機載雷達仿真系統總控軟件的設計與實現

(航空工業雷華電子技術研究所 航空電子系統射頻綜合仿真航空科技重點實驗室，江蘇 無錫 214063)

隨著作戰環境的日益復雜，越來越多的電子干擾設備投入使用，使機載雷達往往工作在很強的電磁干擾環境下。復雜多變的空戰環境要求機載雷達在強地/海雜波、強電磁干擾環境下對多個高速、高機動目標同時探測和跟蹤，因此要求我們不斷探索新技術和新算法。但機載雷達的新功能、新技術需要經過大量且多樣的功能試驗和驗證才能通過設計定型。如果絕大部分功能均由試飛驗證，需要耗費大量時間、人力資源及經費。通過半實物仿真方法模擬試飛場景，能夠完成機載雷達大部分功能試驗，既驗證雷達系統功能，又控制研發進度和成本[1-2]。

美國、西歐、日本等早在上世紀70年代起就陸續建立了針對機載雷達、導引頭的半實物仿真系統。國內在該方面起步較晚，從上世紀90年代起航空工業601所等科研單位以及航空院校陸續建立了小型且針對性較強的半實物仿真系統。國內完整且系統性地針對機載雷達構建的大型射頻仿真試驗系統屈指可數。為了模擬機載雷達高逼真試驗場景，本項目開展了機載雷達射頻仿真試驗技術研究，構建了由屏蔽暗室、陣列控制與鏈路饋電系統、三軸轉臺、載機/目標環境模擬系統、目標和環境仿真系統、視景顯示系統、總控系統等設備組成的機載雷達半實物射頻仿真試驗系統，能夠模擬多目標環境、復雜電磁環境、復雜作戰環境，具備機載雷達系統性能的開/閉環測試和評估能力，滿足機載雷達射頻仿真試驗需求。

總控軟件是機載雷達半實物射頻仿真系統的顯示控制核心，它通過以太網、反射內存網等方式與各參試設備相連，具備對整個仿真系統和試驗過程進行參數配置、試驗進程管理和監控等功能。一般試驗總控軟件是根據參試設備的數據協議開發解析模塊，未嚴格劃分軟件功能模塊和數據交互接口，當試驗參試設備發生變化或數據交互協議發生更改時，相應的軟件功能模塊將無法重復使用，往往需要針對新的數據交互協議、接口重新開發。

為了提高軟件的復用性，本文提出一種基于模塊化架構和可變更數據協議的軟件設計方法。該方法基于層次化和模塊化的架構自頂向下分層級設計開發軟件功能模塊，并基于可變更的XML數據協議配置文件實現軟件數據接口的配置。該方法將數據交互協議與軟件功能模塊隔離，當試驗參試設備發生變化或數據交互協議發生更改時，無需重新開發軟件功能模塊，縮短軟件開發周期，便于軟件移植和升級。

1 總體架構設計

1.1 架構設計

總控軟件支持仿真試驗的參數設置、試驗進程控制、狀態監控，具備與參試設備數據傳輸通信的功能。仿真開始之前，總控軟件對各參試設備進行初始化配置；仿真開始后，總控軟件控制整個系統的運行，包括開始、暫停、停止，并接收各參試設備的狀態回報和部分試驗數據，完成試驗過程監控和可視化顯示。同時，通過總控軟件可以遠程登錄參試設備進行參數加載、文件傳輸等操作。

總控軟件自頂向下設計為三層架構：應用服務層、基礎功能層、數據接口層，如圖1所示。應用服務層，主要是人機交互界面；基礎功能層，分為業務邏輯層和數據訪問層兩部分，能夠對仿真試驗回路中的各設備發送控制指令和參數，同時接收各設備返回的狀態字和試驗數據；數據接口層，實現總控軟件與參試設備的底層通信，主要包括以太網通信模塊、反射內存網通信模塊。

圖1 總體架構

1.2 可重用性設計

本軟件采用兩種方法提高了總控軟件的復用性：

① 通過架構設計將各層級間的功能模塊相互獨立，即將軟件中與參試設備和數據交互協議無關的功能模塊化，提高軟件模塊的重用性；

② 針對依賴數據交互協議較大的數據收發、數據解析等功能，提出一種基于配置文件的接口協議配置方法，將數據交互協議與軟件功能模塊隔離，方便軟件功能模塊移植復用。

2 軟件功能開發

2.1 數據接口層

設計的總控軟件通過以太網、反射內存網與參試設備相連，采用面向對象的方式分別實現通信功能。

(1) 以太網通信模塊。

以太網通信模塊主要用于各參試設備之間數據文件傳輸以及互聯設備遠程登錄。

本仿真系統選用Intel 82573系列網卡作為以太網絡節點板卡，采用基于Socket的網絡通信方式實現總控系統與其他參試設備之間的通信。具體方法為通過創建Socket，實現Socket與本地IP地址以及指定端口號的綁定，以此協調和控制各個節點機之間的UPD通信，實現數據的發送、接收[3-4]。

(2) 反射內存網模塊。

反射內存網是一種專用的高速實時網絡，主要由反射內存卡和光纖連接組成，每個網絡節點的內存區域中的數據在整個網絡中處于共享狀態[5]。

本仿真系統基于VMIPCI-5565反射內存卡搭建反射內存網絡，采用HUB的星形連接方式實現了各參試設備之間的試驗數據、試驗控制命令與試驗狀態字的傳輸(見圖2)。具體方法為定義每個參與設備的反射內存卡的Node ID值(區分參與設備的身份)；分配反射內存網的存儲空間，明確每個設備存儲空間的首地址和數據長度；再定義每個參數的地址和長度。參試設備之間的數據交互是通過發生中斷事件來實現的，具體而言是調用RFM2gWrite、RFM2gEnableEvent、RFM2gSendEvent等函數來實現交互[6]。

圖2 機載雷達仿真系統抽象通信模型

2.2 數據訪問層

數據訪問層中的接口協議配置模塊具有非常重要的功能，承載著業務邏輯層與數據接口層之間的數據交互和解析功能。主要是根據數據交互協議完成軟件接口的配置，實現與數據接口層之間的對接；實現與業務邏輯層之間的試驗控制命令、參試設備狀態字和試驗數據的發送/接收等功能。

(1) 接口配置。

通過配置文件對通信接口進行配置，配置文件是按照xml文件的形式實現并規范[7]，如圖3所示。對于總控軟件與不同參試設備的數據接口，可以按照協議修改配置文件，將需要傳輸的數據按照約定的數據協議進行定義和修改，實現了接口協議的可變更。

圖3 數據接口配置文件

(2) 數據的打解包。

總控軟件在數據收發過程中，是按照正在使用的通信板卡的數據協議進行數據的打解包，不同的通信板卡有不同的打包和解包算法。例如傳輸的試驗數據、試驗控制命令等，就要按照約定的反射內存網數據協議進行打包和解包。

在打包和解析過程中，需要檢查報文的合法性，幀頭不正確的報文會被認為解包失敗。同時，為避免數據傳輸中的精度損失，需要進行一定的數據類型變換和比例縮放。例如在打包發送時，需要將浮點型轉換為無符號整型，在解包時進行反變換；如果傳輸的數據數值較大，需要按照一定的比例進行變換，如目標距離、載機經緯度等數據，需要進行比例縮放確保精度。

接口協議配置將數據交互接口與業務邏輯層中的軟件功能模塊完全隔離，避免因為數據接口或協議更改導致代碼重新編寫的問題，提髙代碼的重用性。

2.3 業務邏輯層

業務邏輯層向下借助數據訪問層進行數據讀寫，向上為應用服務層提供服務，完成邏輯定義和邏輯執行。業務邏輯層主要由參數配置模塊、試驗進程控制模塊、狀態監控模塊組成，以下對每個模塊的功能進行具體介紹。

2.3.1 參數配置模塊

參數配置模塊主要包括界面參數獲取、參數有效性檢查兩項功能。

(1) 界面參數獲取。

試驗中在總控軟件界面上設置試驗任務參數、雷達參數、通道參數、參試設備參數，通過從界面上獲取參數實現總控軟件對整個試驗的設置。

(2) 參數有效性檢查。

總控軟件從界面上獲取參數后，需要通過參數有效性檢查功能驗證所設置的參數，以及從全局角度驗證設置參數的合理性。在參數設置合理的情況下進行系統參數配置，如果參數不合理，向用戶發出告警。

2.3.2 試驗進程控制模塊

機載雷達射頻仿真試驗的試驗流程包括試驗準備階段、試驗執行階段，如圖4所示。

圖4 試驗流程圖

(1) 試驗準備階段。

總控軟件通過掃描設備、任務分配、設備初始化等步驟，可以根據不同的試驗任務選擇參加本次試驗的設備進行初始化配置。

(2) 試驗執行階段。

試驗準備階段完成后進入試驗執行階段，即開始試驗進程控制，根據功能可分為自檢進程控制和仿真進程控制。只有在自檢進程成功后，才能開始仿真進程。

① 自檢進程控制。

在自檢狀態下，由總控軟件發出自檢指令，所有參試設備在接收到指令后進行自檢，并返回自檢結果。總控軟件在自檢進程中只發送自檢開始控制字，并設定一定的時限，參試設備超時未返回自檢信息，則認為自檢失敗。

② 仿真進程控制模塊。

仿真進程主要控制仿真模式下的雷達仿真試驗。通過總控軟件設置仿真試驗模式和仿真參數，各參試設備根據仿真模式決定是否參與試驗和接收參數。總控軟件控制整個仿真系統的仿真進程，包括參數下載、開始仿真、暫停仿真、繼續仿真、停止仿真和急停斷電。仿真進程控制的工作流程如圖5所示。

圖5 仿真進程控制流程圖

2.3.3 狀態監控模塊

狀態監控模塊主要是刷新參試設備狀態并反饋至總控軟件界面顯示，主要包括狀態刷新、圖表刷新兩個功能，刷新頻率為50 ms/次。

(1) 狀態刷新模塊。

狀態刷新模塊主要是通過以太網對仿真系統中各參試設備的狀態進行實時刷新顯示在軟件界面上，并能夠以不同的顏色對不同的狀態進行區分。狀態轉換圖如圖6所示。

圖6 參試設備四種狀態轉換圖

試驗開始前各個設備處于Offline狀態(參試設備離線)，當掃描設備時，掃描成功的設備狀態轉為Normal(設備連接正常)，掃描失敗的設備狀態認為Error(設備連接斷開)。在正常狀態下，當任務分配成功后設備狀態轉為Enable(可以對設備進行遠程登錄操作)，任務分配失敗設備狀態仍為Normal，在Normal和Enable下如果網絡連接斷開直接轉為Error，在Error情況下掃描設備成功只能轉為Normal。

(2) 圖表刷新模塊。

在試驗過程中，圖表刷新模塊會對參試設備的狀態數據通過圖表的形式實時更新顯示在軟件界面上。

2.4 應用服務層

應用服務層主要是人機交互界面(見圖7)，按照功能的不同，該界面可以進一步分為菜單欄、工具欄、狀態顯示區、參數設置區、狀態顯示區等幾個部分。

圖7 人機交互界面

通過軟件界面可根據不同的試驗任務進行自檢、掃描設備、任務分配、參數設置、初始化等試驗準備工作，以及進行開始試驗、停止試驗、斷電急停等試驗進程控制；軟件通過接收業務邏輯層發送的數據并實時刷新軟件界面，將參試設備狀態、試驗進程在界面上進行圖表顯示。

3 軟件應用

目前，本軟件已經用于某項目的仿真試驗中。在該仿真系統中，總控計算機通過反射內存網、以太網與轉臺、載機/目標環境模擬系統、視景系統、陣列、各類模擬器通信，系統硬件結構見圖8。圖9是某型機載雷達天線校準試驗的試驗界面。

圖8 系統硬件結構

圖9 某型機載雷達天線校準試驗界面

4 結束語

本文基于層次化、模塊化的軟件架構，以及可變更的接口協議設計開發了機載雷達半實物射頻仿真試驗系統的總控軟件，解決了傳統總控軟件不具備復用性的問題，并提高了軟件的可擴展性和可維護性。本文設計開發的總控軟件具備試驗參數配置、試驗進程控制、試驗狀態監控等功能，實現了通過軟件選擇參試設備、設置試驗參數的方式對試驗模式進行動態配置，擴展了仿真試驗系統的功能。目前該軟件已用于機載雷達半實物射頻仿真試驗，取得了較好的使用效果。但該軟件還有一些可改進之處，后續還會根據需求發展變化擴展出許多不同的模塊功能，進一步提高軟件的實用性。