機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架設(shè)計

蘇玉強，劉 穎

(1.中國人民解放軍駐航天二院二十三所軍事代表室，北京 100854; 2.海軍裝備研究院，北京 100161)

1 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其需求

機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要功能是根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)解算，實現(xiàn)空空、空地、空艦戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)共享，為飛行員及指揮員提供輔助決策。例如進(jìn)行飛行航路解算、目標(biāo)威脅判斷、飛機(jī)編隊間武器協(xié)同和編隊內(nèi)及地空戰(zhàn)斗協(xié)同等。不同機(jī)型的機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)因飛機(jī)作戰(zhàn)功能的差異而使其具體功能有區(qū)別，但都有一些共同特點，如下所述。

1)戰(zhàn)斗行動指揮的最大特點是實時性［1］。戰(zhàn)斗機(jī)上各分系統(tǒng)目前大多數(shù)采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)。

2)與多種機(jī)載設(shè)備交聯(lián)。機(jī)載雷達(dá)、大氣機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、平視顯示器、武器外掛物管理、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備、音響中心、顯控系統(tǒng)和綜合航電系統(tǒng)都可能與戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)交聯(lián)，它們或者是計算數(shù)據(jù)來源，或者在其上進(jìn)行顯示控制。

3)數(shù)據(jù)記錄下載要求。為了進(jìn)行飛行后數(shù)據(jù)分析，需要對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并能在飛行后下載。

4)安全性要求。機(jī)載計算機(jī)在設(shè)計時都有硬件看門狗，當(dāng)應(yīng)用程序運行異常時觸發(fā)看門狗，使計算機(jī)重啟，其適用于無操作系統(tǒng)或者單任務(wù)系統(tǒng)。

目前機(jī)載設(shè)備程序大多數(shù)采用多任務(wù)設(shè)計，因此需要對各任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)任務(wù)運行異常時，實現(xiàn)硬件重啟和看門狗功能。

不同機(jī)型的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能可能差異較大，其差異主要體現(xiàn)在戰(zhàn)術(shù)解算部分，在程序結(jié)構(gòu)方面都體現(xiàn)出一致性，程序員在軟件開發(fā)過程中將軟件功能與程序結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，未能提煉出軟件體系結(jié)構(gòu)方面的共同點，造成軟件結(jié)構(gòu)比較混亂，不利于軟件的維護(hù)性和重用性。設(shè)計機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的通用框架不僅可以縮短開發(fā)周期，并且可以提高程序的可讀性和可維護(hù)性等。該框架基于VxWorks操作系統(tǒng)，采用層次化的設(shè)計方式，利用抽象化設(shè)計，將框架與操作系統(tǒng)分離，能移植到其他操作系統(tǒng)下，并實現(xiàn)幾個典型的物理接口，包括 ARINC429、1553B、RS422和 UDP等，使程序員將重點放在戰(zhàn)術(shù)解算部分的設(shè)計。

2 框架層次結(jié)構(gòu)

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)程序框架為各種飛機(jī)平臺的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)，為應(yīng)用程序屏蔽了操作系統(tǒng)接口，通常戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)包含3個層次:共用框架層、通信接口處理層和戰(zhàn)術(shù)信息綜合處理層。戰(zhàn)術(shù)信息綜合處理層主要完成戰(zhàn)場綜合態(tài)勢形成，包括航跡管理和航跡融合，以及目標(biāo)威脅判斷、飛行航路解算、戰(zhàn)斗協(xié)同、指揮交接等戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理，不同機(jī)型的戰(zhàn)術(shù)要求會有一些區(qū)別，設(shè)計共用框架的目的就是要開發(fā)人員集中注意力于戰(zhàn)術(shù)信息綜合處理。通信接口處理層的功能是完成與各類機(jī)載設(shè)備的交聯(lián)以及接口控制協(xié)議解析。共用框架層包括:任務(wù)監(jiān)控、通信管理、數(shù)據(jù)記錄、消息管理和定時器，其中消息管理和定時器是借助操作系統(tǒng)實現(xiàn)的通用功能，其功能類似于Windows下的消息機(jī)制和定時器，實現(xiàn)消息驅(qū)動功能。任務(wù)監(jiān)控完成類似硬件看門狗功能，當(dāng)有任務(wù)運行出現(xiàn)異常時實現(xiàn)硬件重啟;通信管理為所有交聯(lián)的機(jī)載設(shè)備提供統(tǒng)一抽象接口，包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和訂閱。數(shù)據(jù)記錄為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供異步數(shù)據(jù)記錄功能，不僅可以記錄戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，還可以記錄系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸出和標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出信息。這些信息就是用戶使用printf、logMsg語句等輸出的信息，以及系統(tǒng)出錯時由操作系統(tǒng)自行輸出的信息。這些信息在我們?nèi)粘５拈_發(fā)中經(jīng)常使用，在地面開發(fā)狀態(tài)可以通過超級終端或者虛擬控制臺看到，是程序開發(fā)調(diào)試的重要手段。但是在飛行狀態(tài)時無法獲得，可以通過數(shù)據(jù)記錄獲得。

圖1 機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)典型層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical hierarchical structure of airborne tactical data system

3 框架設(shè)計

3.1 定時器

在應(yīng)用軟件開發(fā)過程中經(jīng)常會用到定時器，如在Windows下，用VC++開發(fā)應(yīng)用程序時，操作系統(tǒng)提供接口簡潔的定時器調(diào)用函數(shù)，程序員需要做的就是設(shè)置定時回調(diào)函數(shù)和定時周期，不需要更深地了解其實現(xiàn)的機(jī)制，系統(tǒng)對回調(diào)函數(shù)也沒有任何限制。但是，機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)通常采用的VxWorks操作系統(tǒng)并沒有提供類似于Windows下的定時器支持，要實現(xiàn)定時功能有兩個途徑:1)借助taskDelay函數(shù)實現(xiàn);2)使用VxWorks提供的看門狗(watchdog)。使用taskDelay實現(xiàn)定時器的缺點在于它是基于任務(wù)的，由于任務(wù)優(yōu)先級的原因會導(dǎo)致定時不準(zhǔn);相比之下看門狗是基于系統(tǒng)時鐘中斷，定時精度大大優(yōu)于前者，但是由于看門狗是基于中斷機(jī)制，因而對用戶的回調(diào)函數(shù)有諸多限制，如不允許使用semTake，printf等需要等待獲取某種資源的函數(shù)，否則會引起程序死機(jī)。另外，看門狗只觸發(fā)一次回調(diào)函數(shù)，如果用戶需要周期定時器就需要重新啟動看門狗。

基于看門狗機(jī)制設(shè)計實現(xiàn)異步通用定時器，異步是指該定時器運行于任務(wù)中，相對于中斷下對用戶回調(diào)函數(shù)的限制，對用戶沒有任何限制。該定時器提供類似于Windows定時器的操作接口，接口簡單，使用方便，并根據(jù)實際需要設(shè)計了周期定時和一次性定時兩種定時器。

3.2 消息機(jī)制

為降低模塊之間的耦合度，機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用事件驅(qū)動模式，事件驅(qū)動模式借助消息機(jī)制實現(xiàn)，程序模塊利用發(fā)布—訂閱模式注冊模塊關(guān)注的消息，通過消息經(jīng)消息中心實現(xiàn)事件驅(qū)動以及數(shù)據(jù)交換［2－4］。

圖2 基于消息的應(yīng)用框架示意Fig.2 Application framework based on message mechanism

消息映射表是發(fā)布和訂閱者之間的聯(lián)系紐帶。消息映射表的索引是消息響應(yīng)句柄，一個消息響應(yīng)句柄可以對應(yīng)多個消息，但是不能重復(fù)響應(yīng)同樣一個消息。消息映射表以鏈表形式存儲，每個節(jié)點的第一個元素是消息響應(yīng)句柄，第二個元素是消息槽。消息槽由響應(yīng)消息類型標(biāo)識集合、消息池、消息觸發(fā)信號量和異步消息響應(yīng)任務(wù)等4部分組成。

消息引擎是應(yīng)用框架的處理核心，負(fù)責(zé)消息映射表和消息槽的建立、維護(hù)，訂閱—發(fā)布模式驅(qū)動。下面為訂閱、發(fā)布和響應(yīng)3個方面消息引擎的處理流程。

1)消息訂閱。

應(yīng)用程序模塊以消息響應(yīng)句柄和響應(yīng)消息標(biāo)識作為參數(shù)，調(diào)用消息引擎的消息訂閱接口，消息訂閱實際是創(chuàng)建消息映射表和消息槽的過程，首先消息引擎掃描消息映射表，如果消息表中沒有注冊該消息響應(yīng)句柄，則注冊該消息句柄，并且創(chuàng)建對應(yīng)消息槽，同時將消息標(biāo)識添加到消息槽的響應(yīng)消息集合中;否則只是將消息標(biāo)識添加到響應(yīng)消息集合中。

消息槽的創(chuàng)建過程:初始化響應(yīng)消息集合、初始化消息池、創(chuàng)建一個初始計數(shù)為零的計數(shù)信號量，生成一個線程或者任務(wù)作為異步消息響應(yīng)任務(wù)，并且等待消息觸發(fā)信號量，此時該任務(wù)處于掛起狀態(tài)。

2)消息發(fā)布。

應(yīng)用程序模塊發(fā)布消息時并不關(guān)心哪個模塊會響應(yīng)該消息，只是將消息標(biāo)識和對應(yīng)的消息內(nèi)容提交給消息引擎。當(dāng)發(fā)布異步消息時，消息引擎遍歷消息映射表，查找響應(yīng)該消息標(biāo)識的消息響應(yīng)句柄，拷貝該消息內(nèi)容和消息標(biāo)識存入消息池，釋放消息觸發(fā)信號量，此時異步消息的發(fā)布就已經(jīng)完成。發(fā)布同步消息不同于異步消息在于，不拷貝消息和釋放消息觸發(fā)信號量，在發(fā)布消息的任務(wù)空間中調(diào)用消息響應(yīng)函數(shù)。

3)消息響應(yīng)。

在消息發(fā)布中已闡述了同步消息的響應(yīng)過程，此處著重異步消息響應(yīng)，在消息訂閱中創(chuàng)建消息槽時創(chuàng)建的異步消息響應(yīng)任務(wù)掛起于消息觸發(fā)信號量，異步消息發(fā)布時釋放消息觸發(fā)信號量，此時任務(wù)解鎖，從消息池中取出消息標(biāo)識和消息內(nèi)容，調(diào)用消息響應(yīng)函數(shù)，然后釋放在消息發(fā)布中生成消息內(nèi)容，否則會引起內(nèi)存泄漏。

3.3 通信設(shè)備管理

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)可能會和多種機(jī)上設(shè)備交聯(lián)，比如通過ARINC429與導(dǎo)航設(shè)備交聯(lián)、1553B與機(jī)載雷達(dá)交聯(lián)。不管是什么樣的設(shè)備，不外乎數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分，數(shù)據(jù)接收可能是中斷或者數(shù)據(jù)查詢方式。為實現(xiàn)對不同交聯(lián)設(shè)備的統(tǒng)一管理，需對通信設(shè)備進(jìn)行抽象封裝。通信設(shè)備抽象采用Bridge設(shè)計模式，將抽象與實現(xiàn)分離，在抽象部分實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制，在實現(xiàn)部分實現(xiàn)物理設(shè)備收發(fā)的抽象［3］。

接收數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制采用Observer設(shè)計模式［2］，提供接收數(shù)據(jù)訂閱接口，每訂閱一次數(shù)據(jù)就會生成一個任務(wù)，在接收到物理設(shè)備收發(fā)的接收任務(wù)提交的通信數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)放在接收緩沖區(qū)中，通知訂閱任務(wù)調(diào)用接收處理函數(shù)，并將接收到的數(shù)據(jù)傳給接收處理函數(shù)。在實現(xiàn)上有點類似消息機(jī)制。

物理設(shè)備收發(fā)抽象封裝了兩個任務(wù):1)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制;2)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送。用戶要發(fā)送數(shù)據(jù)時首先是將數(shù)據(jù)存放在發(fā)送緩沖區(qū)中，并不是真正地從物理設(shè)備發(fā)送出去，發(fā)送任務(wù)不停地從發(fā)送緩沖區(qū)中向物理設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)采用中斷方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，中斷處理程序與發(fā)送或接收任務(wù)通過消息隊列或者環(huán)形緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)交換［7］。

圖3 通信設(shè)備抽象設(shè)計類圖Fig.3 Class chart with abstract communication device

3.4 數(shù)據(jù)記錄

記錄數(shù)據(jù)寫入電子盤的速度是比較慢的，為不影響數(shù)據(jù)處理的速度，將數(shù)據(jù)記錄從數(shù)據(jù)處理任務(wù)中分離出來，在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架中設(shè)計了一個通用的數(shù)據(jù)記錄模塊，數(shù)據(jù)記錄采用異步模式，即在數(shù)據(jù)處理的過程中將需要記錄的數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)記錄模塊，此時只是將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)中，并不在此時真正寫入電子盤文件中，數(shù)據(jù)記錄模塊有一個優(yōu)先級較低的任務(wù)負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)寫入文件。同時對于在地面調(diào)試時使用printf和logMsg輸出的信息，通過操作系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)輸出文件描述符的重定向功能記錄到電子盤。

3.5 任務(wù)監(jiān)控

機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)軟件大多采用多任務(wù)方式，無法通過硬件看門狗電路在軟件運行出錯時自動重啟，恢復(fù)軟件運行。因此需要建立軟件看門狗機(jī)制，監(jiān)控任務(wù)運行情況，在出現(xiàn)異常時記錄必要的異常信息，自動重啟設(shè)備。事后利用記錄輸出信息輔助分析異常原因。

VxWorks下任務(wù)有4種基本狀態(tài):READY、PEND、DELAY、SUSPEND［5］，另外其他一些組合狀態(tài)在用戶不使用Shell命令人為改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)前提下，如果狀態(tài)中出現(xiàn)SUSPEND，就說明該任務(wù)已經(jīng)出錯。任務(wù)監(jiān)控需要周期性地監(jiān)測操作系統(tǒng)中所有運行的任務(wù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)某任務(wù)出錯時記錄任務(wù)的相關(guān)基本信息，并自動重啟［6］。

在VxWorks下系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)錯誤輸出(STD_ERR，文件描述為2)用來輸出系統(tǒng)的出錯信息，通過ioGlobal-StdSet可以將其重定向到電子盤文件輸出。

3.6 實時性保障

在定時器、消息機(jī)制、通信設(shè)備管理、數(shù)據(jù)記錄和任務(wù)監(jiān)控5部分中，數(shù)據(jù)記錄和任務(wù)監(jiān)控在整個框架中只是補充性的，在程序開發(fā)中脫離開框架，數(shù)據(jù)記錄和任務(wù)監(jiān)控也是在負(fù)載較小時進(jìn)行，因此，它們對實時性要求并不高。定時器、消息機(jī)制、通信設(shè)備管理是使用框架構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用程序的關(guān)鍵所在，程序運行、調(diào)度均通過其完成，例如，外部數(shù)據(jù)的接收發(fā)送通過通信設(shè)備管理完成，數(shù)據(jù)周期性刷新送顯通常依賴于定時器，數(shù)據(jù)處理過程的狀態(tài)傳遞、結(jié)果分發(fā)往往要使用消息機(jī)制。因此定時器、消息機(jī)制、通信設(shè)備管理3部分對實時性的支持非常重要，要為應(yīng)用程序提供靈活的實時性支持，供應(yīng)用程序根據(jù)自身要求選擇。

1)定時器。

定時器通常使用異步模式，即定時用看門狗中斷完成，用戶處理在另一任務(wù)中完成，在這種情況下可以使用任務(wù)優(yōu)先級來保障實時性。如果還無法達(dá)到實時性要求則可使用同步模式(不推薦使用，在處理過程簡單時適用)，即直接在看門狗中斷中完成定時器處理。

2)消息機(jī)制。

消息機(jī)制分為同步消息和異步消息。同步消息是觸發(fā)者和響應(yīng)者在同一任務(wù)中運行，也就是類似于函數(shù)調(diào)用關(guān)系;異步消息是觸發(fā)者和響應(yīng)者在不同任務(wù)中運行，會涉及到信號量釋放，任務(wù)激活調(diào)度等，相對于同步消息實時性稍差。因此可首先使用異步消息，通過任務(wù)優(yōu)先級保障實時性，其次使用同步消息。

3)通信設(shè)備管理。

通信設(shè)備管理中，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送可以使用中斷方式，亦可使用查詢方式，用戶可以根據(jù)設(shè)備具體接口選擇。在數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送傳遞過程中，與定時器及消息機(jī)制一樣，可以異步，也可以同步，異步即數(shù)據(jù)在不同任務(wù)之間傳遞，同步即數(shù)據(jù)在同一任務(wù)的不同函數(shù)之間傳遞，對實時性保障與定時器及消息機(jī)制類似。

4 框架應(yīng)用

某殲擊轟炸機(jī)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的主要任務(wù)是:通過機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)空艦/空地戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)共享，可將飛機(jī)導(dǎo)航信息、油量、武器外掛以及機(jī)載雷達(dá)的跟蹤目標(biāo)下發(fā);接收地面、艦載或者空中指揮所通過數(shù)據(jù)鏈實施的指揮，能接收指揮所的目標(biāo)信息、目標(biāo)指示信息、戰(zhàn)術(shù)命令以及指揮引導(dǎo)信息，完成對機(jī)載雷達(dá)的目標(biāo)指示，無線電靜默下的目標(biāo)攻擊;根據(jù)飛機(jī)性能解算攻擊敵方目標(biāo)的有利飛行航路。

機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與機(jī)載雷達(dá)通過1553B交聯(lián)，與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈通過RS422交聯(lián)，與慣導(dǎo)設(shè)備通過ARINC429交聯(lián)。對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的操作控制通過雷達(dá)顯示器周邊鍵完成，所有戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)(如目標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)命令、飛行航路等)在雷達(dá)顯示器上顯示［8］。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分為接口處理層和戰(zhàn)術(shù)處理層，接口處理層主要負(fù)責(zé)接口解析，包括雷達(dá)接口處理、數(shù)據(jù)鏈接口處理和慣導(dǎo)接口處理。戰(zhàn)術(shù)處理層包括數(shù)據(jù)鏈信息協(xié)議處理，雷達(dá)飛行航路解算、本機(jī)飛行平臺參數(shù)處理、雷達(dá)跟蹤目標(biāo)航跡處理、簡單戰(zhàn)術(shù)命令管理、目標(biāo)指示信息處理、對空指揮引導(dǎo)信息處理、數(shù)據(jù)鏈目標(biāo)航跡處理和顯控處理等部分。它們中有使用定時器，如對數(shù)據(jù)鏈目標(biāo)做外推時需要定時器、目標(biāo)顯示時需要定時器;也有使用消息機(jī)制實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，如飛行航路解算的結(jié)果以消息的形式發(fā)送給顯控處理，然后發(fā)送給雷達(dá)完成航路顯示。

圖4 某機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of a certain airborne tactical data system

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的機(jī)載戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架已經(jīng)成功運用于多種機(jī)型，雖然不同機(jī)型的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)有不同側(cè)重，但是運用本框架不但降低了開發(fā)者的開發(fā)成本，使其更注重于戰(zhàn)術(shù)解算部分，而且在程序的可讀性和可維護(hù)方面都有很大的提高，框架具有通用性。

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