基于RDF通用雷達測量數據編解碼模型設計*

劉迎龍 秦富童 賈 獎 徐秋波

(洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

基于RDF通用雷達測量數據編解碼模型設計*

劉迎龍 秦富童 賈 獎 徐秋波

(洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

針對雷達二次處理后上報測量數據的接口協議,分析提取協議在數據傳輸及數據幀結構方面的共性特征,在此基礎上,研究基于RDF的協議描述方法,構建基于RDF的雷達測量數據接口協議描述模型,設計通用雷達測量數據編解碼模型,為測量數據編解碼的自動化提供支持,提高雷達組網的靈活性。

資源描述框架; 語義描述; 雷達接口協議描述; 編解碼模型

Class Number TN957

1 引言

目前,防空系統主要使用各種類型的雷達組成雷達網來獲取有關空中目標的實時情報。雷達情報處理中心是整個雷達網的核心,需要對來自各雷達站上報的二次處理數據[1]進行綜合處理。由于雷達體制、工作方式等方面的因素,不同雷達上報的二次處理數據格式之間存在差異。針對這種情況,常見的做法是雷達情報處理中心針對每部雷達設計相應的測量數據編解碼模塊,雖然解決了數據格式差異的問題,卻降低了系統的靈活性,制約雷達動態組網能力的提升。

基于RDF[2～3]的協議描述方法為雷達二次處理后上報數據接口協議的規范描述提供了統一的方法,實現協議語法、語義的完整描述,進而實現通用雷達測量數據自動編解碼[4～5]模型,進而增強雷達組網的靈活性。

2 雷達測量數據協議分析

2.1 目標測量雷達分類

將速度作為目標空間位置信息第四維度,根據雷達可測量的空中目標數目和空中目標位置信息的維度,目標測量雷達可分為六類,如圖1所示。

圖1 目標測量雷達分類

2.2 協議特征分析

雷達二次處理后上報測量數據接口協議的特征主要涉及兩個方面:數據通信特征和數據幀結構特征。

2.2.1 數據通信特征

雷達測量數據通信特征反映了數據的傳輸特性,主要包括傳輸協議及數據幀速率兩個方面。由于雷達網覆蓋地域廣,各雷達距數據處理中心較遠,為保證雷達測量數據傳輸的實時性,目前采用的傳輸協議主要有異步串行通信協議和UDP/IP協議。雷達測量數據傳輸的幀速率因雷達體制的不同,從0.1幀/秒～20幀/秒不等,如表1所示。

表1 雷達測量數據接口協議通信特征

2.2.2 數據幀結構特征

雷達測量數據幀結構的特征反映了數據的編碼特性,涉及信息字段和數據幀編碼方式兩個方面。

1) 信息字段

雷達測量數據中包含的主要信息字段類型如表2所示。

2) 數據幀編碼方式

數據傳輸過程中常用的幀編碼方式有二進制編碼、文本編碼和混合編碼[5]。在戰場環境下,由于數據傳輸帶寬受限,為確保空情信息能夠準確、高效地傳輸,需要雷達上報的數據幀盡可能的小,因此雷達上報測量數據主要采用二進制編碼方式,包括按位編碼和按字節編碼兩種。

表2 雷達測量數據協議信息字段

2.2.3 字段特征分析

不同體制雷達測量數據包含的信息字段不同,且同一類型信息字段之間也存在字段長度、量化單位等方面的差異。在各類信息字段中,方位角和俯仰角字段具有一定的特殊性,主要表現在以下三個方面:

1) 一個圓周對應的密位數。不同雷達一個圓周對應的密位數可能不同。

2) 設備方位角的0密位對應的真北方向。某些雷達0密位沒有指向真北方向。

3) 雷達波束的掃描方向。大多雷達波束掃描方向為順時針方向,但部分雷達掃描方向為逆時針。

盡管不同雷達測量數據信息字段之間存在差異,但作為雷達數據幀組成的基本單元,各信息字段之間仍然存在一定的共性。通過對多種類型的雷達測量數據接口協議進行分析,數據幀信息字段主要共性特征如表3所示。

表3 協議信息字段特征

表3中“*”號標記的圓周量綱、真北方向和雷達波束掃描方向三個特征主要針對雷達測量空中目標方位角信息字段和俯仰角信息字段,用來處理部分體制雷達測量空中目標方位角信息和俯仰角信息的特殊性,僅當信息類型為方位角或俯仰角時有效。

3 接口協議的語義描述

3.1 基于RDF的語義描述

語義為數據的含義,基于語義的數據表示可以實現數據的自描述,最終目的是使數據可以被計算機自動處理。目前主要有基于XML的語義描述、基于RDF(資源描述框架)的語義描述[3,6]和基于OWL(本體描述語言)的語義描述[7]。本文采用基于XML的RDF對信息字段進行描述。

RDF采用“資源—屬性—值”三元組[8]描述資源所具有的屬性,通過RDF Schema(RDFS)以一種層次結構描述資源之間、屬性之間以及資源和屬性之間的關系。RDF中主要的概念[6,9]有:

· 資源—可以將資源視作任何對象,每一個資源都有一個通用資源標識符URI;

· 屬性—為一類特殊的資源,用于描述資源之間的關系,屬性仍用URI表示;

· 陳述—用于描述資源所具有的屬性,為“資源—屬性—值”三元組,其中值可以是資源也可以是文字等;

· 類—可看作元素的集合,為具體對象的抽象,具有層次結構和繼承性。

3.2 雷達測量數據接口協議模型

根據RDF的資源描述思想,雷達測量數據接口協議中的類包括測量數據接口協議、信息字段集合、信息字段、文字、數字等;屬性包括傳輸協議、幀速率、幀結構、編碼方式、包含、字段名稱、字段含義、字段數據類型、字段長度等。基于RDF和RDFS的雷達測量數據接口協議模型如圖2所示。

圖2 測量數據接口協議RDF語義描述模型

測量數據接口協議具有傳輸協議、幀速率和數據幀結構三種屬性,其中數據幀結構包含信息字段集合和編碼方式集合兩類值,信息字段集合包含多個具有名稱、信息類型、長度等表3中所描述屬性的信息字段,幀編碼方式包含按位編碼和按字節編碼兩類值。

3.3 接口協議的語義描述

基于RDF的雷達測量數據接口協議的語義描述為一個RDF文檔,由一個rdf:RDF元素構成,包含對所有類、屬性及相互關系的描述,對圖2中測量數據接口協議模型的描述如下:

〈rdf:RDF

xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"

xmlns:rdfs=http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#

xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/xmlschemas#"

xmlns:uni="http://www.mydomain.com/radar_protocl/uni"〉

//類型、屬性的定義

〈rdfs:class rdf:about="RadarProtocol"〉

〈rdfs:class rdf:about="FieldSet"〉

〈rdfs:class rdf:about="Field"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="FieldSet"〉

〈/rdf:class〉

〈rdf:class rdf:about="EncodingTypeSet"〉

〈rdf:class rdf:about="EncodingType"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" EncodingTypeSet "〉

〈/rdf:class〉

〈rdf:property rdf:about="TransportProtocol"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="RadarProtocol"〉

〈rdfs:range rdf:resource="&rdf; Literal"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FrameSpeed"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="RadarProtocol"〉

〈rdfs:range rdf:resource="&rdf; Float"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FrameStruct"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="RadarProtocol"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FieldName"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="Field"〉

〈rdfs:range rdf:resource="&rdf; Literal"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="FieldLength"〉

……

//協議描述

〈rdf:RadarProtocol rdf:about="Radar_1"〉

〈rdf:TransportProtocol〉RS232〈/rdf:TransportProtocol〉

〈rdf:FrameSpeed〉1〈/rdf:FrameSpeed〉

〈rdf:FrameStruct rdf:about="FieldsOfRadar_1"〉

〈rdf:FieldName〉FrameHead〈/rdf:FieldName〉

〈rdf:FieldLength〉1〈/rdf:FieldLength〉

……

〈/rdf:FrameStruct〉

〈rdf:EncodingType〉bit〈/rdf:EncodingType〉

〈/rdf:RadarProtocol〉

雷達接口協議描述的RDF文檔包括三部分:第一部分為命名空間的定義和引用,避免資源描述二義性;第二部分為類型、屬性的定義及關系的描述;第三部分為基于“資源—屬性—值”的接口協議的描述。

4 測量數據編解碼模型設計

4.1 信息字段編解碼函數庫的語義描述

由于編碼方式和信息字段的數據類型、含義等屬性的不同,需要針對不同的信息字段建立相應的編解碼函數庫,將各類函數作為資源,采用基于RDF的語義描述,其主要結構如下:

……

//類型定義

〈rdfs:class rdf:about="Encoding"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="Field"〉

〈/rdf:class〉

〈rdfs:class rdf:about="Decoding"〉

〈rdfs:domain rdf:resource="Field"〉

〈/rdf::class〉

//字段長度編碼函數

〈rdf:property rdf:about="Function1"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" FieldLength"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" Encoding"〉

〈/rdf:property〉

〈rdf:property rdf:about="Function2"〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" FieldLength "〉

〈rdfs:domain rdf:resource=" Decoding"〉

〈/rdf:property〉

……

通過定義類Encoding和Decoding對函數的類型進行限定,同時限定函數針對的字段屬性。

4.2 編解碼模型

基于RDF語義描述構建雷達接口協議庫[10～11],并根據對信息字段的描述,構建信息字段編解碼函數庫,在高精度定時器的驅動下,雷達測量數據和航跡數據之間的自動編解碼轉換模型如圖3所示。

圖3 測量數據和航跡數據自動編解碼轉換模型

4.3 編解碼流程

從雷達測量數據到航跡數據的解碼流程如圖4所示。

圖4 雷達測量數據解碼流程

首先,根據傳輸協議參數確定跟蹤雷達,并從接口協議庫中找到對應雷達的RDF描述文件;其次,根據雷達接口協議的語義描述對數據幀結構進行解析;第三,針對得到的數據幀結構及其所含字段的屬性信息,從函數庫中找到字段對應解碼函數的RDF描述文件,根據其中解碼函數的語義信息,調用相應解碼函數進行解碼;最后,對解碼數據進行坐標平移、轉換等處理后得到航跡數據。從航跡數據生成模擬雷達測量數據的流程與之相反,不同之處在于調用的函數庫為編碼函數庫。

5 結語

構建通用的雷達測量數據編解碼模型,實現雷達測量數據的自動編解碼,需要對雷達接口協議進行基于語義的描述,使計算機能夠自動識別、處理。本文采用基于RDF的語義描述方法,實現對雷達測量數據接口協議的語義描述以及信息字段編解碼函數庫的語義描述,構建編解碼模型,實現雷達測量數據的自動編解碼,可增強雷達組網的靈活性,并為通信協議的描述及數據處理提供了一種思路。

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[3] W3C. RDF Primer[S/OL]. http://www.w3.org/TR/2004/REC-rdf-primer-20040210/,2004,10.

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[11] Sergey Melnik. Storing RDF in a relational database[EB/OL]. http://www-db.stanford.edu/～melnik/rdf/db.html.

General Radar Measurement Data Codec Model Based on RDF

LIU Yinglong QIN Futong JIA Jiang XU Qiubo

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003)

Aiming at the interface protocol of radar measurement data after the secondary process, the common features of the interface protocol are analyzed and extracted from the data transmission and data frame structure. Based on this, the protocol description methods based on RDF are studied. A radar measurement data interface protocol description model is built, and a general radar measurement data codec framework is designed, which can support the automated code of measurement data and improve the flexibility of the radar netting.

resource description framework, semantic description, radar interface protocol description, codec model

2013年7月20日,

2013年8月31日

劉迎龍,男,碩士,工程師,研究方向:指揮控制、協議分析、數據處理。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.026