網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件設(shè)計(jì)

山 壽 王 鵬

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科學(xué)評(píng)價(jià)

網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件設(shè)計(jì)

山 壽 王 鵬

本文針對(duì)C波段網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)中新增的下行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，提出了采用多協(xié)議融合、多線程并發(fā)處理、自動(dòng)丟包控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)方案。為新一代網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)飛行試驗(yàn)提供了技術(shù)支持。

如付諸現(xiàn)實(shí)將改變現(xiàn)有的飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控體系，極大程度的節(jié)省了頻譜資源，并節(jié)省了高昂的同步板卡花費(fèi)。

C波段網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)在遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中新增了雙向、寬帶射頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路（rfNET），大幅提高了飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)下行傳輸能力。針對(duì)C波段遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理中遇到的多數(shù)據(jù)流、多網(wǎng)絡(luò)格式、多總線協(xié)議等特點(diǎn)，本文采用了數(shù)據(jù)分流處理、協(xié)議整合、數(shù)據(jù)包擁錯(cuò)控制以及多線程等方式，并結(jié)合某飛行試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件的正確性和可靠性，為新一代網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)飛行試驗(yàn)提供了技術(shù)支持。

遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理是飛行試驗(yàn)工程中試飛監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)，對(duì)飛行試驗(yàn)的安全性和有效性有著重要影響。近年來，隨著試飛技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)控需求的參數(shù)不斷增加，航空機(jī)載設(shè)備的復(fù)雜程度不斷增加，傳統(tǒng)PCM流的傳輸方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前飛行試驗(yàn)地面監(jiān)控的需求。當(dāng)前，C波段網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)已經(jīng)逐步進(jìn)行小規(guī)模的試驗(yàn)驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理勢(shì)必成為未來我國飛行試驗(yàn)工程的重要組成部分。

本文通過結(jié)合某型號(hào)網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，詳細(xì)地介紹了網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件的解析過程、架構(gòu)以及設(shè)計(jì)邏輯，并有效地解決了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟包錯(cuò)序、視頻與參數(shù)數(shù)據(jù)同步回放等問題。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并有效的利用機(jī)載網(wǎng)絡(luò)格式格柵，定義主要包含參數(shù)結(jié)構(gòu)與協(xié)議解析信息的HEA文件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)的有效分流、參數(shù)數(shù)據(jù)的提取以及參數(shù)數(shù)據(jù)與真實(shí)物理量的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理功能與回放數(shù)據(jù)功能。

參數(shù)結(jié)構(gòu)定義

網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)是由機(jī)載測(cè)試采集系統(tǒng)對(duì)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)同步進(jìn)行采集與分發(fā)，采集的數(shù)據(jù)填充至多個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的格式又直接依賴于采集器的記錄格式，結(jié)合飛行試驗(yàn)的特征，具體有如下特點(diǎn)。

1）多種數(shù)據(jù)包協(xié)議——由于網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)存在多種采集器，目前主要存在IENA與XNET/INET網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式。

2）參數(shù)多樣分布——機(jī)載采集的參數(shù)的受制于機(jī)載采集設(shè)備與協(xié)議的定義，具體的參數(shù)數(shù)據(jù)由于字長的不同在數(shù)據(jù)包中的分布方式也有可能不同，存在機(jī)載設(shè)備將一個(gè)64位的字拆分為4個(gè)16位字填充到4個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中這樣的可能性。

3）參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)并存——網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)機(jī)載設(shè)備將視頻數(shù)據(jù)與參數(shù)數(shù)據(jù)同時(shí)分布于數(shù)據(jù)包中，因此在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)處理過程中必須考慮到視頻數(shù)據(jù)與參數(shù)數(shù)據(jù)的分流與差異處理。

4）多總線多采樣性——機(jī)載設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn)眾多，涵蓋了429總線、422總線、CAN總線、1394總線、FC總線以及其他航空機(jī)載總線，另外參數(shù)的采樣率也不盡相同。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的格式以及參數(shù)在數(shù)據(jù)包中的具體位置，并考慮到參數(shù)的字長、取位、校準(zhǔn)類型以及采樣率等特性，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)的特征，定義參數(shù)的具體結(jié)構(gòu)為：

協(xié)議解析定義

目前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包雖然大小不能固定，但其格式主要按照IENA與XNET/INET兩種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)填充，協(xié)議不同其解析的方式也就不同，因此在提取數(shù)據(jù)時(shí)必須同時(shí)考慮兩種標(biāo)準(zhǔn)的異同，提取出兩種標(biāo)準(zhǔn)的共同點(diǎn)，方便軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

表1　IENA協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

表2　XNET/INET協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

從表1與表2我們可以看出雖然兩種協(xié)議的控制頭不相同，但均具有區(qū)別包類型的區(qū)別字（KEY，MessageDefineID），包長（SIZE，MessageLength），包序（SEQ_NUM，MessageDefineSequenceNumber） 與時(shí) 間 信息（TIME，MessageTimestamp），因此一旦包結(jié)構(gòu)確定我們就能確定當(dāng)前數(shù)據(jù)包是參數(shù)數(shù)據(jù)還是視頻數(shù)據(jù)，以及具體數(shù)據(jù)的提取方式。

另外，考慮到最大程度的利用數(shù)據(jù)傳輸帶寬，網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)采用組播的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)可由多個(gè)服務(wù)器進(jìn)行分流實(shí)時(shí)處理，結(jié)合IENA與XNET/ INET兩種協(xié)議的特點(diǎn)，定義數(shù)據(jù)包的格式為：

軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

總體框架

通過機(jī)載網(wǎng)絡(luò)格柵以及相應(yīng)的XML接口，結(jié)合兩種協(xié)議的特點(diǎn)轉(zhuǎn)換為原始的HEA文件，并在此基礎(chǔ)上添加參數(shù)處理、數(shù)據(jù)提取方式等信息從而最終形成實(shí)時(shí)處理所需的HEA文件。通過此HEA文件可以知曉當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的協(xié)議、參數(shù)數(shù)量、參數(shù)具體解析信息、視頻數(shù)據(jù)等內(nèi)容，繼而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)監(jiān)控所需的數(shù)據(jù)。HEA文件的定義確保了數(shù)據(jù)解析的準(zhǔn)確性，但在數(shù)據(jù)處理過程中需要考慮到數(shù)據(jù)的接收、提取、分發(fā)等過程，同時(shí)處理好的參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)的傳送到實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件客戶端，保證試驗(yàn)飛行安全，本文采用UDP組播的傳輸方式，將參數(shù)名列表、參數(shù)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)分路傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)中，由于組播地址與端口固定，客戶端監(jiān)控軟件可以采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)邏輯，極大的縮短了監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)由于機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)也是通過組播的方式進(jìn)行傳輸，并且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包占用帶寬過高，為避免產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，通過使用雙網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的物理隔離。整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件要同時(shí)考慮到實(shí)時(shí)處理與回放處理兩個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，盡可能實(shí)現(xiàn)代碼的共用，而實(shí)時(shí)處理與回放處理最大的區(qū)別僅限于原始數(shù)據(jù)是來源于網(wǎng)絡(luò)獲取還是文件讀取，因此在數(shù)據(jù)獲取過程中僅需要通過條件選擇判斷數(shù)據(jù)源即可。網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理要考慮到數(shù)據(jù)的接收、解析、分發(fā)、處理等過程，通過分析整個(gè)處理過程，采用多線程共享內(nèi)存的設(shè)計(jì)方式，具體設(shè)計(jì)為HEA與配置信息處理線程、數(shù)據(jù)接收線程、數(shù)據(jù)處理線程、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送線程、參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送線程以及參數(shù)名發(fā)送線程等六個(gè)線程，主窗體在打開實(shí)時(shí)處理HEA文件后，開啟HEA與配置信息處理線程，獲取當(dāng)前飛機(jī)參數(shù)處理信息與發(fā)送配置信息，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的全局信息，關(guān)閉當(dāng)前線程后開啟其他幾個(gè)線程，各個(gè)線程通過HEA與配置信息處理線程生成的全局信息進(jìn)行初始化，線程間的交互和處理過程如圖2所示。

關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)包擁錯(cuò)控制與同步處理

機(jī)載測(cè)試采集系統(tǒng)每秒可向外發(fā)送數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)包，由于受到飛機(jī)位置、地面干擾、網(wǎng)絡(luò)擁塞、連接中斷等因素，會(huì)產(chǎn)生一定程度的數(shù)據(jù)丟包錯(cuò)序現(xiàn)象， IENA與XNET/ INET協(xié)議在整合數(shù)據(jù)包的過程中，均會(huì)按照數(shù)據(jù)包的生成順序在數(shù)據(jù)包頭添加包號(hào)，其包號(hào)在有效范圍具有連續(xù)性的特征，數(shù)據(jù)處理線程針對(duì)于數(shù)據(jù)接收線程分發(fā)視頻和參數(shù)數(shù)據(jù)包，首先按照時(shí)間戳進(jìn)行快速粗略劃分，然后再按照數(shù)據(jù)包內(nèi)KEY字進(jìn)行快速精準(zhǔn)排序，與此同時(shí)在參數(shù)數(shù)據(jù)包按照KEY字排序的過程中，對(duì)相同時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果某個(gè)時(shí)間戳內(nèi)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)少于HEA文件預(yù)估的個(gè)數(shù)，則將這個(gè)時(shí)間戳下的數(shù)據(jù)包拋棄，這主要是因?yàn)榇嬖趨?shù)的高低字分布于不同的數(shù)據(jù)包中，如果一個(gè)丟失某個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)包可能導(dǎo)致提取出的部分參數(shù)變化過大，影響指揮人員實(shí)時(shí)監(jiān)控決策，而針對(duì)于視頻數(shù)據(jù)包采取與參數(shù)數(shù)據(jù)包相同的處理措施，與之不同的是視頻數(shù)據(jù)包發(fā)生丟包時(shí)，并不丟棄整個(gè)這個(gè)時(shí)間戳內(nèi)的數(shù)據(jù)，采用在視頻實(shí)時(shí)解析客戶端處理丟包問題。具體處理邏輯如圖3所示。

參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)同步回放

圖1　總體框架圖

傳統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)由于存儲(chǔ)在不同的文件中，而視頻中添加的時(shí)碼信息無法通過圖像識(shí)別有效獲取，也就不能同步回放，網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)的參數(shù)數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)采用相同的協(xié)議填充，通過將實(shí)時(shí)接收到的兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行擁錯(cuò)控制之后存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，在文件讀取時(shí)，建立標(biāo)識(shí)鏈表，首先進(jìn)行預(yù)讀取操作，每當(dāng)查找到的數(shù)據(jù)包key字與HEA文件中包序?yàn)?的key字相同時(shí)，記錄當(dāng)前文件指針信息并保存到標(biāo)識(shí)鏈表之中，在數(shù)據(jù)回放時(shí)，首先確定拖動(dòng)的進(jìn)度條位置，進(jìn)而確定文件讀取指針的當(dāng)前大致位置，然后查詢標(biāo)識(shí)鏈表，查找到與拖動(dòng)進(jìn)度條后確定的文件位置最接近的標(biāo)識(shí)位置，更新為當(dāng)前文件讀取指針的實(shí)際位置，繼而實(shí)現(xiàn)了參數(shù)與視頻的同步回放。預(yù)讀取過程如圖4所示。

圖2　軟件內(nèi)部線程處理流程圖

圖3　擁錯(cuò)控制處理流程圖

圖4　預(yù)讀取處理流程圖

圖5　軟件運(yùn)行效果圖

參數(shù)名列表擴(kuò)充機(jī)制

理論上IP數(shù)據(jù)報(bào)的最大長度為65535個(gè)字節(jié)，剔除IP協(xié)議與UDP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文定義，最大僅能支持65507字節(jié)，而當(dāng)前飛行試驗(yàn)中測(cè)試參數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到上萬個(gè)，參數(shù)名的定義也越來越復(fù)雜，每個(gè)參數(shù)名即可占用30～40個(gè)字節(jié)，這種情況下單個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)僅能支持1500～2000個(gè)參數(shù)名的同時(shí)發(fā)送，針對(duì)參數(shù)名列表總長度超過限制的情況，采用分批發(fā)送的方式，每個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)最大發(fā)送40000個(gè)字節(jié)，每個(gè)參數(shù)名占用41個(gè)字節(jié)，不足時(shí)填充字符’#’，定義包含總發(fā)送次數(shù)與當(dāng)前發(fā)送順序的參數(shù)列表，截取參數(shù)列表的方式采用以上一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送的最后一個(gè)參數(shù)名的結(jié)束開始，直至最接近40000字節(jié)的那個(gè)參數(shù)結(jié)束，并在分批發(fā)送的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包中添加當(dāng)前發(fā)送的分段列表在真實(shí)參數(shù)名列表中參數(shù)起始順序和結(jié)束順序。分批發(fā)送參數(shù)名列表的結(jié)構(gòu)定義如表3所示。

表3　分批發(fā)送參數(shù)名列表的結(jié)構(gòu)

軟件運(yùn)行界面

本軟件在某網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)上得以驗(yàn)證，界面主要分為基本配置信息、實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)回放三個(gè)部分，試驗(yàn)結(jié)果表明該軟件能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的處理網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)數(shù)據(jù)，滿足當(dāng)前試驗(yàn)飛行監(jiān)控的需求，實(shí)時(shí)處理階段的運(yùn)行狀態(tài)如圖5所示。

結(jié)語

該網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)實(shí)時(shí)處理軟件目前已在多個(gè)型號(hào)的試飛中得到驗(yàn)證，成功確保了多個(gè)試飛科目的順利進(jìn)行，運(yùn)行結(jié)果表明已經(jīng)可以確保每秒2200個(gè)遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包、5000個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)處理，滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)試飛監(jiān)控需求，為新一代網(wǎng)絡(luò)化遙測(cè)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

山 壽 王 鵬

中國飛行試驗(yàn)研究院

山壽（1987-）男，陜西省西安市人，助理工程師，碩士。研究方向：遙測(cè)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.026

國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A0520132031）