基于RDF通用雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼模型設(shè)計(jì)*

劉迎龍 秦富童 賈 獎(jiǎng) 徐秋波

(洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)

基于RDF通用雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼模型設(shè)計(jì)*

劉迎龍 秦富童 賈 獎(jiǎng) 徐秋波

(洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003)

針對(duì)雷達(dá)二次處理后上報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)的接口協(xié)議,分析提取協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)方面的共性特征,在此基礎(chǔ)上,研究基于RDF的協(xié)議描述方法,構(gòu)建基于RDF的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議描述模型,設(shè)計(jì)通用雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼模型,為測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼的自動(dòng)化提供支持,提高雷達(dá)組網(wǎng)的靈活性。

資源描述框架; 語(yǔ)義描述; 雷達(dá)接口協(xié)議描述; 編解碼模型

Class Number TN957

1 引言

目前,防空系統(tǒng)主要使用各種類型的雷達(dá)組成雷達(dá)網(wǎng)來(lái)獲取有關(guān)空中目標(biāo)的實(shí)時(shí)情報(bào)。雷達(dá)情報(bào)處理中心是整個(gè)雷達(dá)網(wǎng)的核心,需要對(duì)來(lái)自各雷達(dá)站上報(bào)的二次處理數(shù)據(jù)[1]進(jìn)行綜合處理。由于雷達(dá)體制、工作方式等方面的因素,不同雷達(dá)上報(bào)的二次處理數(shù)據(jù)格式之間存在差異。針對(duì)這種情況,常見(jiàn)的做法是雷達(dá)情報(bào)處理中心針對(duì)每部雷達(dá)設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼模塊,雖然解決了數(shù)據(jù)格式差異的問(wèn)題,卻降低了系統(tǒng)的靈活性,制約雷達(dá)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力的提升。

基于RDF[2～3]的協(xié)議描述方法為雷達(dá)二次處理后上報(bào)數(shù)據(jù)接口協(xié)議的規(guī)范描述提供了統(tǒng)一的方法,實(shí)現(xiàn)協(xié)議語(yǔ)法、語(yǔ)義的完整描述,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通用雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)編解碼[4～5]模型,進(jìn)而增強(qiáng)雷達(dá)組網(wǎng)的靈活性。

2 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)協(xié)議分析

2.1 目標(biāo)測(cè)量雷達(dá)分類

將速度作為目標(biāo)空間位置信息第四維度,根據(jù)雷達(dá)可測(cè)量的空中目標(biāo)數(shù)目和空中目標(biāo)位置信息的維度,目標(biāo)測(cè)量雷達(dá)可分為六類,如圖1所示。

圖1 目標(biāo)測(cè)量雷達(dá)分類

2.2 協(xié)議特征分析

雷達(dá)二次處理后上報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議的特征主要涉及兩個(gè)方面:數(shù)據(jù)通信特征和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)特征。

2.2.1 數(shù)據(jù)通信特征

雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)通信特征反映了數(shù)據(jù)的傳輸特性,主要包括傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)幀速率兩個(gè)方面。由于雷達(dá)網(wǎng)覆蓋地域廣,各雷達(dá)距數(shù)據(jù)處理中心較遠(yuǎn),為保證雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,目前采用的傳輸協(xié)議主要有異步串行通信協(xié)議和UDP/IP協(xié)議。雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸俾室蚶走_(dá)體制的不同,從0.1幀/秒～20幀/秒不等,如表1所示。

表1 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議通信特征

2.2.2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)特征

雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的特征反映了數(shù)據(jù)的編碼特性,涉及信息字段和數(shù)據(jù)幀編碼方式兩個(gè)方面。

1) 信息字段

雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)中包含的主要信息字段類型如表2所示。

2) 數(shù)據(jù)幀編碼方式

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中常用的幀編碼方式有二進(jìn)制編碼、文本編碼和混合編碼[5]。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,由于數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限,為確保空情信息能夠準(zhǔn)確、高效地傳輸,需要雷達(dá)上報(bào)的數(shù)據(jù)幀盡可能的小,因此雷達(dá)上報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)主要采用二進(jìn)制編碼方式,包括按位編碼和按字節(jié)編碼兩種。

表2 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)協(xié)議信息字段

2.2.3 字段特征分析

不同體制雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)包含的信息字段不同,且同一類型信息字段之間也存在字段長(zhǎng)度、量化單位等方面的差異。在各類信息字段中,方位角和俯仰角字段具有一定的特殊性,主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

1) 一個(gè)圓周對(duì)應(yīng)的密位數(shù)。不同雷達(dá)一個(gè)圓周對(duì)應(yīng)的密位數(shù)可能不同。

2) 設(shè)備方位角的0密位對(duì)應(yīng)的真北方向。某些雷達(dá)0密位沒(méi)有指向真北方向。

3) 雷達(dá)波束的掃描方向。大多雷達(dá)波束掃描方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?但部分雷達(dá)掃描方向?yàn)槟鏁r(shí)針。

盡管不同雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)信息字段之間存在差異,但作為雷達(dá)數(shù)據(jù)幀組成的基本單元,各信息字段之間仍然存在一定的共性。通過(guò)對(duì)多種類型的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)幀信息字段主要共性特征如表3所示。

表3 協(xié)議信息字段特征

表3中“*”號(hào)標(biāo)記的圓周量綱、真北方向和雷達(dá)波束掃描方向三個(gè)特征主要針對(duì)雷達(dá)測(cè)量空中目標(biāo)方位角信息字段和俯仰角信息字段,用來(lái)處理部分體制雷達(dá)測(cè)量空中目標(biāo)方位角信息和俯仰角信息的特殊性,僅當(dāng)信息類型為方位角或俯仰角時(shí)有效。

3 接口協(xié)議的語(yǔ)義描述

3.1 基于RDF的語(yǔ)義描述

語(yǔ)義為數(shù)據(jù)的含義,基于語(yǔ)義的數(shù)據(jù)表示可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自描述,最終目的是使數(shù)據(jù)可以被計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。目前主要有基于XML的語(yǔ)義描述、基于RDF(資源描述框架)的語(yǔ)義描述[3,6]和基于OWL(本體描述語(yǔ)言)的語(yǔ)義描述[7]。本文采用基于XML的RDF對(duì)信息字段進(jìn)行描述。

RDF采用“資源—屬性—值”三元組[8]描述資源所具有的屬性,通過(guò)RDF Schema(RDFS)以一種層次結(jié)構(gòu)描述資源之間、屬性之間以及資源和屬性之間的關(guān)系。RDF中主要的概念[6,9]有:

· 資源—可以將資源視作任何對(duì)象,每一個(gè)資源都有一個(gè)通用資源標(biāo)識(shí)符URI;

· 屬性—為一類特殊的資源,用于描述資源之間的關(guān)系,屬性仍用URI表示;

· 陳述—用于描述資源所具有的屬性,為“資源—屬性—值”三元組,其中值可以是資源也可以是文字等;

· 類—可看作元素的集合,為具體對(duì)象的抽象,具有層次結(jié)構(gòu)和繼承性。

3.2 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議模型

根據(jù)RDF的資源描述思想,雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議中的類包括測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議、信息字段集合、信息字段、文字、數(shù)字等;屬性包括傳輸協(xié)議、幀速率、幀結(jié)構(gòu)、編碼方式、包含、字段名稱、字段含義、字段數(shù)據(jù)類型、字段長(zhǎng)度等?；赗DF和RDFS的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議模型如圖2所示。

圖2 測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議RDF語(yǔ)義描述模型

測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議具有傳輸協(xié)議、幀速率和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)三種屬性,其中數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包含信息字段集合和編碼方式集合兩類值,信息字段集合包含多個(gè)具有名稱、信息類型、長(zhǎng)度等表3中所描述屬性的信息字段,幀編碼方式包含按位編碼和按字節(jié)編碼兩類值。

3.3 接口協(xié)議的語(yǔ)義描述

基于RDF的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議的語(yǔ)義描述為一個(gè)RDF文檔,由一個(gè)rdf:RDF元素構(gòu)成,包含對(duì)所有類、屬性及相互關(guān)系的描述,對(duì)圖2中測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議模型的描述如下:

〈rdf:RDF

xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"

xmlns:rdfs=http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#

xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/xmlschemas#"

xmlns:uni="http://www.mydomain.com/radar_protocl/uni"〉

//類型、屬性的定義

〈rdfs:class rdf:about="RadarProtocol"〉

〈rdfs:class rdf:about="FieldSet"〉

〈rdfs:class rdf:about="Field"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="FieldSet"〉

〈/rdf:class〉

〈rdf:class rdf:about="EncodingTypeSet"〉

〈rdf:class rdf:about="EncodingType"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" EncodingTypeSet "〉

〈/rdf:class〉

〈rdf:property rdf:about="TransportProtocol"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="RadarProtocol"〉

〈rdfs:range rdf:resource="&rdf; Literal"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FrameSpeed"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="RadarProtocol"〉

〈rdfs:range rdf:resource="&rdf; Float"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FrameStruct"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="RadarProtocol"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FieldName"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="Field"〉

〈rdfs:range rdf:resource="&rdf; Literal"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FieldLength"〉

……

//協(xié)議描述

〈rdf:RadarProtocol rdf:about="Radar_1"〉

〈rdf:TransportProtocol〉RS232〈/rdf:TransportProtocol〉

〈rdf:FrameSpeed〉1〈/rdf:FrameSpeed〉

〈rdf:FrameStruct rdf:about="FieldsOfRadar_1"〉

〈rdf:FieldName〉FrameHead〈/rdf:FieldName〉

〈rdf:FieldLength〉1〈/rdf:FieldLength〉

……

〈/rdf:FrameStruct〉

〈rdf:EncodingType〉bit〈/rdf:EncodingType〉

〈/rdf:RadarProtocol〉

雷達(dá)接口協(xié)議描述的RDF文檔包括三部分:第一部分為命名空間的定義和引用,避免資源描述二義性;第二部分為類型、屬性的定義及關(guān)系的描述;第三部分為基于“資源—屬性—值”的接口協(xié)議的描述。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼模型設(shè)計(jì)

4.1 信息字段編解碼函數(shù)庫(kù)的語(yǔ)義描述

由于編碼方式和信息字段的數(shù)據(jù)類型、含義等屬性的不同,需要針對(duì)不同的信息字段建立相應(yīng)的編解碼函數(shù)庫(kù),將各類函數(shù)作為資源,采用基于RDF的語(yǔ)義描述,其主要結(jié)構(gòu)如下:

……

//類型定義

〈rdfs:class rdf:about="Encoding"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="Field"〉

〈/rdf:class〉

〈rdfs:class rdf:about="Decoding"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="Field"〉

〈/rdf::class〉

//字段長(zhǎng)度編碼函數(shù)

〈rdf:property rdf:about="Function1"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" FieldLength"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" Encoding"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="Function2"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" FieldLength "〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" Decoding"〉

〈/rdf:property〉

……

通過(guò)定義類Encoding和Decoding對(duì)函數(shù)的類型進(jìn)行限定,同時(shí)限定函數(shù)針對(duì)的字段屬性。

4.2 編解碼模型

基于RDF語(yǔ)義描述構(gòu)建雷達(dá)接口協(xié)議庫(kù)[10～11],并根據(jù)對(duì)信息字段的描述,構(gòu)建信息字段編解碼函數(shù)庫(kù),在高精度定時(shí)器的驅(qū)動(dòng)下,雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)和航跡數(shù)據(jù)之間的自動(dòng)編解碼轉(zhuǎn)換模型如圖3所示。

圖3 測(cè)量數(shù)據(jù)和航跡數(shù)據(jù)自動(dòng)編解碼轉(zhuǎn)換模型

4.3 編解碼流程

從雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)到航跡數(shù)據(jù)的解碼流程如圖4所示。

圖4 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)解碼流程

首先,根據(jù)傳輸協(xié)議參數(shù)確定跟蹤雷達(dá),并從接口協(xié)議庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)雷達(dá)的RDF描述文件;其次,根據(jù)雷達(dá)接口協(xié)議的語(yǔ)義描述對(duì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析;第三,針對(duì)得到的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)及其所含字段的屬性信息,從函數(shù)庫(kù)中找到字段對(duì)應(yīng)解碼函數(shù)的RDF描述文件,根據(jù)其中解碼函數(shù)的語(yǔ)義信息,調(diào)用相應(yīng)解碼函數(shù)進(jìn)行解碼;最后,對(duì)解碼數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)平移、轉(zhuǎn)換等處理后得到航跡數(shù)據(jù)。從航跡數(shù)據(jù)生成模擬雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的流程與之相反,不同之處在于調(diào)用的函數(shù)庫(kù)為編碼函數(shù)庫(kù)。

5 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建通用的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)編解碼模型,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)編解碼,需要對(duì)雷達(dá)接口協(xié)議進(jìn)行基于語(yǔ)義的描述,使計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別、處理。本文采用基于RDF的語(yǔ)義描述方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)接口協(xié)議的語(yǔ)義描述以及信息字段編解碼函數(shù)庫(kù)的語(yǔ)義描述,構(gòu)建編解碼模型,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)編解碼,可增強(qiáng)雷達(dá)組網(wǎng)的靈活性,并為通信協(xié)議的描述及數(shù)據(jù)處理提供了一種思路。

[1] 呂輝,賀正洪,李續(xù)武,等.防空指揮自動(dòng)化系統(tǒng)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005:33-34.

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[4] 鄧偉,石煒.基于編譯技術(shù)的協(xié)議自動(dòng)化解析程序的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(13):33-36.

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[10] Ronald Bourret. XML and databases[EB/OL]. http://www.rebourret.com/xml/XMLAndDatabase.htm.

[11] Sergey Melnik. Storing RDF in a relational database[EB/OL]. http://www-db.stanford.edu/～melnik/rdf/db.html.

General Radar Measurement Data Codec Model Based on RDF

LIU Yinglong QIN Futong JIA Jiang XU Qiubo

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003)

Aiming at the interface protocol of radar measurement data after the secondary process, the common features of the interface protocol are analyzed and extracted from the data transmission and data frame structure. Based on this, the protocol description methods based on RDF are studied. A radar measurement data interface protocol description model is built, and a general radar measurement data codec framework is designed, which can support the automated code of measurement data and improve the flexibility of the radar netting.

resource description framework, semantic description, radar interface protocol description, codec model

2013年7月20日,

2013年8月31日

劉迎龍,男,碩士,工程師,研究方向:指揮控制、協(xié)議分析、數(shù)據(jù)處理。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.026