通用末端防御武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄取評估設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)*

徐向毅，張宏亮

(駐航天科工集團210所軍事代表室，西安 710065)

0 引言

高技術(shù)武器的廣泛使用，使得戰(zhàn)爭由傳統(tǒng)二維平面的角逐向陸、海、空、天、電、網(wǎng)等多維領(lǐng)域的較量迅速蛻變。為應對敵方實施準確的偵查和強烈的電磁干擾后進行的多方位、多批次、高密度的飽和攻擊，末端防御武器系統(tǒng)應運而生。車載通用末端防御武器系統(tǒng)是專門用于近距離導彈防御的武器系統(tǒng)[1]，是地面防空反導體系的重要組成部分。

車載末端防御武器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性要求高、系統(tǒng)的調(diào)試和試驗難度大，為便于系統(tǒng)調(diào)試和測試，發(fā)生故障時的故障定位，武器系統(tǒng)威力與精度的評估，文中以車載末端防御武器系統(tǒng)的高炮車為例，設(shè)計實現(xiàn)了一種專用通訊數(shù)據(jù)錄取與評估設(shè)備。

1 錄取評估設(shè)備總體設(shè)計

車載末端防御武器系統(tǒng)的重要組成——高炮車主要由炮瞄雷達、光電跟蹤設(shè)備、火控設(shè)備、高速火炮、導航設(shè)備、通信設(shè)備等單機設(shè)備組成。各單機設(shè)備間通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，使用雙絞線連入以太網(wǎng)交換機。通信協(xié)議采用UDP無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。

單機設(shè)備發(fā)送的以太網(wǎng)報文都通過交換機，若交換機采用具有端口鏡像功能的二層或三層交換機，同時錄取評估設(shè)備連接交換機，理論上錄取評估設(shè)備可以獲取到所有通過交換機的網(wǎng)絡報文。因此，通用末端武器防御系統(tǒng)錄取評估設(shè)備與武器系統(tǒng)中高炮車的連接示意圖如圖1所示。

1.1 主要功能

根據(jù)需求,末端防御武器系統(tǒng)錄取評估設(shè)備應具有以下主要功能：

1)系統(tǒng)中各單機設(shè)備發(fā)送報文的捕獲、實時解析、錄取存放，以及解析得到的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、故障信息的顯示；

2)錄取報文的回放功能，支持報文自動回放和按幀回放；

3)十進制與十六進制查詢功能，支持數(shù)據(jù)范圍設(shè)置與超差標識；

4)報文導出功能，支持任意報文以文本文件格式導出；

5)搜索指揮車的模擬功能，向戰(zhàn)斗車發(fā)送目標指示等報文。

6)炮瞄雷達、光電跟蹤設(shè)備的威力評估，武器系統(tǒng)精度評估，以及評估結(jié)果的顯示與導出功能。

1.2 界面設(shè)計

為便于用戶的操作，末端防御武器系統(tǒng)錄取評估軟件運行于Windows平臺，開發(fā)工具采用Visual C++ 6.0，用戶界面基于對話框設(shè)計，并采用多線程設(shè)計，界面顯示刷新與數(shù)據(jù)處理分屬不同的線程，保證了用戶操作與界面顯示的互不影響。

因武器系統(tǒng)包含多個單機設(shè)備，每個單機設(shè)備發(fā)送多種網(wǎng)絡報文，每個網(wǎng)絡報文包含設(shè)備工作狀態(tài)、故障信息、運行數(shù)據(jù)等大量信息，為便于用戶的瀏覽及查看，軟件左側(cè)區(qū)域采用多標簽頁設(shè)計，首標簽頁以圖形及數(shù)據(jù)的方式顯示跟蹤目標信息及系統(tǒng)各個設(shè)備運行狀態(tài)，其中雷達態(tài)勢圖動態(tài)顯示目標進入過程，火炮三維模型實時顯示火炮運轉(zhuǎn)方式，其余每個標簽頁分別顯示各單機設(shè)備發(fā)送網(wǎng)絡報文及解析出的詳細信息(參見數(shù)據(jù)回放)；軟件右側(cè)區(qū)域顯示系統(tǒng)內(nèi)各單機設(shè)備的網(wǎng)絡連接狀態(tài)、系統(tǒng)火力資源及故障狀態(tài)等。數(shù)據(jù)錄取界面如圖2所示。

為方便用戶對系統(tǒng)試驗過程的跟蹤和故障復現(xiàn)，錄取評估設(shè)備提供數(shù)據(jù)回放功能，數(shù)據(jù)回放除可按0.5倍、1倍和2倍速率回放，還提供單幀回放和數(shù)據(jù)幀跳轉(zhuǎn)功能，回放過程中用戶可通過設(shè)備標簽和報文標簽選擇相應報文進行查看，極大的方便了用戶對試驗過程的數(shù)據(jù)分析和故障定位。數(shù)據(jù)回放界面如圖3所示。

在數(shù)據(jù)查詢界面中，用戶可以選擇以十進制或十六進制的方式顯示系統(tǒng)網(wǎng)絡報文，支持跳轉(zhuǎn)至指定幀，以及瀏覽當前幀上一幀數(shù)據(jù)，下一幀數(shù)據(jù)。為方便用戶快速發(fā)現(xiàn)故障并定位，軟件支持用戶對指定數(shù)據(jù)設(shè)置正常數(shù)值范圍，對于超過正常范圍的數(shù)據(jù)，以紅色字體高亮顯示，從而方便用戶在大量數(shù)據(jù)中快速定位異常數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)包的捕獲與識別

在以太網(wǎng)中，幀(數(shù)據(jù)包)作為組成數(shù)據(jù)的基本單位來進行數(shù)據(jù)交換，它采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多址進行訪問，以CSMA/CD(載波監(jiān)聽多點介入/碰撞檢測)的方式進行發(fā)送。由于CSMA/CD的特點，使得該網(wǎng)絡的用戶可以通過網(wǎng)卡的設(shè)置，獲得發(fā)往其他用戶地址的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)中的內(nèi)容對網(wǎng)絡的狀態(tài)進行監(jiān)控。數(shù)據(jù)包捕獲機制主要由最底層數(shù)據(jù)包捕獲機制、數(shù)據(jù)包過濾機制和針對用戶程序的最高層接口組成。如果用戶想得到需要的數(shù)據(jù)包，可以通過數(shù)據(jù)包捕獲機制提供的數(shù)據(jù)接口調(diào)用庫中的相關(guān)函數(shù)，根據(jù)預定義的過濾規(guī)則，數(shù)據(jù)包過濾機制對數(shù)據(jù)包進行檢索，把需要的數(shù)據(jù)包傳遞給應用程序。

Windows平臺下，數(shù)據(jù)包的捕獲可以通過調(diào)用NDIS(網(wǎng)絡驅(qū)動程序接口規(guī)范)庫函數(shù)來實現(xiàn)，使用此方法功能性強，但可能導致系統(tǒng)崩潰；也可以通過原始套接字(Raw Socket)實現(xiàn)，方法簡單但功能有限，只能捕獲高層的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；也可以使用第三方開發(fā)的庫，例如WinPcap[2]。

末端防御武器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡是以交換機為連接節(jié)點的局域網(wǎng)。系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)交換的信息經(jīng)過應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層等層層封裝后，通過網(wǎng)卡傳輸出去，到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應的首部，最后將應用層數(shù)據(jù)交給應用程序處理。以太網(wǎng)幀格式如圖5所示。

因武器系統(tǒng)通信局域網(wǎng)中充斥著ARP協(xié)議等廣播數(shù)據(jù)包，需對捕獲到的數(shù)據(jù)包設(shè)置過濾規(guī)則，剔除無用數(shù)據(jù)包，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理效率。根據(jù)對武器系統(tǒng)內(nèi)各單機設(shè)備的通信設(shè)置及以太網(wǎng)幀格式的分析，按照以太網(wǎng)幀中類型字段為IP數(shù)據(jù)報(0x0800)，IP數(shù)據(jù)報中源IP地址與目的IP地址字段為系統(tǒng)內(nèi)單機設(shè)備IP，IP數(shù)據(jù)報協(xié)議字段為UDP(0x17)，UDP段中源端口號與目的端口號為系統(tǒng)內(nèi)單機設(shè)備設(shè)置的發(fā)送、接收端口，UDP段數(shù)據(jù)字段前8位為系統(tǒng)自定義通信報文的報頭符等限定條件設(shè)置過濾規(guī)則，過濾后得到的數(shù)據(jù)包即為武器系統(tǒng)通信報文。

武器系統(tǒng)通信自定義報文的報文信息標示字段由發(fā)方設(shè)備與收方設(shè)備唯一的8位設(shè)備標示組成，且每個單機設(shè)備發(fā)送至其他單機設(shè)備的UDP報文的報文長度各不相同，因此過濾后的UDP數(shù)據(jù)包根據(jù)報文信息標示與報文長度可以確定何種設(shè)備發(fā)送的何種報文，即完成了報文的識別。然后調(diào)用相應的報文解析函數(shù)，解析得到傳輸報文中包含的數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等信息，在錄取評估設(shè)備界面上顯示。

2.2 數(shù)據(jù)包的存放

系統(tǒng)中各單機設(shè)備通訊速率不同，一個周期內(nèi)各單機發(fā)送的報文數(shù)目不同，有的單機還以不同的速率向多個相關(guān)單機發(fā)送不同類型報文，如果按照即發(fā)即存的處理機制會造成數(shù)據(jù)混亂。由于網(wǎng)絡協(xié)議中要求各單機報文中都要包括系統(tǒng)時標，因而可以利用系統(tǒng)時標進行報文分組。

現(xiàn)定義某單機(如火控設(shè)備)相鄰報文時間段之內(nèi)的所有單機報文為一幀記錄，由于每幀記錄中包含多條各單機報文，為方便查詢和維護，文件開始位置定義了數(shù)據(jù)幀總數(shù)、文件保存時間等信息。為縮短響應時間，錄取的數(shù)據(jù)包文件采用雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行存放，通過前一幀偏移地址、后一幀偏移地址，以及當前幀長度可以快速定位到指定幀的起始位置，雙向鏈表結(jié)構(gòu)可大大減少遍歷整個數(shù)據(jù)包文件的時間復雜度。文件存儲格式見圖6。

2.3 數(shù)據(jù)分析和精度統(tǒng)計

數(shù)據(jù)錄取評估設(shè)備除實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄取功能外，還可完成系統(tǒng)網(wǎng)絡通信狀態(tài)統(tǒng)計和設(shè)備精度評估，網(wǎng)絡通信狀態(tài)統(tǒng)計各個設(shè)備網(wǎng)絡報文丟包率，根據(jù)數(shù)據(jù)報文中的時標數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)發(fā)送延時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為系統(tǒng)分析提供輔助手段。

每次試驗后，軟件可以利用保存的報文數(shù)據(jù)和試驗基地提供的目標真值數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和精度統(tǒng)計。目標真實位置由靶機或靶彈掛載的GPS記錄儀提供，其數(shù)據(jù)為GPS格式的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計算時需將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以地面載車為中心的坐標空間下[3]，以目標真實位置為基準，按照距離、方位和高低數(shù)據(jù)進行分段，分別統(tǒng)計各數(shù)據(jù)段的測量精度，再將本航次及多航次的精度數(shù)據(jù)進行綜合，得出系統(tǒng)的精度數(shù)據(jù)。

精度統(tǒng)計流程圖如圖7所示。

2.3.1 目標真實位置預處理

由于GPS記錄儀數(shù)據(jù)頻率與各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄頻率不一致，造成真值數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)無法對齊，一般而言GPS記錄儀數(shù)據(jù)頻率較慢，一個記錄周期內(nèi)各分系統(tǒng)有多個記錄數(shù)據(jù)，因而需要對GPS記錄數(shù)據(jù)進行線性插值，或采用最小二乘法等數(shù)學方法，將目標真實位置插值成與測量數(shù)據(jù)相同時間間隔的位置數(shù)據(jù)，便于進行數(shù)據(jù)計算和分析[4]。

2.3.2 跟蹤精度統(tǒng)計

本系統(tǒng)中需要統(tǒng)計系統(tǒng)的距離、方位和高低誤差[5]。根據(jù)精度統(tǒng)計要求，首先需要對數(shù)據(jù)進行預處理，采用3σ準則將異常值剔掉，然后計算系統(tǒng)精度均值，標準差和均方根值。設(shè)Δijk為同一航次中第k次進入第j航段的第i個誤差，則此航段的系統(tǒng)誤差為：

(1)

則同一航次進入相同航段的系統(tǒng)誤差的平均值和離散值計算公式為：

(2)

(3)

同一航次進入相同航段的總系統(tǒng)誤差計算公式為：

(4)

由式(1)～式(4)可以計算得到系統(tǒng)某一航段的總誤差數(shù)據(jù)，軟件在計算出所有航段的精度數(shù)據(jù)后，在界面統(tǒng)一顯示，為系統(tǒng)分析和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

2.3.3 火控解算精度統(tǒng)計

對火控系統(tǒng)的解算精度進行分析，需要在獲得目標真實位置的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗氣象條件，進行偏流解算，利用武器系統(tǒng)的彈道方程計算理論射擊諸元[6]。如圖8所示，橫軸為目標運動時間，縱軸為斜距離。D(t)為目標斜距離曲線。設(shè)當前時刻為ti(A點)，由于目標的當前位置可看做彈丸飛行時間τi時刻前即(ti-τi)時目標(C點)的未來點，因而對當前時刻位置進行解算可看作是對(ti-τi)時刻目標未來點的解算，得到的射擊諸元即可以看做在(ti-τi)時刻進行射擊，經(jīng)過彈丸飛行時間τi，命中ti時刻目標位置的理論諸元。B點為A點平移τi時刻所對應的曲線Dy(t)中對應點。

由于彈丸飛行時間由彈道方程和氣象條件解算[7]，因而該時時間為非線性分布，D(t)與Dy(t)非線性平移，求解理想諸元時還需要進行插值才能與火控的周期數(shù)據(jù)對齊。

解算精度的求解過程如圖9所示。

3 結(jié)束語

在設(shè)備設(shè)計整體上采用層次化、模塊化的設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)劃分為幾個不同的子模塊，這種設(shè)計有利于軟件的后期維護和擴展；多線程的設(shè)計使得用戶的操作和界面顯示不會影響到數(shù)據(jù)包的識別、抓取以及存放等，保證了用戶的可操作性和數(shù)據(jù)錄取的實時性需求；雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放錄取到的數(shù)據(jù)包，以及自定義的幀結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)包清晰有序，便于回放、查詢；操作人員可根據(jù)報文分析功能進行系統(tǒng)故障的快速定位及故障原因的排查；軟件界面設(shè)計使得用戶操作方便快捷；跟蹤精度和火控解算精度統(tǒng)計功能為武器系統(tǒng)功能提供驗證手段，該設(shè)備在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗中取得了很好的應用效果，可大幅提高武器系統(tǒng)科研生產(chǎn)效率。