某型艦載雷達氣象通道檢測系統(tǒng)設(shè)計

張 波，陳巖申，張 堅，王新洲

(海軍青島雷達聲納修理廠，山東 青島 266100)

0 引言

某型艦用雷達是某型艦的主戰(zhàn)裝備，該型雷達除了完成對空對海搜索警戒、目標指示、多目標跟蹤等任務(wù)外，還針對需求，新增了氣象通道部分，兼顧氣象探測，并可以在綜合顯控臺設(shè)置氣象探測方式完成氣象探測功能。艦載雷達作為氣象信息獲取的新型裝備，因其作用距離遠、探測精度高、信息元素多而逐漸成為艦船氣象探測的主要裝備[1-2]。

氣象探測功能作為該型雷達的主要功能之一，在裝備使用過程中，常常要連續(xù)十幾個小時開機錄取氣象數(shù)據(jù)；同時，對于制導(dǎo)武器，云、雨、霧和風(fēng)等都會對制導(dǎo)精度產(chǎn)生影響，從而影響武器系統(tǒng)的打擊精度[3]，這些都對氣象通道的可靠性、維修性和測試性提出了較高的要求。目前，裝備保障部門以及裝備承制單位沒有專用的檢測系統(tǒng)，維修人員大多憑借經(jīng)驗通過更換備件的手段對該雷達氣象通道故障進行修理，在日常維護或定期檢修時無法對氣象通道展開專門的測試和維修，因此急需研制一套檢測系統(tǒng)以保障預(yù)防性檢修或臨搶修工作。

1 氣象通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

某型艦載雷達氣象通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

如圖1所示，氣象通道系統(tǒng)由氣象處理機柜和氣象顯示終端兩個機柜組成。雷達在氣象探測模式下，發(fā)射時，方位按一定角度間隔，仰角按雷達指定的仰角發(fā)射信號。接收時，從雷達接收機輸出的和路I、Q各16位數(shù)字中頻信號送至氣象處理機柜的氣象信號處理板，由氣象信號處理板和加固計算機進行處理后，生成氣象基數(shù)據(jù)(強度、速度、譜寬)，通過以太網(wǎng)發(fā)送到氣象顯示終端進行數(shù)據(jù)處理，生成最終的氣象基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品、物理量產(chǎn)品和風(fēng)場產(chǎn)品[4-7]。

氣象處理機柜實時接收雷達內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的時統(tǒng)、導(dǎo)航信息及雷達相關(guān)參數(shù)，經(jīng)以太網(wǎng)送給氣象顯示終端，并接收雷達終端臺發(fā)送的氣象控制指令。氣象處理機柜同時要向雷達終端臺轉(zhuǎn)發(fā)氣象顯控臺通訊狀態(tài)信息，向終端臺發(fā)送心跳報文。

氣象顯示終端的任務(wù)是接收氣象處理機柜送來的氣象原始基數(shù)據(jù)流，利用專業(yè)氣象算法，氣象顯示終端軟件完成氣象一次、二次產(chǎn)品的生成與顯示；另一個任務(wù)是把處理好的氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成綜合水文系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)格式，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給指定的服務(wù)器中。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

某型艦載雷達氣象通道檢測系統(tǒng)主要由主控計算機、測試軟件以及配套的轉(zhuǎn)接電纜構(gòu)成，可用于氣象處理機柜和氣象顯示終端之間氣象基數(shù)據(jù)流的檢測和模擬，實現(xiàn)通道故障分析、隔離以及用于裝備技術(shù)狀態(tài)檢查。 檢測系統(tǒng)能夠接收氣象處理機柜發(fā)出的氣象基數(shù)據(jù)，或者發(fā)送已知的氣象基數(shù)據(jù)給氣象顯示終端，通過分析氣象基數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容，判斷其有效性。在氣象處理機柜和氣象顯示終端之間氣象基數(shù)據(jù)傳輸、氣象產(chǎn)品生成和顯示出現(xiàn)異常時，通過使用檢測系統(tǒng)可以快速有效的引導(dǎo)技術(shù)人員對信號處理機柜和氣象顯示終端的工作狀態(tài)做出判斷，可以方便快捷的隔離故障。

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣象處理機柜中的計算機板、網(wǎng)絡(luò)板和氣象顯示終端的加固計算機均為標準的CPCI計算機設(shè)備，從雷達使用來看，雷達在正常加電過程中可以從顯示畫面觀察到計算機設(shè)備是否正常工作，而接收機、氣象處理機柜的氣象處理板和接口板的檢測可通過艦載雷達機內(nèi)自檢實現(xiàn)。

氣象顯示終端的外網(wǎng)通信包括基于UDP協(xié)議的與雷達信號處理器的數(shù)據(jù)傳輸，鑒于UDP是一種無連接的、不可靠的傳輸層協(xié)議，以及作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，檢測系統(tǒng)需要進行網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)的測試，快速隔離網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸故障[8-9]。檢測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件技術(shù)方案

在硬件選型方面，檢測系統(tǒng)選用便攜式加固計算機作為主控計算機，計算機具備10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，符合IEEE802.3通訊協(xié)議。以通用計算機平臺為核心，用以太網(wǎng)通信接口完成數(shù)據(jù)傳輸功能，配套專用適配連接電纜，構(gòu)成了本項目硬件系統(tǒng)的技術(shù)方案。在主控計算機中分別安裝氣象數(shù)據(jù)模擬器軟件和基數(shù)據(jù)格式檢測軟件。

運行氣象數(shù)據(jù)模擬器軟件時，檢測系統(tǒng)模擬雷達信號處理機柜的工作方式，通過以太網(wǎng)絡(luò)以UDP協(xié)議向氣象終端發(fā)送雷達徑向氣象基數(shù)據(jù)流，氣象終端接收數(shù)據(jù)流并完成產(chǎn)品生成與顯示，由于模擬器發(fā)送是標準的數(shù)據(jù)格式，可以用來檢測氣象終端的技術(shù)狀態(tài)，硬件連接關(guān)系見圖3。

圖3 基數(shù)據(jù)模擬檢測的硬件連接關(guān)系

運行氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件時，通過對數(shù)據(jù)包對應(yīng)的數(shù)據(jù)位進行逐一識別，依據(jù)數(shù)據(jù)格式要求，判斷報文的有效性，給出軟件運行日志及檢測報告，檢測雷達信號處理機柜的工作狀態(tài)及進行故障定位，硬件連接關(guān)系見圖4。

圖4 氣象數(shù)據(jù)格式檢測的硬件連接關(guān)系

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1.1 操作系統(tǒng)的選擇

操作系統(tǒng)選擇是軟件設(shè)計的重要組成部分。為便于檢測系統(tǒng)的功能擴展和保證可移植性，本項目操作系統(tǒng)采用Windows XP操作系統(tǒng)開發(fā)軟件。

3.1.2 開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建

選擇了Windows XP作為本設(shè)備的操作系統(tǒng)后，就需要建立相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境。軟件設(shè)計使用VC2010開發(fā)環(huán)境，軟件采用C/C++語言開發(fā)進行開發(fā)，按照不同用處劃分進行功能模塊化。各個模塊做成插件，并能夠在框架中集成重構(gòu)。軟件的網(wǎng)絡(luò)編程使用Windows標準的Socket網(wǎng)絡(luò)通信方式。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需要，安裝了必要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓包，網(wǎng)絡(luò)測試等工具。

3.1.3 檢測軟件的開發(fā)

檢測軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化分析方法，自頂向下逐層分解。經(jīng)過多次逐層分解，每個底層的問題變得簡單，容易解決。例如，氣象基數(shù)據(jù)模擬檢測,就是把雷達體掃數(shù)據(jù),按照體掃數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、仰角層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、徑向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、距離庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)逐層分解[10]；數(shù)據(jù)格式檢測就是對每個底層距離庫數(shù)據(jù)進行逐一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)檢測。

3.1.4 人機接口程序開發(fā)

人機接口程序主要為系統(tǒng)使用人員、系統(tǒng)管理人員、系統(tǒng)評估人員、其它交互設(shè)備及系統(tǒng)等用戶提供可視化的交互使用界面。

3.2 軟件技術(shù)方案

檢測系統(tǒng)軟件主要包括氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件和氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件兩部分。

3.2.1 氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件技術(shù)方案

氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件具備把雷達實際工作中采集到的天氣過程數(shù)據(jù)，按照雷達信號處理器實際工作方式，以基數(shù)據(jù)流的形式進行回放，用于檢測氣象終端數(shù)據(jù)接收和處理能力，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及裝備運行狀態(tài)，同時可以進行模擬實戰(zhàn)訓(xùn)練，培訓(xùn)教學(xué)、歷史數(shù)據(jù)分析等。氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件主要包括以下5個功能模塊。

1)插件管理功能模塊：管理各模塊插件動態(tài)庫，模塊接口轉(zhuǎn)換處理；

2)網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊：負責(zé)UDP網(wǎng)絡(luò)通信；

3)數(shù)據(jù)選擇設(shè)置功能模塊：選擇回放數(shù)據(jù)，設(shè)置回放參數(shù)；

4)數(shù)據(jù)回放功能模塊：回放所選擇體掃數(shù)據(jù)；

5)LOG記錄功能模塊：存儲、顯示軟件運行記錄。

氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件功能框圖

3.2.2 氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件技術(shù)方案

在系統(tǒng)運行異常時，氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件用于解析雷達基數(shù)據(jù)格式，判斷數(shù)據(jù)格式的正確性以及數(shù)據(jù)的有效性，給出相應(yīng)的說明。同時具備基數(shù)據(jù)分析、診斷功能，實現(xiàn)檢測報告自動管理。氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件主要包括以下6個功能模塊。

1)插件管理功能模塊：管理各模塊插件動態(tài)庫，模塊接口轉(zhuǎn)換處理；

2)網(wǎng)絡(luò)通信模塊：負責(zé)UDP網(wǎng)絡(luò)通信，檢查網(wǎng)絡(luò)通信是否正常；

3)數(shù)據(jù)接收功能模塊：負責(zé)接收來自信號處理器的雷達數(shù)據(jù)；

4)數(shù)據(jù)檢查功能模塊：檢查信號處理器數(shù)據(jù)長度、各數(shù)據(jù)段是否處于正常范圍；

5)報表管理功能模塊：完成測試報告生成、存儲、查詢等功能；

6)LOG記錄功能模塊：存儲、顯示軟件運行記錄。

氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件軟件功能框圖如圖6所示。

圖6 氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件功能框圖

3.3 軟件技術(shù)內(nèi)容

本項目以艦載雷達氣象通道為具體檢測目標，提出針對雷達氣象信號處理機柜與氣象顯示終端之間的氣象基數(shù)據(jù)進行檢測的技術(shù)方案。在軟件開發(fā)過程中涉及到的主要技術(shù)內(nèi)容包括：

1)艦載雷達氣象體掃數(shù)據(jù)文件和氣象基數(shù)據(jù)格式的分析；

2)基數(shù)據(jù)模擬檢測軟件功能需求分析與實現(xiàn)；

3)基數(shù)據(jù)格式檢測軟件功能需求分析與實現(xiàn)。

3.3.1 艦載雷達氣象體掃數(shù)據(jù)文件和氣象基數(shù)據(jù)格式的分析

氣象通道的數(shù)據(jù)格式中，對報文有嚴格的規(guī)定，必須符合艦載雷達規(guī)定的接口協(xié)議。

報文類型有兩種：掃描數(shù)據(jù)頭和徑向數(shù)據(jù)。艦載雷達氣象處理機柜向氣象顯示終端傳送一個完整的體掃數(shù)據(jù)文件，需要發(fā)送1 446個符合UDP規(guī)范的數(shù)據(jù)包，包括6個掃描數(shù)據(jù)包和1 440個徑向數(shù)據(jù)包。

掃描數(shù)據(jù)頭文件包括工作方式、天氣模式以及掃描開始時間，格式中對該數(shù)據(jù)頭報文都有具體的規(guī)定值，是基數(shù)據(jù)模擬檢測軟件對回放的起始標志。

徑向數(shù)據(jù)包包括數(shù)據(jù)來源的方位、仰角、經(jīng)緯度、橫搖、縱搖、航向、航速，是數(shù)據(jù)的主要屬性，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

3.3.2 基數(shù)據(jù)模擬檢測軟件功能需求分析與實現(xiàn)

基數(shù)據(jù)模擬檢測軟件功能具備將艦載雷達獲取的歷史氣象體掃數(shù)據(jù)，模擬雷達工作的實際運行方式,以徑向數(shù)據(jù)流的形式生成模擬數(shù)據(jù)，按照雷達信號處理器輸出約定格式回放歷史數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)絡(luò)，傳輸至氣象顯示終端。

表1 徑向數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

模擬檢測所用的數(shù)據(jù)采用來源于艦載雷達的歷史天氣數(shù)據(jù)，模擬檢測軟件僅對其進行拆包,而不采取完全人為“模擬”，簡化了模擬難度，必要時可實時注入錯誤數(shù)據(jù)，用于檢測氣象顯示終端的數(shù)據(jù)處理功能和技術(shù)狀態(tài)。

基數(shù)據(jù)模擬檢測軟件主界面布局見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)模擬檢測軟件的主界面布局

3.3.3 基數(shù)據(jù)格式檢測軟件功能需求分析與實現(xiàn)

由于網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜性和UDP傳輸?shù)牟豢煽啃裕赡軙斐蓴?shù)據(jù)包的丟失，因此，需要對數(shù)據(jù)包的完整性、準確性進行檢測，判斷數(shù)據(jù)包傳輸是否正常。

數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、工作模式、天氣模式、時間格式、方位、俯仰、經(jīng)度、緯度、縱搖、橫搖、航向、航速等類型數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)組合過程中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，因此需要對數(shù)據(jù)的有效性進行檢測。氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件主要功能需求是實現(xiàn)數(shù)據(jù)包完整性和數(shù)據(jù)有效性檢測。

數(shù)據(jù)格式檢測軟件先檢測網(wǎng)絡(luò)是否滿足要求，再通過網(wǎng)絡(luò)接收雷達信號處理發(fā)來的UDP報文，通過對數(shù)據(jù)包對應(yīng)的數(shù)據(jù)位進行逐一識別，并依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)值要求，判別數(shù)據(jù)的有效性，給出日志及檢測報告，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，通過數(shù)據(jù)錯誤類型，進行故障定位。數(shù)據(jù)格式檢測軟件主要用到了數(shù)據(jù)接收插件、任務(wù)機控制組件。

數(shù)據(jù)格式檢測軟件流程圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)格式檢測軟件流程圖

3.4 軟件關(guān)鍵技術(shù)

艦載雷達氣象通道檢測系統(tǒng)軟件開發(fā)的主要技術(shù)特點是：模塊化開發(fā)，便于故障定位以及升級維護；部分代碼使用原氣象終端系統(tǒng)代碼模塊，穩(wěn)定可靠；測試報告內(nèi)容詳細，定位明確，便于故障診斷。采用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.4.1 網(wǎng)絡(luò)報文監(jiān)控技術(shù)

由于數(shù)據(jù)格式檢測軟件主要是通過網(wǎng)絡(luò)接收氣象通信號處理器發(fā)來的徑向數(shù)據(jù)流，因此基于底層數(shù)據(jù)格式的監(jiān)控更有利于檢測被測數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)在接收時進入數(shù)據(jù)格式分析模塊，分辨數(shù)據(jù)長度、類型、數(shù)據(jù)有效性等關(guān)鍵信息，形成日志及報文信息，存儲于文件中。

3.4.2 模擬數(shù)據(jù)生成與回放技術(shù)

把雷達探測到的歷史體掃數(shù)據(jù)文件分割成一個個數(shù)據(jù)單元，并按照數(shù)據(jù)存儲順序逐一回放，并實時注入多種類型的故障信息，是數(shù)據(jù)模擬檢測軟件解決的重點問題。

4 實驗結(jié)果與分析

為了檢驗艦載雷達氣象通道檢測系統(tǒng)各功能及可靠性，項目組在完成研制工作后分別進行了軟件性能測試和硬件性能測試實驗。軟件性能測試包括單元測試、用戶界面測試、系統(tǒng)集成測試、性能測試、回歸測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)軟件符合設(shè)計使用要求。檢測系統(tǒng)的硬件主要是主控計算機和專用適配電纜，經(jīng)過使用驗證表明，該系統(tǒng)的硬件選型、電纜制作符合設(shè)計方案要求。

艦載雷達氣象通道檢測系統(tǒng)軟件性能測試和硬件性能測試完成后，項目組結(jié)合某型艦用雷達技術(shù)狀態(tài)檢查、平時裝備保障和任務(wù)期間裝備保障工作，對該檢測系統(tǒng)進行了應(yīng)用實驗，實驗結(jié)果如下：

1)使用該檢測系統(tǒng)能夠快速定位氣象處理機柜和氣象顯示終端故障，適用于氣象顯示終端的測試和故障隔離。應(yīng)用期間，使用該設(shè)備隔離、定位氣象顯示終端網(wǎng)絡(luò)通信故障1次，對裝備進行技術(shù)狀態(tài)檢查4次；

2)該檢測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，運行狀態(tài)良好，應(yīng)用期間未發(fā)生任何故障。檢測系統(tǒng)技術(shù)資料完整，人機界面友好，易于操作，配備的接口連接電纜齊全；

3)檢測系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)模擬檢測軟件能夠按照雷達工作方式回放氣象基數(shù)據(jù)，可用于氣象終端數(shù)據(jù)的接收、處理檢測以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測；氣象數(shù)據(jù)格式檢測軟件具備氣象基數(shù)據(jù)格式解析功能，可用于判斷數(shù)據(jù)格式的正確性和有效性，并給出測試結(jié)果，為技術(shù)人員分析故障提供技術(shù)支持。

5 創(chuàng)新點

1)采用實測氣象基數(shù)據(jù)和故障信息隨機注入融合的數(shù)據(jù)模擬方法，保證了氣象基數(shù)據(jù)的有效性和高度的真實性。把雷達探測的實際回波數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)源，保證模擬的氣象數(shù)據(jù)與氣象通道實際工作模式匹配，簡化了模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生難度，同時也充分保證了模擬數(shù)據(jù)的有效性。可以隨機進行實時錯誤數(shù)據(jù)模擬，在回放數(shù)據(jù)時，模擬設(shè)置的錯誤數(shù)據(jù)，自動替換數(shù)據(jù)流中的對應(yīng)數(shù)值，而實際回波數(shù)據(jù)文件不被破壞，從而實現(xiàn)故障信息模擬。回放注入故障信息的模擬數(shù)據(jù)可用于驗證氣象終端的應(yīng)用軟件對異常數(shù)據(jù)的響應(yīng)能力，實現(xiàn)對氣象終端應(yīng)用軟件接收非正常數(shù)據(jù)時處理能力測試。

2)采用逐位檢測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)基數(shù)據(jù)快速掃描檢測，解決大數(shù)據(jù)量體掃氣象數(shù)據(jù)實時解析難題。針對氣象基數(shù)據(jù)體掃數(shù)據(jù)文件解析數(shù)據(jù)量大的問題，通過全面分析徑向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成特點，采用了逐位檢測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，僅檢測數(shù)據(jù)的有效性，僅對異常數(shù)據(jù)進行識別，達到快速掃描體掃數(shù)據(jù)文件和定位故障的目的。

6 結(jié)束語

項目組經(jīng)過調(diào)研論證、方案設(shè)計、工程研制等階段，解決了基數(shù)據(jù)獲取、分析，網(wǎng)絡(luò)報文監(jiān)控，IP地址綁定，模擬數(shù)據(jù)生成和回放，異常基數(shù)據(jù)診斷等技術(shù)問題，成功研制了適用于某型艦的艦載雷達氣象通道的檢測系統(tǒng)。設(shè)備分別在氣象雷達承制單位和某型艦船的雷達技術(shù)狀態(tài)檢查、平時裝備保障和重大任務(wù)裝備保障工作進行了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)可作為有效的輔助維修手段，可推廣應(yīng)用于基地級修理單位、基層部隊，具有重要的軍事和經(jīng)濟效益。