成遙測軌跡和外測軌跡的數(shù)據(jù)處理、測控裝備的數(shù)字引導(dǎo)、試驗(yàn)指揮顯示數(shù)據(jù)加工、場際間信息交換等任務(wù)。同時(shí)承擔(dān)校飛、合練、測量數(shù)據(jù)模擬和過程重演等任務(wù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)包括3個(gè)軟件配置項(xiàng)：中心機(jī)軟件、顯示工作站軟件、監(jiān)管工作站軟件。

1）中心機(jī)軟件主要功能：完成外測數(shù)據(jù)加工和軌跡計(jì)算；完成遙測數(shù)據(jù)處理和軌跡計(jì)算；實(shí)時(shí)提供數(shù)字引導(dǎo)，引導(dǎo)測量裝備捕獲跟蹤目標(biāo)；計(jì)算加工和組織試驗(yàn)指揮顯示系統(tǒng)所需要的各種信息；能夠按規(guī)定的格式提供場際通信信息；能夠模擬測控信息輔助調(diào)試并能事后重演實(shí)時(shí)過程。

2）顯示工作站軟件主要功能；以多畫面形式提供飛行器飛行軌跡，及測控裝備和網(wǎng)絡(luò)各主機(jī)工作狀態(tài)，供指揮及技術(shù)人員監(jiān)視和分析數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3）監(jiān)管工作站軟件：根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的測量數(shù)據(jù)，分析每臺測控裝備工作段落和數(shù)據(jù)質(zhì)量，給出每臺裝備跟蹤時(shí)間段落，根據(jù)不同用戶的需求，快速給出遙、外測軌跡處理結(jié)果。

進(jìn)入中心計(jì)算機(jī)的多路外測信息，經(jīng)中心計(jì)算機(jī)擇優(yōu)選擇后，計(jì)算軌跡，為裝備引導(dǎo)提供實(shí)時(shí)信息。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)具備測控裝備數(shù)據(jù)輸入輸出處理、系統(tǒng)誤差修正、坐標(biāo)變換、交匯定位、平滑微分、參數(shù)推算、精度估計(jì)和結(jié)果報(bào)告輸出打印等功能。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)接口和信息交換關(guān)系見圖3所示：

3.2 安控軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安控軟件分系統(tǒng)主要作用是為安控指揮人員提供被測目標(biāo)飛行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，當(dāng)被測目標(biāo)在飛行中發(fā)生故障時(shí)可對其采取安全控制措施，保證試驗(yàn)航區(qū)的安全。安控軟件分系統(tǒng)包括3個(gè)軟件配置項(xiàng)：安控臺軟件、安控顯示工作站軟件、安控投影工作站軟件。

1）安控臺軟件功能：能夠?qū)崟r(shí)處理兩個(gè)飛行目標(biāo)的安控信息。根據(jù)外測和遙測信息，給出任何一個(gè)目標(biāo)飛行軌跡超過自身的安全管道和超必炸線信息，并能夠以聲、光發(fā)出報(bào)警信息；具備向遙控站發(fā)送和接收遙控指令功能。

2）安控顯示工作站軟件功能：接收主干網(wǎng)中心機(jī)外測遙測處理結(jié)果，以圖表方式為安控指揮員提供監(jiān)視顯示信息。

3）安控投影工作站軟件功能：接收主干網(wǎng)中心機(jī)外測遙測處理結(jié)果，以數(shù)字地圖為背景在安控投影屏幕上顯示，供安控指揮員監(jiān)視目標(biāo)飛行狀況。

3.3 試驗(yàn)指揮顯示軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)［7］

試驗(yàn)指揮顯示軟件分系統(tǒng)主要完成遙測和外測軌跡參數(shù)、遙測遙控指令及飛行器飛行情況的顯示，為試驗(yàn)指揮人員提供試驗(yàn)信息的顯示。試驗(yàn)指揮顯示軟件分系統(tǒng)包括6個(gè)軟件配置項(xiàng)：指顯服務(wù)器軟件、指顯工作站軟件、指顯投影工作站軟件、LED顯示軟件、指顯監(jiān)管工作站軟件、試驗(yàn)方案多媒體演示軟件。

1）指顯服務(wù)器軟件功能：按照一定的頻率從主干網(wǎng)上接收中心機(jī)發(fā)送的指揮顯示數(shù)據(jù)，分類組成顯示工作站信息包，通過指顯網(wǎng)發(fā)送給顯示工作站。

2）指顯工作站軟件功能：接收指揮顯示網(wǎng)上顯示服務(wù)器發(fā)來的標(biāo)準(zhǔn)顯示信息包，分類以多畫面可選方式顯示外測、遙測處理結(jié)果數(shù)據(jù)和測控設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3）指顯投影工作站軟件功能：從指顯網(wǎng)上接收顯示服務(wù)器提供給大屏幕顯示的數(shù)據(jù)，接收大屏幕顯示的實(shí)況信息，提供大屏幕顯示信息源。

4）LED顯示軟件功能：能夠接收顯示服務(wù)器提供的和終端輸入的LED屏顯示信息，主要包括時(shí)間和氣象信息。

5）指顯監(jiān)管工作站軟件功能：主要功能是管理指揮顯示網(wǎng)，對指揮顯示網(wǎng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和配置管理。

6）試驗(yàn)方案多媒體演示軟件功能：通過WEB服務(wù)的方式向指顯工作站發(fā)布試驗(yàn)方案信息。

3.4 仿真軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)［8］

仿真軟件分系統(tǒng)主要作用是仿真參試測控設(shè)備數(shù)據(jù)和各種航跡信息，用于軟件系統(tǒng)調(diào)試。

仿真軟件分系統(tǒng)包括兩個(gè)軟件配置項(xiàng)：軌跡數(shù)據(jù)仿真軟件和測量信息仿真軟件。

1）軌跡數(shù)據(jù)仿真軟件功能：理論軌跡數(shù)據(jù)仿真功能、故障軌跡數(shù)據(jù)仿真功能和數(shù)據(jù)發(fā)送功能，用于調(diào)試和檢測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)和安控軟件分系統(tǒng)。

2）測量信息仿真軟件功能：測量信息仿真功能、發(fā)送仿真信息功能、顯示仿真信息功能、保存仿真信息功能、人機(jī)交互功能、系統(tǒng)初始化功能和結(jié)束處理功能。

3.5 準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)主要用于試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的測量數(shù)據(jù)，分析每臺設(shè)備工作段落和數(shù)據(jù)質(zhì)量，給出每臺設(shè)備跟蹤時(shí)間段落，根據(jù)不同用戶的需求，快速給出遙、外測軌跡處理結(jié)果，為首長和專家試驗(yàn)后迅速進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果評估和進(jìn)行輔助決策提供依據(jù)。準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件分系統(tǒng)包括兩個(gè)軟件配置項(xiàng)：測量數(shù)據(jù)分析軟件、軌跡數(shù)據(jù)處理軟件。

1）測量數(shù)據(jù)分析軟件功能：具備對所有參試的測控裝備獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的功能。

2）軌跡數(shù)據(jù)處理軟件功能：主要完成實(shí)時(shí)軌跡數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的采集，形成數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、軌跡計(jì)算、精度分析和繪制曲線，并形成結(jié)果報(bào)告。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采用基于網(wǎng)絡(luò)分布處理技術(shù)，有效整合測控資源，首次實(shí)現(xiàn)了飛行器大射程、超低空飛行的全程測控

針對試驗(yàn)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)功能完備的實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的五個(gè)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件運(yùn)行平臺各不相同，功能由分布在不同地域指控中心的中心機(jī)、安全控制和指揮顯示分系統(tǒng)分工協(xié)作完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、航區(qū)安全控制和試驗(yàn)指揮顯示等任務(wù)。如何利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同平臺的信息交換和數(shù)據(jù)共享是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)問題。根據(jù)各分系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用Unix、MS-VC++、Linux和Mapinfo Pro多平臺編程技術(shù)，在中心計(jì)算機(jī)Tru64_Unix平臺支持下，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件；在MontaVista linux平臺上研制了通信控制軟件；在Mapinfo Pro平臺上完成了監(jiān)測專用數(shù)字地圖的制作和地圖應(yīng)用接口軟件的設(shè)計(jì)；在顯示工作站MS-VC++平臺上研制了指揮顯示軟件；在Matlab平臺開發(fā)準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件。在考慮系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)各分系統(tǒng)間的接口關(guān)系和信息交換協(xié)議，采用分布式結(jié)構(gòu)、對象連接和嵌入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)SOCKET編程技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中不同平臺之間信息交換和數(shù)據(jù)共享，有效整合測控資源，實(shí)現(xiàn)了大射程、超低空飛行的飛行器的全程測控［9］。

4.2 采用測控信息分區(qū)優(yōu)選處理，基于網(wǎng)絡(luò)的多進(jìn)程、多線程和冗余處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)飛行器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)字引導(dǎo)

設(shè)計(jì)性能可靠、具備雙目標(biāo)實(shí)時(shí)處理能力的軟件系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。系統(tǒng)采用測量設(shè)備分型號接力跟蹤，分布等待、冗余處理的多起飛零點(diǎn)識別處理方法，測控信息分區(qū)優(yōu)選處理和基于網(wǎng)絡(luò)的多進(jìn)程、多線程編程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)潛射飛行器飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)字引導(dǎo)［10］。系統(tǒng)利用UNIX操作系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)時(shí)搶占功能和提供的實(shí)時(shí)編程接口（POSIX 1003.1b）確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)各線程采用共享內(nèi)存區(qū)的方式進(jìn)行通信。為了確保數(shù)據(jù)的一致性、避免死鎖，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用對線程間握手加讀寫鎖方法，一個(gè)模塊在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先占有鎖，不允許其它模塊對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，直到該模塊數(shù)據(jù)讀寫完畢，釋放鎖為止。通過控制讀寫鎖，實(shí)現(xiàn)各部件讀寫同步，避免破壞對象中的狀態(tài)信息，從而有效地保證了多目標(biāo)測控?cái)?shù)據(jù)的完整性。

4.3 合理設(shè)計(jì)復(fù)雜航路下的航區(qū)安控策略，首次實(shí)現(xiàn)了不同地域指控中心對同一目標(biāo)進(jìn)行交錯(cuò)、接力安控

研究復(fù)雜航路下的航區(qū)安控策略，設(shè)計(jì)高可靠性的安全控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵。針對飛行器大射程、超低空飛行、試驗(yàn)航區(qū)保護(hù)目標(biāo)多的特點(diǎn)，單一指控中心很難完成多目標(biāo)飛行試驗(yàn)全程的安全控制任務(wù)。必須由兩個(gè)以上指控中心共同完成安全控制任務(wù)。設(shè)計(jì)復(fù)雜航路下的安全控制策略是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。在系統(tǒng)的安全控制策略設(shè)計(jì)中，根據(jù)兩個(gè)指控中心任務(wù)分工不同，使兩地安控臺擔(dān)任不同的安控角色，將安控臺的工作模式分為主、副兩種模式，共同完成雙目標(biāo)飛行試驗(yàn)航區(qū)安全控制任務(wù)。當(dāng)以甲指控中心為主實(shí)施安控任務(wù)時(shí)，甲安控臺設(shè)為主模式。當(dāng)以乙指控中心為主實(shí)施安控任務(wù)時(shí)，甲安控臺應(yīng)設(shè)為副模式。當(dāng)兩地指控中心劃分區(qū)域各自獨(dú)立實(shí)施安控任務(wù)時(shí)，甲安控臺設(shè)為主模式。通過采用不同地域指控中心對同一目標(biāo)進(jìn)行交錯(cuò)、接力的安全控制方法，滿足了飛行器飛行試驗(yàn)可靠性需求。另外，采用兩路異步通信和IP網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)作為安控信息源，設(shè)計(jì)末制導(dǎo)雷達(dá)捕獲目標(biāo)后實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，增加了真假目標(biāo)識別功能，提高了航區(qū)安全控制的可靠性。

4.4 采用指揮顯示信息轉(zhuǎn)發(fā)控制和融合顯示技術(shù)，為試驗(yàn)指揮決策提供可靠支持［11］

設(shè)計(jì)直觀、高效的指揮顯示系統(tǒng)，為試驗(yàn)指揮決策提供支持是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)采用雙工雙網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了有效規(guī)避外部通信網(wǎng)對指揮顯示網(wǎng)的影響，系統(tǒng)采用指揮顯示信息轉(zhuǎn)發(fā)控制技術(shù)，通過設(shè)置前置服務(wù)器方法，利用信息轉(zhuǎn)發(fā)控制軟件對指揮顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)指顯網(wǎng)和外部網(wǎng)的邏輯隔離，有效避免了外部通信網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對指顯網(wǎng)的沖擊。警戒雷達(dá)通常用于執(zhí)行海上警戒任務(wù)，用來監(jiān)視試驗(yàn)航區(qū)內(nèi)艦船活動情況，分布在某海域沿岸。系統(tǒng)采用拼接融合技術(shù)，將某海域的警戒雷達(dá)測量信息通過串行接口實(shí)時(shí)傳輸給試驗(yàn)指揮顯示分系統(tǒng)融合顯示［12～13］，為試驗(yàn)指揮人員提供直觀、有效的試驗(yàn)航區(qū)狀況，使指揮決策更具實(shí)效性和科學(xué)性。

5 結(jié)語

針對某型飛行器大射程、跨區(qū)測控的試驗(yàn)需求，研制了功能完備、性能可靠的實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了某海域試驗(yàn)聯(lián)合測控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)指揮顯示和航區(qū)安全控制，拓展了海上靶場綜合試驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ撓到y(tǒng)是測控系統(tǒng)的核心和連接某海域測控裝備共同完成某型飛行試驗(yàn)全航區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和安全控制的紐帶，為完成某型試驗(yàn)任務(wù)和某海域一體化測控能力的形成做出了突出貢獻(xiàn)。