某型艦載雷達氣象通道檢測系統設計

張 波，陳巖申，張 堅，王新洲

(海軍青島雷達聲納修理廠，山東 青島 266100)

0 引言

某型艦用雷達是某型艦的主戰裝備，該型雷達除了完成對空對海搜索警戒、目標指示、多目標跟蹤等任務外，還針對需求，新增了氣象通道部分，兼顧氣象探測，并可以在綜合顯控臺設置氣象探測方式完成氣象探測功能。艦載雷達作為氣象信息獲取的新型裝備，因其作用距離遠、探測精度高、信息元素多而逐漸成為艦船氣象探測的主要裝備[1-2]。

氣象探測功能作為該型雷達的主要功能之一，在裝備使用過程中，常常要連續十幾個小時開機錄取氣象數據；同時，對于制導武器，云、雨、霧和風等都會對制導精度產生影響，從而影響武器系統的打擊精度[3]，這些都對氣象通道的可靠性、維修性和測試性提出了較高的要求。目前，裝備保障部門以及裝備承制單位沒有專用的檢測系統，維修人員大多憑借經驗通過更換備件的手段對該雷達氣象通道故障進行修理，在日常維護或定期檢修時無法對氣象通道展開專門的測試和維修，因此急需研制一套檢測系統以保障預防性檢修或臨搶修工作。

1 氣象通道系統結構及原理

某型艦載雷達氣象通道系統結構圖見圖1。

如圖1所示，氣象通道系統由氣象處理機柜和氣象顯示終端兩個機柜組成。雷達在氣象探測模式下，發射時，方位按一定角度間隔，仰角按雷達指定的仰角發射信號。接收時，從雷達接收機輸出的和路I、Q各16位數字中頻信號送至氣象處理機柜的氣象信號處理板，由氣象信號處理板和加固計算機進行處理后，生成氣象基數據(強度、速度、譜寬)，通過以太網發送到氣象顯示終端進行數據處理，生成最終的氣象基本數據產品、物理量產品和風場產品[4-7]。

氣象處理機柜實時接收雷達內網轉發的時統、導航信息及雷達相關參數，經以太網送給氣象顯示終端，并接收雷達終端臺發送的氣象控制指令。氣象處理機柜同時要向雷達終端臺轉發氣象顯控臺通訊狀態信息，向終端臺發送心跳報文。

氣象顯示終端的任務是接收氣象處理機柜送來的氣象原始基數據流，利用專業氣象算法，氣象顯示終端軟件完成氣象一次、二次產品的生成與顯示；另一個任務是把處理好的氣象產品數據轉換成綜合水文系統所需要的數據格式，并通過網絡傳輸給指定的服務器中。

2 檢測系統硬件設計

某型艦載雷達氣象通道檢測系統主要由主控計算機、測試軟件以及配套的轉接電纜構成，可用于氣象處理機柜和氣象顯示終端之間氣象基數據流的檢測和模擬，實現通道故障分析、隔離以及用于裝備技術狀態檢查。 檢測系統能夠接收氣象處理機柜發出的氣象基數據，或者發送已知的氣象基數據給氣象顯示終端，通過分析氣象基數據的格式、內容，判斷其有效性。在氣象處理機柜和氣象顯示終端之間氣象基數據傳輸、氣象產品生成和顯示出現異常時，通過使用檢測系統可以快速有效的引導技術人員對信號處理機柜和氣象顯示終端的工作狀態做出判斷，可以方便快捷的隔離故障。

2.1 硬件總體結構設計

氣象處理機柜中的計算機板、網絡板和氣象顯示終端的加固計算機均為標準的CPCI計算機設備，從雷達使用來看，雷達在正常加電過程中可以從顯示畫面觀察到計算機設備是否正常工作，而接收機、氣象處理機柜的氣象處理板和接口板的檢測可通過艦載雷達機內自檢實現。

氣象顯示終端的外網通信包括基于UDP協議的與雷達信號處理器的數據傳輸，鑒于UDP是一種無連接的、不可靠的傳輸層協議，以及作戰網絡的復雜性，檢測系統需要進行網絡通信狀態的測試，快速隔離網絡通信、數據傳輸故障[8-9]。檢測系統硬件總體結構示意圖如圖2。

圖2 檢測系統硬件總體結構示意圖

2.2 硬件技術方案

在硬件選型方面，檢測系統選用便攜式加固計算機作為主控計算機，計算機具備10 M/100 M自適應以太網接口，符合IEEE802.3通訊協議。以通用計算機平臺為核心，用以太網通信接口完成數據傳輸功能，配套專用適配連接電纜，構成了本項目硬件系統的技術方案。在主控計算機中分別安裝氣象數據模擬器軟件和基數據格式檢測軟件。

運行氣象數據模擬器軟件時，檢測系統模擬雷達信號處理機柜的工作方式，通過以太網絡以UDP協議向氣象終端發送雷達徑向氣象基數據流，氣象終端接收數據流并完成產品生成與顯示，由于模擬器發送是標準的數據格式，可以用來檢測氣象終端的技術狀態，硬件連接關系見圖3。

圖3 基數據模擬檢測的硬件連接關系

運行氣象數據格式檢測軟件時，通過對數據包對應的數據位進行逐一識別，依據數據格式要求，判斷報文的有效性，給出軟件運行日志及檢測報告，檢測雷達信號處理機柜的工作狀態及進行故障定位，硬件連接關系見圖4。

圖4 氣象數據格式檢測的硬件連接關系

3 檢測系統軟件設計

3.1 軟件系統總體設計

3.1.1 操作系統的選擇

操作系統選擇是軟件設計的重要組成部分。為便于檢測系統的功能擴展和保證可移植性，本項目操作系統采用Windows XP操作系統開發軟件。

3.1.2 開發環境的構建

選擇了Windows XP作為本設備的操作系統后，就需要建立相應的軟件開發環境。軟件設計使用VC2010開發環境，軟件采用C/C++語言開發進行開發，按照不同用處劃分進行功能模塊化。各個模塊做成插件，并能夠在框架中集成重構。軟件的網絡編程使用Windows標準的Socket網絡通信方式。根據網絡數據傳輸需要，安裝了必要的網絡數據抓包，網絡測試等工具。

3.1.3 檢測軟件的開發

檢測軟件設計采用結構化分析方法，自頂向下逐層分解。經過多次逐層分解，每個底層的問題變得簡單，容易解決。例如，氣象基數據模擬檢測,就是把雷達體掃數據,按照體掃數據結構、仰角層數據結構、徑向數據結構、距離庫數據結構逐層分解[10]；數據格式檢測就是對每個底層距離庫數據進行逐一數據結構檢測。

3.1.4 人機接口程序開發

人機接口程序主要為系統使用人員、系統管理人員、系統評估人員、其它交互設備及系統等用戶提供可視化的交互使用界面。

3.2 軟件技術方案

檢測系統軟件主要包括氣象數據模擬檢測軟件和氣象數據格式檢測軟件兩部分。

3.2.1 氣象數據模擬檢測軟件技術方案

氣象數據模擬檢測軟件具備把雷達實際工作中采集到的天氣過程數據，按照雷達信號處理器實際工作方式，以基數據流的形式進行回放，用于檢測氣象終端數據接收和處理能力，網絡狀態以及裝備運行狀態，同時可以進行模擬實戰訓練，培訓教學、歷史數據分析等。氣象數據模擬檢測軟件主要包括以下5個功能模塊。

1)插件管理功能模塊：管理各模塊插件動態庫，模塊接口轉換處理；

2)網絡通信功能模塊：負責UDP網絡通信；

3)數據選擇設置功能模塊：選擇回放數據，設置回放參數；

4)數據回放功能模塊：回放所選擇體掃數據；

5)LOG記錄功能模塊：存儲、顯示軟件運行記錄。

氣象數據模擬檢測軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 氣象數據模擬檢測軟件功能框圖

3.2.2 氣象數據格式檢測軟件技術方案

在系統運行異常時，氣象數據格式檢測軟件用于解析雷達基數據格式，判斷數據格式的正確性以及數據的有效性，給出相應的說明。同時具備基數據分析、診斷功能，實現檢測報告自動管理。氣象數據格式檢測軟件主要包括以下6個功能模塊。

1)插件管理功能模塊：管理各模塊插件動態庫，模塊接口轉換處理；

2)網絡通信模塊：負責UDP網絡通信，檢查網絡通信是否正常；

3)數據接收功能模塊：負責接收來自信號處理器的雷達數據；

4)數據檢查功能模塊：檢查信號處理器數據長度、各數據段是否處于正常范圍；

5)報表管理功能模塊：完成測試報告生成、存儲、查詢等功能；

6)LOG記錄功能模塊：存儲、顯示軟件運行記錄。

氣象數據格式檢測軟件軟件功能框圖如圖6所示。

圖6 氣象數據格式檢測軟件功能框圖

3.3 軟件技術內容

本項目以艦載雷達氣象通道為具體檢測目標，提出針對雷達氣象信號處理機柜與氣象顯示終端之間的氣象基數據進行檢測的技術方案。在軟件開發過程中涉及到的主要技術內容包括：

1)艦載雷達氣象體掃數據文件和氣象基數據格式的分析；

2)基數據模擬檢測軟件功能需求分析與實現；

3)基數據格式檢測軟件功能需求分析與實現。

3.3.1 艦載雷達氣象體掃數據文件和氣象基數據格式的分析

氣象通道的數據格式中，對報文有嚴格的規定，必須符合艦載雷達規定的接口協議。

報文類型有兩種：掃描數據頭和徑向數據。艦載雷達氣象處理機柜向氣象顯示終端傳送一個完整的體掃數據文件，需要發送1 446個符合UDP規范的數據包，包括6個掃描數據包和1 440個徑向數據包。

掃描數據頭文件包括工作方式、天氣模式以及掃描開始時間，格式中對該數據頭報文都有具體的規定值，是基數據模擬檢測軟件對回放的起始標志。

徑向數據包包括數據來源的方位、仰角、經緯度、橫搖、縱搖、航向、航速，是數據的主要屬性，其數據結構見表1。

3.3.2 基數據模擬檢測軟件功能需求分析與實現

基數據模擬檢測軟件功能具備將艦載雷達獲取的歷史氣象體掃數據，模擬雷達工作的實際運行方式,以徑向數據流的形式生成模擬數據，按照雷達信號處理器輸出約定格式回放歷史數據，通過以太網絡，傳輸至氣象顯示終端。

表1 徑向數據包數據結構

模擬檢測所用的數據采用來源于艦載雷達的歷史天氣數據，模擬檢測軟件僅對其進行拆包,而不采取完全人為“模擬”，簡化了模擬難度，必要時可實時注入錯誤數據，用于檢測氣象顯示終端的數據處理功能和技術狀態。

基數據模擬檢測軟件主界面布局見圖7。

圖7 數據模擬檢測軟件的主界面布局

3.3.3 基數據格式檢測軟件功能需求分析與實現

由于網絡通信的復雜性和UDP傳輸的不可靠性，可能會造成數據包的丟失，因此，需要對數據包的完整性、準確性進行檢測，判斷數據包傳輸是否正常。

數據包傳輸的數據長度、工作模式、天氣模式、時間格式、方位、俯仰、經度、緯度、縱搖、橫搖、航向、航速等類型數據在數據組合過程中可能出現數據錯誤，因此需要對數據的有效性進行檢測。氣象數據格式檢測軟件主要功能需求是實現數據包完整性和數據有效性檢測。

數據格式檢測軟件先檢測網絡是否滿足要求，再通過網絡接收雷達信號處理發來的UDP報文，通過對數據包對應的數據位進行逐一識別，并依據數據結構和數值要求，判別數據的有效性，給出日志及檢測報告，出現數據異常時，通過數據錯誤類型，進行故障定位。數據格式檢測軟件主要用到了數據接收插件、任務機控制組件。

數據格式檢測軟件流程圖如圖8所示。

圖8 數據格式檢測軟件流程圖

3.4 軟件關鍵技術

艦載雷達氣象通道檢測系統軟件開發的主要技術特點是：模塊化開發，便于故障定位以及升級維護；部分代碼使用原氣象終端系統代碼模塊，穩定可靠；測試報告內容詳細，定位明確，便于故障診斷。采用的關鍵技術如下。

3.4.1 網絡報文監控技術

由于數據格式檢測軟件主要是通過網絡接收氣象通信號處理器發來的徑向數據流，因此基于底層數據格式的監控更有利于檢測被測數據流。數據在接收時進入數據格式分析模塊，分辨數據長度、類型、數據有效性等關鍵信息，形成日志及報文信息，存儲于文件中。

3.4.2 模擬數據生成與回放技術

把雷達探測到的歷史體掃數據文件分割成一個個數據單元，并按照數據存儲順序逐一回放，并實時注入多種類型的故障信息，是數據模擬檢測軟件解決的重點問題。

4 實驗結果與分析

為了檢驗艦載雷達氣象通道檢測系統各功能及可靠性，項目組在完成研制工作后分別進行了軟件性能測試和硬件性能測試實驗。軟件性能測試包括單元測試、用戶界面測試、系統集成測試、性能測試、回歸測試，測試結果表明，該系統軟件符合設計使用要求。檢測系統的硬件主要是主控計算機和專用適配電纜，經過使用驗證表明，該系統的硬件選型、電纜制作符合設計方案要求。

艦載雷達氣象通道檢測系統軟件性能測試和硬件性能測試完成后，項目組結合某型艦用雷達技術狀態檢查、平時裝備保障和任務期間裝備保障工作，對該檢測系統進行了應用實驗，實驗結果如下：

1)使用該檢測系統能夠快速定位氣象處理機柜和氣象顯示終端故障，適用于氣象顯示終端的測試和故障隔離。應用期間，使用該設備隔離、定位氣象顯示終端網絡通信故障1次，對裝備進行技術狀態檢查4次；

2)該檢測系統性能穩定，工作可靠，運行狀態良好，應用期間未發生任何故障。檢測系統技術資料完整，人機界面友好，易于操作，配備的接口連接電纜齊全；

3)檢測系統氣象數據模擬檢測軟件能夠按照雷達工作方式回放氣象基數據，可用于氣象終端數據的接收、處理檢測以及網絡狀態監測；氣象數據格式檢測軟件具備氣象基數據格式解析功能，可用于判斷數據格式的正確性和有效性，并給出測試結果，為技術人員分析故障提供技術支持。

5 創新點

1)采用實測氣象基數據和故障信息隨機注入融合的數據模擬方法，保證了氣象基數據的有效性和高度的真實性。把雷達探測的實際回波數據作為模擬數據源，保證模擬的氣象數據與氣象通道實際工作模式匹配，簡化了模擬數據產生難度，同時也充分保證了模擬數據的有效性。可以隨機進行實時錯誤數據模擬，在回放數據時，模擬設置的錯誤數據，自動替換數據流中的對應數值，而實際回波數據文件不被破壞，從而實現故障信息模擬。回放注入故障信息的模擬數據可用于驗證氣象終端的應用軟件對異常數據的響應能力，實現對氣象終端應用軟件接收非正常數據時處理能力測試。

2)采用逐位檢測數據結構技術，實現基數據快速掃描檢測，解決大數據量體掃氣象數據實時解析難題。針對氣象基數據體掃數據文件解析數據量大的問題，通過全面分析徑向數據結構的構成特點，采用了逐位檢測數據結構技術，僅檢測數據的有效性，僅對異常數據進行識別，達到快速掃描體掃數據文件和定位故障的目的。

6 結束語

項目組經過調研論證、方案設計、工程研制等階段，解決了基數據獲取、分析，網絡報文監控，IP地址綁定，模擬數據生成和回放，異常基數據診斷等技術問題，成功研制了適用于某型艦的艦載雷達氣象通道的檢測系統。設備分別在氣象雷達承制單位和某型艦船的雷達技術狀態檢查、平時裝備保障和重大任務裝備保障工作進行了應用，應用結果表明，該檢測系統可作為有效的輔助維修手段，可推廣應用于基地級修理單位、基層部隊，具有重要的軍事和經濟效益。