某型任務實時測控軟件系統設計?

于古勝 朱 丹 卞光浪

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

“實時”是指對隨機發生的各種外部事件能夠做出及時的響應和迅速的處理［1］。實時測控軟件系統是一個具有多進程多線程體系結構、信息流量大、接口關系復雜、實時性強、可靠性高的大型應用軟件系統［2］。它是靶場測控系統的核心，在飛行器試驗任務中承擔測量數據實時處理、航區安全控制、試驗指揮顯示、測量裝備數字引導、準實時數據處理和基地間信息交換等重大使命［3］。某型飛行器具有射程遠、機動能力強、可多發連射的特點，為完成該型試驗任務，迫切需要研制具有跨區多目標測控能力的高可靠性實時測控軟件系統。

2 系統總體設計

2.1 系統設計要求［4］

針對試驗任務需求，以設計功能完備、性能可靠的實時測控軟件系統為目標，總的設計要求是，研制的實時測控軟件系統推廣應用性強，既滿足當前試驗任務需求，也能夠用于未來新型飛行器試驗任務。主要功能具有通用性，結構松散，功能獨立，功能模塊之間高內聚、低耦合。通用數據類型和對象統一設計，便于共享。軟件界面友好，操作直觀便捷。

1）符合軟件工程及有關國軍標要求，并采用成熟先進的軟件開發技術；

2）滿足不同航路的試驗實時數據處理、航區安全控制、試驗指揮顯示等功能需求；

3）強化分布式處理技術，將實時數據記錄、安全故判任務分別由監管工作站軟件配置項和安控臺軟件配置項承擔；

4）設計成雙工雙網實時多目標測控軟件系統，具有自檢、故障檢測診斷和異常處理功能；

5）貫徹實時性原則，確保實時數據處理軟件分系統有30%的機時余量；

6）強調友好的人機界面、明確的操作定義、清楚和精確的信息顯示、操作簡單可靠、自動化程度高；

7）程序設計文檔應規范、齊全，便于閱讀、修改、追蹤，能進行改正性維護、適應性維護、完善性維護和預防性維護；

8）軟件系統設計應滿足下列各項質量要求：實時性要求、可靠性要求、性能與效率要求、易用性要求、維護性要求、可移植性要求、安全要求，測試要求、文檔要求和管理要求。

2.2 系統硬件平臺

系統運行的硬件平臺是指控及顯示系統，由中心機、安控和指揮顯示硬件組成。系統硬件結構如圖1所示。

2.3 軟件系統體系結構設計［5］

某型任務實時測控軟件系統按照測控總體技術要求和功能需求設計為五個軟件分系統。即實時數據處理軟件分系統、試驗指揮顯示軟件分系統、安控軟件分系統、仿真軟件分系統和準實時數據處理軟件分系統。系統體系結構如圖2所示。

3 系統功能設計

3.1 實時數據處理軟件分系統設計［6］

實時數據處理軟件分系統是測控軟件的核心部分，主要作用是實時完成遙測軌跡和外測軌跡的數據處理、測控裝備的數字引導、試驗指揮顯示數據加工、場際間信息交換等任務。同時承擔校飛、合練、測量數據模擬和過程重演等任務。實時數據處理軟件分系統包括3個軟件配置項：中心機軟件、顯示工作站軟件、監管工作站軟件。

1）中心機軟件主要功能：完成外測數據加工和軌跡計算；完成遙測數據處理和軌跡計算；實時提供數字引導，引導測量裝備捕獲跟蹤目標；計算加工和組織試驗指揮顯示系統所需要的各種信息；能夠按規定的格式提供場際通信信息；能夠模擬測控信息輔助調試并能事后重演實時過程。

2）顯示工作站軟件主要功能；以多畫面形式提供飛行器飛行軌跡，及測控裝備和網絡各主機工作狀態，供指揮及技術人員監視和分析數據質量。

3）監管工作站軟件：根據實時接收到的測量數據，分析每臺測控裝備工作段落和數據質量，給出每臺裝備跟蹤時間段落，根據不同用戶的需求，快速給出遙、外測軌跡處理結果。

進入中心計算機的多路外測信息，經中心計算機擇優選擇后，計算軌跡，為裝備引導提供實時信息。因此，實時數據處理軟件分系統具備測控裝備數據輸入輸出處理、系統誤差修正、坐標變換、交匯定位、平滑微分、參數推算、精度估計和結果報告輸出打印等功能。

實時數據處理分系統接口和信息交換關系見圖3所示：

3.2 安控軟件分系統設計

安控軟件分系統主要作用是為安控指揮人員提供被測目標飛行的實時狀態，當被測目標在飛行中發生故障時可對其采取安全控制措施，保證試驗航區的安全。安控軟件分系統包括3個軟件配置項：安控臺軟件、安控顯示工作站軟件、安控投影工作站軟件。

1）安控臺軟件功能：能夠實時處理兩個飛行目標的安控信息。根據外測和遙測信息，給出任何一個目標飛行軌跡超過自身的安全管道和超必炸線信息，并能夠以聲、光發出報警信息；具備向遙控站發送和接收遙控指令功能。

2）安控顯示工作站軟件功能：接收主干網中心機外測遙測處理結果，以圖表方式為安控指揮員提供監視顯示信息。

3）安控投影工作站軟件功能：接收主干網中心機外測遙測處理結果，以數字地圖為背景在安控投影屏幕上顯示，供安控指揮員監視目標飛行狀況。

3.3 試驗指揮顯示軟件分系統設計［7］

試驗指揮顯示軟件分系統主要完成遙測和外測軌跡參數、遙測遙控指令及飛行器飛行情況的顯示，為試驗指揮人員提供試驗信息的顯示。試驗指揮顯示軟件分系統包括6個軟件配置項：指顯服務器軟件、指顯工作站軟件、指顯投影工作站軟件、LED顯示軟件、指顯監管工作站軟件、試驗方案多媒體演示軟件。

1）指顯服務器軟件功能：按照一定的頻率從主干網上接收中心機發送的指揮顯示數據，分類組成顯示工作站信息包，通過指顯網發送給顯示工作站。

2）指顯工作站軟件功能：接收指揮顯示網上顯示服務器發來的標準顯示信息包，分類以多畫面可選方式顯示外測、遙測處理結果數據和測控設備工作狀態數據。

3）指顯投影工作站軟件功能：從指顯網上接收顯示服務器提供給大屏幕顯示的數據，接收大屏幕顯示的實況信息，提供大屏幕顯示信息源。

4）LED顯示軟件功能：能夠接收顯示服務器提供的和終端輸入的LED屏顯示信息，主要包括時間和氣象信息。

5）指顯監管工作站軟件功能：主要功能是管理指揮顯示網，對指揮顯示網的工作狀態進行監測和配置管理。

6）試驗方案多媒體演示軟件功能：通過WEB服務的方式向指顯工作站發布試驗方案信息。

3.4 仿真軟件分系統設計［8］

仿真軟件分系統主要作用是仿真參試測控設備數據和各種航跡信息，用于軟件系統調試。

仿真軟件分系統包括兩個軟件配置項：軌跡數據仿真軟件和測量信息仿真軟件。

1）軌跡數據仿真軟件功能：理論軌跡數據仿真功能、故障軌跡數據仿真功能和數據發送功能，用于調試和檢測實時數據處理軟件分系統和安控軟件分系統。

2）測量信息仿真軟件功能：測量信息仿真功能、發送仿真信息功能、顯示仿真信息功能、保存仿真信息功能、人機交互功能、系統初始化功能和結束處理功能。

3.5 準實時數據處理軟件分系統設計

準實時數據處理軟件分系統主要用于試驗結束后，根據實時接收到的測量數據，分析每臺設備工作段落和數據質量，給出每臺設備跟蹤時間段落，根據不同用戶的需求，快速給出遙、外測軌跡處理結果，為首長和專家試驗后迅速進行試驗結果評估和進行輔助決策提供依據。準實時數據處理軟件分系統包括兩個軟件配置項：測量數據分析軟件、軌跡數據處理軟件。

1）測量數據分析軟件功能：具備對所有參試的測控裝備獲取的實測數據進行分析的功能。

2）軌跡數據處理軟件功能：主要完成實時軌跡數據和測量數據的采集，形成數據文件，進行數據處理、軌跡計算、精度分析和繪制曲線，并形成結果報告。

4 系統設計關鍵技術

4.1 采用基于網絡分布處理技術，有效整合測控資源，首次實現了飛行器大射程、超低空飛行的全程測控

針對試驗任務需求，設計功能完備的實時測控軟件系統是本系統設計的基礎。系統的五個分系統結構及軟件運行平臺各不相同，功能由分布在不同地域指控中心的中心機、安全控制和指揮顯示分系統分工協作完成實時數據處理、航區安全控制和試驗指揮顯示等任務。如何利用網絡實現不同平臺的信息交換和數據共享是系統設計中的一個重點問題。根據各分系統的特點，系統采用Unix、MS-VC++、Linux和Mapinfo Pro多平臺編程技術，在中心計算機Tru64_Unix平臺支持下，設計了實時數據處理軟件；在MontaVista linux平臺上研制了通信控制軟件；在Mapinfo Pro平臺上完成了監測專用數字地圖的制作和地圖應用接口軟件的設計；在顯示工作站MS-VC++平臺上研制了指揮顯示軟件；在Matlab平臺開發準實時數據處理軟件。在考慮系統整體結構的基礎上，合理設計各分系統間的接口關系和信息交換協議，采用分布式結構、對象連接和嵌入技術、網絡SOCKET編程技術，較好地實現了系統中不同平臺之間信息交換和數據共享，有效整合測控資源，實現了大射程、超低空飛行的飛行器的全程測控［9］。

4.2 采用測控信息分區優選處理，基于網絡的多進程、多線程和冗余處理技術實現了多目標飛行器的實時數據處理和數字引導

設計性能可靠、具備雙目標實時處理能力的軟件系統是系統設計的核心。系統采用測量設備分型號接力跟蹤，分布等待、冗余處理的多起飛零點識別處理方法，測控信息分區優選處理和基于網絡的多進程、多線程編程等技術，實現了多目標潛射飛行器飛行試驗實時數據處理和數字引導［10］。系統利用UNIX操作系統內核的實時搶占功能和提供的實時編程接口（POSIX 1003.1b）確保了系統的實時性。系統各線程采用共享內存區的方式進行通信。為了確保數據的一致性、避免死鎖，提高系統的實時性，采用對線程間握手加讀寫鎖方法，一個模塊在讀取數據時，首先占有鎖，不允許其它模塊對這個數據進行讀寫操作，直到該模塊數據讀寫完畢，釋放鎖為止。通過控制讀寫鎖，實現各部件讀寫同步，避免破壞對象中的狀態信息，從而有效地保證了多目標測控數據的完整性。

4.3 合理設計復雜航路下的航區安控策略，首次實現了不同地域指控中心對同一目標進行交錯、接力安控

研究復雜航路下的航區安控策略，設計高可靠性的安全控制系統是本系統設計關鍵。針對飛行器大射程、超低空飛行、試驗航區保護目標多的特點，單一指控中心很難完成多目標飛行試驗全程的安全控制任務。必須由兩個以上指控中心共同完成安全控制任務。設計復雜航路下的安全控制策略是本系統設計的一個難點。在系統的安全控制策略設計中，根據兩個指控中心任務分工不同，使兩地安控臺擔任不同的安控角色，將安控臺的工作模式分為主、副兩種模式，共同完成雙目標飛行試驗航區安全控制任務。當以甲指控中心為主實施安控任務時，甲安控臺設為主模式。當以乙指控中心為主實施安控任務時，甲安控臺應設為副模式。當兩地指控中心劃分區域各自獨立實施安控任務時，甲安控臺設為主模式。通過采用不同地域指控中心對同一目標進行交錯、接力的安全控制方法，滿足了飛行器飛行試驗可靠性需求。另外，采用兩路異步通信和IP網絡通信的數據作為安控信息源，設計末制導雷達捕獲目標后實時數據分析處理技術，增加了真假目標識別功能，提高了航區安全控制的可靠性。

4.4 采用指揮顯示信息轉發控制和融合顯示技術，為試驗指揮決策提供可靠支持［11］

設計直觀、高效的指揮顯示系統，為試驗指揮決策提供支持是本系統設計的重點。實時測控軟件系統采用雙工雙網模式，網絡結構復雜。為了有效規避外部通信網對指揮顯示網的影響，系統采用指揮顯示信息轉發控制技術，通過設置前置服務器方法，利用信息轉發控制軟件對指揮顯示數據進行存儲轉發，實現指顯網和外部網的邏輯隔離，有效避免了外部通信網絡風暴對指顯網的沖擊。警戒雷達通常用于執行海上警戒任務，用來監視試驗航區內艦船活動情況，分布在某海域沿岸。系統采用拼接融合技術，將某海域的警戒雷達測量信息通過串行接口實時傳輸給試驗指揮顯示分系統融合顯示［12～13］，為試驗指揮人員提供直觀、有效的試驗航區狀況，使指揮決策更具實效性和科學性。

5 結語

針對某型飛行器大射程、跨區測控的試驗需求，研制了功能完備、性能可靠的實時測控軟件系統，首次實現了某海域試驗聯合測控的實時數據處理、試驗指揮顯示和航區安全控制，拓展了海上靶場綜合試驗能力。該系統是測控系統的核心和連接某海域測控裝備共同完成某型飛行試驗全航區實時數據處理和安全控制的紐帶，為完成某型試驗任務和某海域一體化測控能力的形成做出了突出貢獻。