電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系 張 增 劉玉軍 董保良

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系 張 增 劉玉軍 董保良

電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，其主要任務(wù)是對(duì)特定區(qū)域的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行搜索、截獲、測(cè)量、分析、識(shí)別、監(jiān)視以及對(duì)輻射源的測(cè)向和定位，以獲取其技術(shù)參數(shù)、功能、類型、位置和用途，為無(wú)線電監(jiān)測(cè)的組織與實(shí)施提供輔助決策工具，為無(wú)線電管理提供電磁環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一、總體設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)軟件是電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要是根據(jù)電磁環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為用戶提供頻率資源的分析、決策和綜合應(yīng)用的技術(shù)手段。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示?；竟δ馨〝?shù)據(jù)庫(kù)管理、地圖應(yīng)用、用戶管理和授權(quán)、工作流程配置、文書管理等功能。業(yè)務(wù)功能包括監(jiān)測(cè)測(cè)向、電磁頻譜管理、電磁干擾分析和電磁態(tài)勢(shì)顯示等功能。

圖1 電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)軟件體系結(jié)構(gòu)

二、軟件功能設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)、電磁頻譜管理系統(tǒng)、電磁干擾分析系統(tǒng)和電磁態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)共5個(gè)系統(tǒng)組成，各個(gè)系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的功能。各個(gè)系統(tǒng)的功能如下。

1. 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。功能如下。

（1）用戶、角色和權(quán)限設(shè)置。

（2）數(shù)據(jù)操作，包括查詢、添加、修改、刪除、統(tǒng)計(jì)分析、地圖標(biāo)繪和輸出文檔等。

（3）數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)、格式轉(zhuǎn)換等。

（4）多類數(shù)據(jù)覆蓋，包括頻率、監(jiān)測(cè)量、設(shè)備、臺(tái)站、設(shè)備檢測(cè)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）監(jiān)測(cè)測(cè)向數(shù)據(jù)管理和日志管理。

2. 監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)。功能如下。

（1）頻率掃描，包括全景掃描、頻率掃描、信道掃描。

（2）信號(hào)分析，包括信號(hào)頻譜場(chǎng)強(qiáng)、中心頻率、調(diào)制模式、XdB帶寬、β帶寬等基本屬性。

（3）錄音監(jiān)聽(tīng)和信息解碼。

（4）信號(hào)測(cè)向。

（5）場(chǎng)強(qiáng)統(tǒng)計(jì)和占用度統(tǒng)計(jì)。

3. 電磁頻譜管理系統(tǒng)。功能如下。

（1）頻率劃分、規(guī)劃、分配和指配。

（2）頻率預(yù)指配結(jié)果評(píng)估。

（3）優(yōu)質(zhì)頻率資源選頻。

（5）頻率保護(hù)、管制和協(xié)同。

（6）頻率資源分析，對(duì)頻率資源占用情況進(jìn)行分析。

4. 電磁干擾分析系統(tǒng)。功能如下。

（1）移動(dòng)臺(tái)站干擾分析、固定臺(tái)站干擾分析以及飛行走廊干擾分析。

（2）場(chǎng)站電磁環(huán)境分析，利用精確化的仿真模型和預(yù)測(cè)算法，結(jié)合實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)關(guān)心地域（重要通信樞紐、發(fā)射場(chǎng)、試驗(yàn)場(chǎng)等）的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，為干擾排查、解除、用頻指配和頻率協(xié)調(diào)提供手段。

（3）頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)系分析，主要用于了解轄區(qū)或指定區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)站（網(wǎng)）部署、監(jiān)測(cè)站（網(wǎng)）的覆蓋能力，并在地圖上顯示監(jiān)測(cè)覆蓋區(qū)域。

（4）通過(guò)分析手段，為監(jiān)測(cè)站（網(wǎng)）的部署和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等工作提供手段。

5. 電磁態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)。功能如下。

（1）輻射源覆蓋區(qū)態(tài)勢(shì)。

污水專用換熱器污水側(cè)供回水溫度為11/6℃；熱泵蒸發(fā)器中介水側(cè)供回水溫度為9/5℃；熱泵冷凝器用戶側(cè)供回水溫度45/35℃；污水專用換熱器單臺(tái)制熱量800kW；離心式熱泵制熱量4622kW，電功率830kW，COP為5.56；螺桿式熱泵制熱量2235kW，電功率675kW，COP為3.31。

（2）區(qū)域頻譜態(tài)勢(shì)顯示。包括二維、三維場(chǎng)強(qiáng)態(tài)勢(shì)。

（3）點(diǎn)位頻譜態(tài)勢(shì)顯示。包括頻譜圖、瀑布圖、示向度圖等。

（4）電磁對(duì)抗態(tài)勢(shì)顯示。反映指定區(qū)域、指定時(shí)間雙方、多方的電磁對(duì)抗變化趨勢(shì)。

三、軟件設(shè)計(jì)思想

結(jié)合電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度以及軟件設(shè)計(jì)的可復(fù)用性和易維護(hù)性的要求，在面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）進(jìn)行軟件分析設(shè)計(jì)，通過(guò)基于底層模型的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程管理方法進(jìn)行管理和控制。該系統(tǒng)采用多層相互協(xié)作的框架組成，構(gòu)建各個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)功能子模塊，以此實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笙到y(tǒng)的最大重用方式。在系統(tǒng)中定義統(tǒng)一的接口使得模塊之間的通信變得非常容易和簡(jiǎn)單?？蚣苣苤赜迷O(shè)計(jì)，它提供可重用的抽象算法以及高層設(shè)計(jì)，并能將大系統(tǒng)分解成為更小的構(gòu)件，而且能描述構(gòu)件間的內(nèi)部接口。這些標(biāo)準(zhǔn)接口在已有的構(gòu)件基礎(chǔ)上通過(guò)組裝可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的相關(guān)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)人員基于可重用框架進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或者更加具體的開(kāi)發(fā)，具有靈活的擴(kuò)展性。這樣做不僅可以增加軟件結(jié)構(gòu)的一致性，建立更加開(kāi)放的系統(tǒng)，還可以增加代碼的重用，大大提高了軟件生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而且對(duì)時(shí)序、功能完成時(shí)間有較高的要求，因此，軟件開(kāi)發(fā)時(shí)必須充分考慮軟件的響應(yīng)特性及操作特性，同時(shí)還要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做后臺(tái)處理、分析及統(tǒng)計(jì)，為操作員提供操作簡(jiǎn)便、具有多種方式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面，為其正確判斷提供可靠依據(jù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)整個(gè)區(qū)域電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)功能總體分析及軟件框架設(shè)計(jì)思想，在系統(tǒng)框架中對(duì)各功能模塊的控制可采取類似于上述模塊的處理方法，因此將電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為4個(gè)大的部分：主框架、通用組件庫(kù)、擴(kuò)展應(yīng)用模塊和第三方控件庫(kù)。

1.主框架。主框架是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)從整體上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，控制系統(tǒng)的運(yùn)行。它主要包括：任務(wù)管理子系統(tǒng)、消息管理子系統(tǒng)、功能管理子系統(tǒng)以及錯(cuò)誤處理子系統(tǒng)。

本框架的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)對(duì)面向電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的子模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理的形式來(lái)完成的。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是封裝了實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，同時(shí)提供了接口，便于更改替換模塊，同時(shí)提供的接口相對(duì)穩(wěn)定。每個(gè)功能模塊都滿足以下要求：每個(gè)模塊都是功能單一的，各功能之間保持低耦合性，每個(gè)模塊都被定義了一組穩(wěn)定的接口。

（1）任務(wù)管理子系統(tǒng)。它是主框架與系統(tǒng)其他模塊（包括通用組件庫(kù)和擴(kuò)展應(yīng)用模塊）的接口，它包含了若干個(gè)服務(wù)類，每一個(gè)服務(wù)類都可以認(rèn)為是對(duì)某一個(gè)模塊的包裹和封裝。

（2）消息管理子系統(tǒng)。它是框架與系統(tǒng)輸入的中介，它負(fù)責(zé)把用戶界面請(qǐng)求、從網(wǎng)絡(luò)上傳過(guò)來(lái)的用戶指令以及應(yīng)用系統(tǒng)定制的任務(wù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)管理子系統(tǒng)去執(zhí)行。反之，指令的執(zhí)行結(jié)果也由接口管理子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為可以被網(wǎng)絡(luò)、用戶界面等識(shí)別的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)。這樣就使得在框架內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)據(jù)包格式一致，便于統(tǒng)一管理，也簡(jiǎn)化了管理流程。

（3）功能管理子系統(tǒng)。主要用于對(duì)多個(gè)模塊、服務(wù)進(jìn)行管理，它僅僅負(fù)責(zé)每個(gè)服務(wù)的生存期（創(chuàng)建及銷毀），而不會(huì)涉及模塊的功能。

2. 通用組件庫(kù)。系統(tǒng)中的一些通用部分封裝成功能子模塊，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、監(jiān)測(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)等部分。在系統(tǒng)中可以靈活地調(diào)用這些模塊提供的接口，達(dá)到了便于維護(hù)、擴(kuò)展的目的。

3. 擴(kuò)展應(yīng)用模塊。主框架和通用模塊庫(kù)都是系統(tǒng)中的可重用部分。構(gòu)建一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，需要在這兩部分的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)測(cè)向子系統(tǒng)、電磁頻譜管理子系統(tǒng)、電磁干擾分析子系統(tǒng)和電磁態(tài)勢(shì)顯示子系統(tǒng)等業(yè)務(wù)功能。具體有頻率掃描功能模塊、信號(hào)分析功能模塊、測(cè)向功能模塊、監(jiān)測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)及查詢、回放模塊，對(duì)于測(cè)向功能模塊，相對(duì)應(yīng)于其他功能模塊如頻率掃描、信號(hào)分析來(lái)說(shuō)，將實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)隱藏，只提供它與框架及界面的接口。這樣當(dāng)需要再加入其他功能時(shí)，只需修改某個(gè)模塊，而接口和整個(gè)系統(tǒng)框架將保持相對(duì)穩(wěn)定。

4. 第三方控件庫(kù)。第三方控件庫(kù)包括虛擬儀器圖形界面庫(kù)和電子地圖管理子系統(tǒng)。每個(gè)模塊都提供統(tǒng)一的接口，這樣便于更改替換，保持接口的相對(duì)穩(wěn)定。

四、軟件工作過(guò)程

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于面向?qū)ο笏枷?，各個(gè)模塊封裝良好，模塊間耦合較小，模塊獨(dú)立性較高，因此對(duì)于業(yè)務(wù)功能模塊與框架及相關(guān)其他功能塊（如網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)等）間的數(shù)據(jù)、命令傳遞主要通過(guò)接口來(lái)完成。系統(tǒng)事件跟蹤過(guò)程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)事件跟蹤過(guò)程

用戶啟動(dòng)電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入用戶界面，通過(guò)界面線程發(fā)送操作命令，將各種處理請(qǐng)求以事件隊(duì)列的形式放入線程組中，然后驅(qū)動(dòng)管理器工作。在系統(tǒng)中將不同的功能模塊分為多個(gè)類型的服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)操作服務(wù)、設(shè)備操作服務(wù)及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等，調(diào)用各個(gè)服務(wù)以接口的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。管理器根據(jù)不同的事件類型將操作命令發(fā)送到底層各驅(qū)動(dòng)（包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)），將操作命令發(fā)送到監(jiān)測(cè)設(shè)備（以調(diào)用驅(qū)動(dòng)提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)來(lái)完成）、數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)將命令發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)部分、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心等；各底層模塊返回相應(yīng)信息到事件隊(duì)列中，經(jīng)應(yīng)答線程組處理，再次將信息放 入 到消息隊(duì)列中，由界面線程返回到發(fā)送請(qǐng)求操作的用戶界面，完成一項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

底層驅(qū)動(dòng)入口得到監(jiān)測(cè)命令，獲取任務(wù)類型并按類型分類，準(zhǔn)備開(kāi)始處理具體監(jiān)測(cè)任務(wù)。首先創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，根據(jù)上層傳遞的消息設(shè)定測(cè)量信息及設(shè)備參數(shù)，然后啟動(dòng)接收線程，設(shè)備返回監(jiān)測(cè)結(jié)果到驅(qū)動(dòng)入口。當(dāng)上層調(diào)用該動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。若底層接收到關(guān)閉或停止命令，同樣驅(qū)動(dòng)設(shè)備結(jié)束該監(jiān)測(cè)任務(wù)。

五、結(jié)論

電磁環(huán)境頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以軟件體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)，基于軟件工程的設(shè)計(jì)思想，以統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）進(jìn)行軟件分析設(shè)計(jì)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Windows消息機(jī)制和組件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的可重用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。