機(jī)載多路數(shù)據(jù)空地通信軟件設(shè)計(jì)

王凱悅，李昊昱，周 斌，郭玉潔，馬 浩

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

利用飛機(jī)直接向云中播撒催化劑實(shí)現(xiàn)人工影響天氣的手段具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、載量大、作業(yè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在增雨機(jī)任務(wù)系統(tǒng)中，空地通信子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)作業(yè)人員與地面指揮中心的短消息視頻聯(lián)系以及作業(yè)信息、大氣探測(cè)信息、飛機(jī)狀態(tài)信息等和相關(guān)文件的傳輸[1-3]。通過以太網(wǎng)與海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信；通過RS422總線與北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)交聯(lián)，借助北斗短報(bào)文完成作業(yè)信息下傳和短消息通信[4-8]。本文提出了一種機(jī)載多路數(shù)據(jù)空地通信軟件設(shè)計(jì)方法，并采用多重備份結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了空中作業(yè)過程中穩(wěn)定可靠的信息傳輸[9]。與此同時(shí)，為提高用戶使用體驗(yàn)，方便對(duì)傳輸信息進(jìn)行選擇和設(shè)置，增加了可視化的圖形用戶界面[10]。

1 空地通信需求分析

空地通信軟件應(yīng)能與地面指揮中心進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)圖片、文件、文本短信的上下傳輸，具備地面和空中的實(shí)時(shí)視頻通話功能，能夠選擇下傳數(shù)據(jù)種類傳輸間隔，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸控制。空地通信軟件界面如圖1所示，主要包括北斗通信、海事衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)傳輸控制3部分。

圖1 軟件界面

北斗、海事通信界面均由通信錄和實(shí)時(shí)通信界面兩部分組成。通信錄可在消息提示和聯(lián)系人列表間自由切換，選擇列表中的聯(lián)系人即可在實(shí)時(shí)通信界面查看與該聯(lián)系人所有聊天信息，在對(duì)話框輸入短信并發(fā)送。海事通信界面還設(shè)置有文件傳輸、視頻通話等按鈕，可在選擇聯(lián)系人后傳輸文件或進(jìn)行視頻通話。數(shù)據(jù)傳輸控制界面用于管理相關(guān)機(jī)載信息，并通過海事衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)機(jī)載信息的發(fā)送功能。可對(duì)復(fù)選框內(nèi)容進(jìn)行勾選，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的手動(dòng)發(fā)送和停止，可在設(shè)置維護(hù)頁(yè)面統(tǒng)一調(diào)整所有下傳信息的傳輸頻率。數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)規(guī)則：作業(yè)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)最高，視頻通話優(yōu)先級(jí)次之，音頻通話第三，短信數(shù)據(jù)包第四，最后再是文件傳輸。數(shù)據(jù)互傳時(shí)手動(dòng)優(yōu)于自動(dòng)，手動(dòng)包括作業(yè)方案、截圖和視頻；作業(yè)信息優(yōu)于大氣探測(cè)信息。空地通信系統(tǒng)上下傳數(shù)據(jù)見下表1。

表1 空地通信信息傳輸數(shù)據(jù)表

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

增雨機(jī)任務(wù)系統(tǒng)由大氣探測(cè)系統(tǒng)、催化作業(yè)系統(tǒng)以及空地通信系統(tǒng)集成。其中，空地通信子系統(tǒng)由兩臺(tái)顯控計(jì)算機(jī)、機(jī)載通信綜合控制設(shè)備、北斗接收機(jī)以及海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成，各部分通過以太網(wǎng)、串口進(jìn)行通信，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

顯控計(jì)算機(jī)通過1路10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口與機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)交聯(lián)，向通信控制設(shè)備發(fā)送大氣探測(cè)信息、作業(yè)信息、圖片、設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)方案以及短報(bào)文等；通過RS422總線與機(jī)載北斗交聯(lián)，發(fā)送短報(bào)文和作業(yè)信息。同時(shí)通信控制設(shè)備與衛(wèi)通交聯(lián)，將從顯控收到的相關(guān)信息發(fā)至地面指揮中心，并向顯控提供地面上傳的作業(yè)方案、圖片、視頻信息以及短報(bào)文等。通信控制設(shè)備與顯控之間采用基于UDP的數(shù)據(jù)包傳輸，并在UDP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議基礎(chǔ)上增加握手機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。基于文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）進(jìn)行文件傳輸，通信控制設(shè)備作為FTP服務(wù)器，機(jī)上設(shè)備作為FTP客戶端，實(shí)現(xiàn)文件的上下傳輸。

整個(gè)系統(tǒng)中，左、右顯控互為備份。同時(shí)北斗采用兩路RS422總線分別與顯控、通信控制設(shè)備交互數(shù)據(jù)，以直接與顯控交聯(lián)的路徑為主，以第二路北斗經(jīng)通信控制設(shè)備至顯控的路徑為輔，當(dāng)顯控判斷第一路通信失效后才采用第二路進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳，這種多重備份系統(tǒng)保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

按照機(jī)載多路數(shù)據(jù)空地通信軟件需求，將其分為主線程、界面操作顯示線程、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理線程、串口數(shù)據(jù)處理線程以及視頻通話線程，采用多線程編程的方法設(shè)計(jì)如圖3所示的軟件架構(gòu)。

圖3 軟件架構(gòu)

程序啟動(dòng)后，主線程讀取配置文件并創(chuàng)建其他子線程，建立信號(hào)和槽的連接。界面顯示線程主要負(fù)責(zé)用戶界面的顯示，通過界面相關(guān)按鈕和文本框等控制實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，收到不同類型的消息進(jìn)行彈窗提示，并將解析后的信息顯示在聊天界面。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理線程主要進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)接收、解析以及組包發(fā)送。在初始化配置好網(wǎng)絡(luò)地址端口號(hào)后，與其他設(shè)備建立連接并判斷其狀態(tài)。接收大氣探測(cè)軟件發(fā)來的探測(cè)信息進(jìn)行組包后，以10 s為默認(rèn)周期向通信控制設(shè)備發(fā)送探測(cè)信息，同時(shí)接收通信控制設(shè)備發(fā)送的海事短信進(jìn)行解析。此外，還需將短消息和作業(yè)信息進(jìn)行編碼，發(fā)送至地面。串口數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)處理機(jī)載北斗系統(tǒng)的RS422數(shù)據(jù)，主要包括北斗定位信息和短報(bào)文的解析，同時(shí)按照不同的包頭封裝作業(yè)信息或北斗短消息向地面發(fā)送。視頻通信線程主要負(fù)責(zé)接收地面推送的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）視頻流，并進(jìn)行獨(dú)立顯示。在顯示界面中，由按鍵控制機(jī)上發(fā)起視頻請(qǐng)求或接收地面?zhèn)鬏數(shù)囊曨l請(qǐng)求，應(yīng)答后拉取地面推送的RTP視頻流并顯示，通話結(jié)束后在通信界面顯示通話時(shí)長(zhǎng)等信息。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，包含了網(wǎng)絡(luò)通信、文件操作等多種功能，本文空地通信軟件使用Qt進(jìn)行開發(fā)。軟件啟動(dòng)后首先初始化相關(guān)通信端口，從配置文件中讀取配置項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，確定主從關(guān)系，加載通訊錄聯(lián)系人；其次與通信控制設(shè)備進(jìn)行Socket通信，根據(jù)主從關(guān)系判斷是否從該側(cè)顯控計(jì)算機(jī)周期下發(fā)相關(guān)探測(cè)信息，同時(shí)確定由主顯控與機(jī)載北斗通過RS422總線進(jìn)行通信；再次通過監(jiān)聽Socket和串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷收到的指令內(nèi)容，在UI界面進(jìn)行相應(yīng)的消息類型提示和短信顯示；最后用戶可以通過界面上的按鈕進(jìn)行聯(lián)系人增添、編輯和刪除操作，選擇不同聯(lián)系人進(jìn)行短息發(fā)送、文件傳輸以及視頻通話等。

4 結(jié) 論

由于空地通信功能是增雨飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)集成中至關(guān)重要的一部分，因此設(shè)計(jì)了一種機(jī)載多路數(shù)據(jù)空地通信軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了短報(bào)文、探測(cè)信息和作業(yè)信息的實(shí)時(shí)傳輸、視頻通信以及文件傳輸?shù)裙δ堋Ｍㄟ^北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)和海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成的雙衛(wèi)星系統(tǒng)，結(jié)合雙顯控計(jì)算機(jī)等多重冗余備份設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。