基于軟件復(fù)用技術(shù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 璇 來晉峰

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.中國北方工業(yè)公司 北京 100053)

0 緒論

為了提高軟件開發(fā)的效率和軟件質(zhì)量、縮短軟件開發(fā)的周期，增強(qiáng)軟件的開放性和對外部適應(yīng)性，減少軟件危機(jī)，軟件復(fù)用作為軟件工程中的一個(gè)重要領(lǐng)域，已成為解決上述問題的主要途徑。

軟件復(fù)用的概念是由Mellroy 早在1968年的軟件工程會議上提出，然而軟件復(fù)用技術(shù)對軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持效果不是如人所愿，這種情況是由技術(shù)方面、非技術(shù)方面中不成熟因素導(dǎo)致而成的［1］。近年來，隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的出現(xiàn)和成熟，軟件復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題得到解決，在軍用雷達(dá)軟件開發(fā)中，軟件復(fù)用的研究也正成為焦點(diǎn)。但由于國內(nèi)研究時(shí)間較短，應(yīng)用并不廣泛，本文利用模塊化與構(gòu)件思想研究分析軟件復(fù)用技術(shù)在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件中的應(yīng)用，具有一定先進(jìn)性和指導(dǎo)意義。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與武器裝備技術(shù)的快速發(fā)展，武器系統(tǒng)對于信息化、智能化的要求越來越高，導(dǎo)致雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的規(guī)模和復(fù)雜性也不斷提高。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法由于普遍存在重復(fù)勞動(dòng)、開發(fā)周期長、經(jīng)費(fèi)浪費(fèi)等問題，已經(jīng)不適應(yīng)大型化、復(fù)雜化的系統(tǒng)研制。

通過對不同型號雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究可以看出，其系統(tǒng)的功能和原理是基本相同的。因此，可以采用軟件復(fù)用技術(shù)構(gòu)建雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)不同型號雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的相互移植，從而減少重復(fù)勞動(dòng)，縮短開發(fā)周期，全面提升軟件開發(fā)質(zhì)量。

1 軟件復(fù)用技術(shù)

1．1 軟件復(fù)用的概念

軟件復(fù)用技術(shù)是指重復(fù)使用“為了復(fù)用目的而設(shè)計(jì)的軟件”的過程［2］。其中，在一個(gè)系統(tǒng)中多次使用一個(gè)相同的軟件成分，不能稱為復(fù)用而只能叫軟件共享;對一個(gè)軟件進(jìn)行修改，使它可運(yùn)行新的軟硬件平臺也不能稱為復(fù)用而叫做軟件移植。

軟件復(fù)用是在新的軟件開發(fā)過程中，利用已有的、可復(fù)用的軟件成分來構(gòu)造和生成新的軟件系統(tǒng)［3］。其中可復(fù)用的軟件成分包括軟件設(shè)計(jì)方法、軟件結(jié)構(gòu)框架、程序代碼、分析結(jié)果等。

1．2 軟件復(fù)用技術(shù)

根據(jù)軟件復(fù)用的實(shí)施性質(zhì)和過程可將軟件復(fù)用分為抽象技術(shù)、選擇技術(shù)、例化技術(shù)和集成技術(shù)［4］。抽象是對復(fù)用對象的概括和提煉，即將操作和對象從語言、機(jī)器和環(huán)境中提煉出來，是軟件復(fù)用的關(guān)鍵;選擇是根據(jù)功能需求，在庫中檢索和匹配相關(guān)復(fù)用對象，完成存放、比較和檢索可復(fù)用軟件對象的功能;例化是選擇技術(shù)的繼續(xù)，完成對象的參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)換和約束;集成是根據(jù)復(fù)用技術(shù)提高的框架，將已例化的復(fù)用對象組合成軟件系統(tǒng)的過程。

2 基于軟件復(fù)用的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)功能概述

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件用以完成目標(biāo)的航跡建立、航跡相關(guān)、航跡管理、航跡濾波、雜波處理、敵我識別、威脅估等處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤［5］。

2．2 軟件功能劃分

數(shù)據(jù)處理軟件的核心功能包括點(diǎn)跡凝聚、航跡處理和數(shù)據(jù)交互三個(gè)部分。

點(diǎn)跡凝聚完成對雷達(dá)信號處理機(jī)送來的原始一次點(diǎn)跡進(jìn)行存儲，對符合凝聚條件的原始一次點(diǎn)跡按照采用線性加權(quán)求重心的方法進(jìn)行凝聚。

航跡處理功能模塊是數(shù)據(jù)處理器的核心，它將凝聚點(diǎn)跡經(jīng)過一系列處理，形成航跡，同時(shí)剔除雜波干擾。

主要包含以下子功能模塊:雜波剔除功能、航跡建立功能、航跡批號管理功能、自動(dòng)威脅判斷功能、航跡質(zhì)量管理功能、航跡濾波功能、敵我識別功能、ARM 報(bào)警功能構(gòu)成。各個(gè)功能子模塊功能獨(dú)立，在時(shí)間上是順序執(zhí)行。

數(shù)據(jù)交互功能模塊主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理器同信號處理器、雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)、綜合顯示計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備之間的信息交互。主要包括兩類:數(shù)據(jù)信息和指令信息。

數(shù)據(jù)處理軟件功能劃分如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理軟件功能劃分圖

2．3 軟件建模

2.3.1 軟件的活動(dòng)圖分析

軟件活動(dòng)圖用于表征軟件系統(tǒng)的工作處理過程。系統(tǒng)工作時(shí)，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)接收空情信息并完成空情信息分類存儲;通過坐標(biāo)變換，將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求的坐標(biāo)系下，完成點(diǎn)跡預(yù)處理;對符合凝聚條件的原始一次點(diǎn)跡進(jìn)行合并處理，提高點(diǎn)跡精度，生成凝聚點(diǎn)跡，并作為航跡處理輸入;判定每個(gè)點(diǎn)跡是屬于新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的點(diǎn)跡，還是屬于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并建立航跡的目標(biāo)點(diǎn)跡，對于新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，及時(shí)建立目標(biāo)航跡，并通過批號管理完成航跡批號的有效分配;對于用于航跡更新的點(diǎn)跡，建立航跡和點(diǎn)跡的配對矩陣，完成航跡點(diǎn)跡相關(guān)和航跡濾波更新;依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素和詢問結(jié)果，完成目標(biāo)的威脅評估和目標(biāo)屬性識別;處理更新后的航跡數(shù)據(jù)一方面實(shí)時(shí)上報(bào)，一方面用于航跡數(shù)據(jù)庫更新，為下次跟蹤維持服務(wù);在航跡處理過程中，通過對航跡質(zhì)量不斷更新，完成航跡的確認(rèn)和撤銷過程。典型雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件活動(dòng)圖如圖2所示。

2.3.2 軟件的用例圖分析

圖3 給出了數(shù)據(jù)處理軟件用例圖，表1 給出了數(shù)據(jù)處理軟件核心用例的功能說明。進(jìn)一步對作為數(shù)據(jù)處理器核心功能的航跡處理進(jìn)行更細(xì)致的用例劃分，并給出各個(gè)用例的功能說明，如表1所示，航跡處理圖例見圖4。

圖2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)活動(dòng)圖

圖3 數(shù)據(jù)處理軟件用例圖

表1 數(shù)據(jù)處理軟件用例功能說明

表2 航跡處理用例功能說明

圖4 航跡處理用例圖

2．4 模塊復(fù)用分析

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的過程和原理大致是相同的，依次完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)跡凝聚、航跡建立、航跡批號管理、航跡相關(guān)、航跡更新、威脅估計(jì)、航跡質(zhì)量管理等處理;但是，由于各個(gè)型號的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)協(xié)議，硬件接口等存在差異。因此，在軟件層面上既有不同也有可以共享的軟件結(jié)構(gòu)和模塊，這使得數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的軟件構(gòu)件復(fù)用成為可能。2.4.1 點(diǎn)跡凝集采用線性加權(quán)求重心的方法將滿足凝聚條件的原始一次點(diǎn)跡與凝聚點(diǎn)跡線性表中的已有點(diǎn)跡進(jìn)行凝集。因此，對于任何型號的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，根據(jù)其凝集條件的不同來實(shí)現(xiàn)該模塊的復(fù)用。

2.4.2 對于航跡處理模塊中的雜波剔除包括對雜波圖和屏蔽區(qū)的處理，對滿足相關(guān)條件的一次點(diǎn)跡應(yīng)作為雜波進(jìn)行剔除。因此，可以設(shè)置不同的相關(guān)條件來實(shí)現(xiàn)雜波剔除模塊的復(fù)用。

2.4.3 在航跡建立模塊中，當(dāng)自由點(diǎn)跡與剩余點(diǎn)跡符合建航規(guī)則時(shí)應(yīng)能自動(dòng)建立航跡，只是在初始建航時(shí)，不同型號的雷達(dá)對目標(biāo)速度的大小與批號容量大小有所不同。因此，可以通過設(shè)計(jì)目標(biāo)速度與批號容量來實(shí)現(xiàn)該模塊的復(fù)用。

2.4.4 在航跡管理中分為航跡批號管理和航跡質(zhì)量管理。對于不同型號的雷達(dá)，其批號容量不同，因此，根據(jù)批號容量的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)航跡批號管理模塊的復(fù)用;航跡質(zhì)量管理采用記分法，航跡的初始質(zhì)量為3，最大為9，小于1 時(shí)航跡自動(dòng)撤銷，通過關(guān)聯(lián)波門類型，更新航跡質(zhì)量的大小，動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)航跡的確認(rèn)與撤銷。因此，對于航跡批號管理模塊和航跡質(zhì)量管理模塊均可以完全復(fù)用。

2.4.5 航跡濾波模塊根據(jù)航跡歷史數(shù)據(jù)和更新點(diǎn)跡，通過濾波處理，實(shí)現(xiàn)航跡數(shù)據(jù)更新?？赏ㄟ^調(diào)整濾波器增益系數(shù)來實(shí)現(xiàn)航跡濾波模塊的復(fù)用。

2.4.6 在自動(dòng)威脅判斷模塊中，數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)目標(biāo)飛臨時(shí)間和距離等因素給出目標(biāo)的威脅等級，通過建立統(tǒng)一的威脅評估表，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)威脅判斷模塊的復(fù)用。

2.4.7 敵我識別是根據(jù)詢問結(jié)果進(jìn)行敵我屬性的判斷。根據(jù)各個(gè)型號雷達(dá)詢問機(jī)的工作模式對敵我識別模塊進(jìn)行復(fù)用。

2.4.8 在ARM 報(bào)警模塊中根據(jù)新建立的航跡的速度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等特性是否滿足ARM 特性，由于判斷標(biāo)準(zhǔn)唯一，故該模塊可完全復(fù)用。

2.4.9 數(shù)據(jù)交互模塊實(shí)現(xiàn)與信號處理機(jī)、雷達(dá)控制機(jī)、綜合顯示機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。由于通信協(xié)議不同，因此該模塊不能復(fù)用。

2．5 基于軟件復(fù)用技術(shù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上各功能模塊的復(fù)用分析，利用條件宏［6］控制模塊復(fù)用條件，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)模塊的復(fù)用。

本次設(shè)計(jì)利用創(chuàng)建duplicate.h 文件(頭文件形式)實(shí)現(xiàn)對模塊的復(fù)用，通過對該文件的個(gè)性化配置，完成各模塊復(fù)用條件的加載、刪除和參數(shù)配置，并通過和應(yīng)用工程進(jìn)行重新編譯完成數(shù)據(jù)處理可執(zhí)行程序生成。具體實(shí)現(xiàn)如下:

a.根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，設(shè)置條件宏，利用軟件模塊化配置軟件，完成模塊的靜態(tài)加載和參數(shù)配置。

例如配置航跡建立模塊，本軟件在設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建目標(biāo)速度與批號容量的條件宏，完成對不同型號雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件航跡建立模塊的控制。duplicate.h包含如下代碼:

…………

//航跡建立模塊

#define H_CREATE_NEW_HJ

#ifdefH_CREATE_NEW_HJ

#define H_TARGET_SPEED_LIM_DOWN 30 //目標(biāo)速度下限

#define H_TARGET_ SPEED_LIM_UP 700 //目標(biāo)速度上限

#define H_TARGET_CAPACITY 250 //目標(biāo)容量

#endif

………

上述代碼包含了功能模塊的靜態(tài)加載項(xiàng)和參數(shù)配置項(xiàng)，若靜態(tài)加載項(xiàng)H_CREATE_NEW_HJ 沒有定義，則后續(xù)參數(shù)配置項(xiàng)不參與軟件編譯。對于其它軟件功能模塊的加載和參數(shù)配置與此相同，就不再贅述。

b.在DPU 的應(yīng)用工程中加載duplicate.h，重新進(jìn)行編譯，完成數(shù)據(jù)處理軟件可執(zhí)行程序的生成;

c.若想在已有配置文件基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修改，通過打開已有配置文件，重新編輯保存后，完成配置更新并重新編譯。

利用上述設(shè)計(jì)方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，圖5 為該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件航跡跟蹤處理效果。仿真結(jié)果表明，該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件各個(gè)模塊功能正確，對交叉航跡、轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)航跡等均能有效跟蹤，滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)處理對功能和性能的指標(biāo)要求。

圖5 基于軟件復(fù)用技術(shù)的航跡跟蹤效果圖

3 結(jié)論

在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)的過程中，通過模塊化的復(fù)用分析，對數(shù)據(jù)處理軟件的各個(gè)模塊進(jìn)行抽象，有效的分離差異，實(shí)現(xiàn)了大部分模塊的復(fù)用，從而提高了軟件開發(fā)的效率，縮短了軟件開發(fā)的周期，節(jié)約成本、減少勞動(dòng)力，具有較高的工程價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］史浩輝，何煒.基于構(gòu)件的指控軟件復(fù)用［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2011，(2):159-165.

［2］徐正權(quán).軟件復(fù)用方法與技術(shù)［M］.華中理工大學(xué)出版社，1998.8.

［3］楊芙清，梅宏，李克勤.軟件復(fù)用與軟件構(gòu)件技術(shù)［J］.電子學(xué)報(bào)，1999.27(2):68-75.

［4］陳升來.軟件復(fù)用技術(shù)及在雷達(dá)標(biāo)校軟件中的應(yīng)用［D］.中國科學(xué)院研究生院.2003.

［5］羅利強(qiáng).張艷艷.高恒.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件模塊化研究［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2013.42(2):38-41.

［6］譚浩強(qiáng).C 程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.