空基信息系统分层模型及数据互操作研究

吴永胜, 李博骁

(中国电子科学研究院 北京 100041)



空基信息系统分层模型及数据互操作研究

吴永胜, 李博骁

(中国电子科学研究院 北京 100041)

描述了空基信息系统的发展历程，参照互联网分层模型提出了空基信息系统的分层模型，支持空基信息系统平台间协同应用和互操作设计.针对空基信息系统的互操作需求，描述了数据服务层的设计，以支持数据互操作.

空基信息系统; 分层模型; 数据服务层; 数据互操作

0 引言

根据信息系统部署方式的不同，可分为陆基信息系统、海基信息系统、空基信息系统和天基信息系统[1]. 其中空基信息系统通常以100 km高度以下(大量集中于20 km以下)的飞行器和浮空器平台为载体，可以在数小时、甚至数分钟内升空，快速反应能力远远优于地基、海基和天基信息系统，可以快速部署至热点地区，甚至出动至远海地区.

为满足防空预警、机动作战、远程进攻不同的作战样式，空基信息系统需具有预警探测、控制引导、战场管理、信息传输、打击评估等功能. 因此监视雷达、航管雷达、敌我识别器、电子侦察、电子对抗、通信侦察、红外侦察、SAR、通信电台、指控等逐步加装在空基平台，推动空基信息系统由预警探测单角色至战场管理等多角色的转变.

随着数字阵列技术、传输网络、高性能计算机、宽带数据链等技术的发展和应用，传统的雷达、侦察、对抗等设备逐渐融合，空基信息系统的发展出现多元化、综合化、一体化的发展趋势，根据功能划分的界限逐渐模糊.

随着预警机、侦察机、电子战飞机、通信干扰机、对地监视飞机、心理战飞机、反潜机、歼击机、轰炸机、无人机、浮空器等一系列空基信息系统的部署，为满足多样化的作战应用，多平台间协同应用和互操作成为急需研究的课题[2]，将数据服务层独立作为类中间件可提高分布式多平台系统之间的信息共享能力与互操作能力[3].本文从作战应用出发，参照5层因特网协议栈，建立空基信息系统的分层模型，从支持互操作设计角度描述了数据服务层的设计.

1 互联网分层模型分析

互联网的迅猛发展得益于“开放系统互联基本参考模型”的制定，使计算机网络体系结构实现了标准化. 随着互联网的发展，目前应用最广泛的模型是互联网分层模型，共有5层：应用层、传输层、网络层、链路层和物理层.

(1) 应用层.支持网络应用，应用协议仅仅是网络应用的一个组成部分，运行在不同主机上的进程则使用应用层协议进行通信，主要协议有：Http，Ftp，Telnet，Smtp，Pop3等.

(2) 传输层.负责为信源和信宿提供应用程序进程间的数据传输服务，这一层上主要定义了两个传输协议，传输控制协议即TCP和UDP.

(3) 网络层.负责将数据包独立地从信源发送至信宿，主要解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题.

(4) 数据链路层.负责将IP数据包封装成合适在物理网络上传输的帧格式并传输，或将从物理网络接收到的帧解封，取出IP数据包交给网络层.

(5) 物理层.负责将比特流在节点间传输，即负责物理传输.该层的协议既与链路有关也与传输介质有关.

2 空基信息系统的分层模型

空基信息系统节点数目多、类型多，各节点及节点上的应用功能均由不同厂商研制，各功能组件间交联关系复杂，如不规范研制过程，制定分层架构模型，会导致各承研单位以自身功能实现为目的，致使空基信息系统各节点间协同、互操作困难.

空基信息系统作战任务多样，而任务的执行需要通过相应的空基平台、设备以及其上驻留的功能组件实现，因此多样化任务对应于多样化网络信息活动[4]，即通过网络化探测、侦察、定位、跟踪、控制、打击和评估等信息活动实现空基信息系统功能.

通过对功能组件功能、输入输出关系、运行时序的研究，开展空基信息系统的分层模型研究，分层模型各层功能保证相应功能、性能，以支撑空基信息系统在分层模型基础上的网络化信息活动.

将空基信息系统划分为6层：应用层、数据服务层、传输服务层、网络层、数据链路层和物理层，支持以数据为中心、服务化、可重构的系统架构设计；相比互联网分层模型，增加数据服务层以支持空基信息系统平台间的互操作设计.

基于作战任务的系统之系统分层架构模型(SOS)，如图1所示.

图1 空基信息系统分层模型Fig.1 Layered model of airborne information system

应用层：从预警探测、综合识别、定位跟踪、控制引导、打击评估和基础服务等几个方面开展系统应用设计，根据功能差异开展模型和逻辑设计以提高组件的高内聚.

数据服务层：通过作战任务、应用分析，梳理出空基信息系统的元数据、业务流，根据业务需求提出基础类数据、控制类数据、情报类数据、监控类数据、指挥引导与协同数据、火力打击类数据的数据结构、数据元素、数值范围和数据的组织方式，并研究以服务化的方式为各功能应用提供支撑，以支持系统的互操作设计.

传输服务层：通过远程过程调用、发布/订阅、窄带传输控制等机制提供功能组件端到端的数据传输能力，提供满足应用需求的服务等级；通过有线/无线网络带宽的有效运用，提高系统的运行效率.

网络层：通过邻里发现协议、已知移动信息路由协议(MARP)和移动信息洪泛协议(MDP)进行空基信息系统路由表的维护；通过链路监视信息开展拥塞控制、流量控制管理，实现在多链基础上的负载均衡设计.

数据链路层：实现将IP数据转换为适合相应数据链传输的帧格式，根据链路的传输特性开展数据转换、数据压缩、链路监视和链路选择等功能设计.

物理层：负责协议数据在节点间传输，主要通过战术数据链、宽带数据链和武协链等无线数据链进行传输.

3 数据互操作设计

空基信息系统互操作能力反映的是系统自身可以达到的互操作水平，该水平主要是由系统采用的技术、标准、结构等决定的[5].按照LISI模型，影响系统互操作能力最关键的属性主要是规程(P)、应用(A)、基础设施(I)和数据(D).作为实现空基信息系统服务化的核心，本文从数据(D)方面入手开展研究.

基于空基信息系统分布化网络化的特点，数据互操作主要通过多平台间数据发现、数据访问、数据解析、数据管理等功能为系统提供分布式的数据信息服务. 数据互操作涉及数据信息基础建设、管理和应用等多方面，建议从数据信息标准体系和分布式服务化的应用方式两部分开展研究.

(1) 数据信息标准体系

实现空基信息系统的数据共享必须具有一致性的基础数据，尤其随着空基装备的迅猛发展并逐步装备，应以空基信息系统基础信息标准为方法推进基础数据建设. 参照科技部发布的科学数据共享工程技术标准，主要包括指导性标准、通用标准和专用标准3部分，通过顶层作战使用研究、空基平台应用研究逐步细化至交互数据需求，从而为基础数据建设提供支撑，其标准体系框架如图2所示.

图2 空基信息系统基础数据标准体系Fig.2 Basic data standards of airborne information system

指导性标准作为顶层输入，规范了从顶层开展作战使用研究分解至交互数据需求的方法，并给出了提供数据服务的方法，并对名词术语进行了约束.

通用标准作为实现数据服务的核心，规范了元数据和数据元素字典标准，从提供发现、访问、解析和管理等方法方面进行了描述.

专用标准作为业务领域的规范，制定了传感器、信息融合、指控、打击、监控和环境等方面的数据组成要素.

图3 数据服务层
Fig.3 Data service layer

(2) 分布式服务化应用

在SOA架构的基础上以服务化方式提供数据服务，构建提供数据发现、访问、解析和管理等方法的数据服务层，数据服务层框图见图3.

数据发现采用服务注册的方式，注册后的数据信息将与基础数据库信息进行类型比对，针对不符合空基信息系统基础数据标准体系的数据将注册失败，以此保证空基信息系统多平台间数据互操作；注册后，将形成数据信息名录，用于检索、发现.

数据访问采用服务化方法对外提供增、删、改、查等接口，可实现空基信息系统多平台间数据的互操作，通过基础数据的分类管理，可通过类型实现对数据块的操作，提高了信息交互效率.

数据解析根据平台间信息需求的差异以及传输信息数据链路的差异，需要进行数据的转换、解析处理，从而提供一致化服务.

数据管理主要实现空基信息系统平台间数据的分布式管理，根据数据信息的类型、同步周期、优先级建立分布式管理模型，进一步提高平台间信息访问效率，实现平台间的数据同步管理.

4 结束语

构建空基信息系统的分层模型提高空基信息系统平台间的协同应用和互操作的基础，数据互操作设计更进一步理清了平台间互操作的数据基础. 本文借鉴互联网分层模型提出空基信息系统的分层模型，并针对不同层的应用方式进行了介绍，对空基信息系统设计具有一定的借鉴意义. 参照PAID评价方法，本文从数据(D)角度进行互操作设计并给出了数据服务层的构建方法. 然而，空基信息系统的互操作还需要从P(规程)、A(应用)、I(基础设计)等多方面开展进一步研究.

[1] 陆军，郦能敬，曹晨, 等．预警机系统导论[M]．2版.北京：国防工业出版社，2011．

[2] 刘波，沈齐，李文清．空基预警探测系统[M]．北京：国防工业出版社，2012．

[3] 李博骁.一种支持智能环境构建的中间件[J]．郑州大学学报：理学版：2013，45(5)：50-53．

[4] 雷中岳，范鹏，黄炜． 一种空基自组网路由协议的研究[J]．中国电子科学研究院学报，2013, 8(6): 632-637．

[5] 罗爱民，黄力，罗雪山．信息系统互操作性评估方法研究[J]．计算机技术与发展，2009, 19(7): 17-19．

(责任编辑：王浩毅)

Research on Layered Model and Data Interoperation of Airborne Information System

WU Yong-sheng， LI Bo-xiao

(ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041，China)

The journey of airborne information system was described. According to the internet layered model，a layered model of airborne information system was proposed, which was able to conduct coordination and interoperation between different platforms within the airborne information system. Aiming at the requirement of interoperation, the design of data service layer was proposed, which will support data interoperation.

airborne information system; layered model; data service layer; data interoperation

2015-03-15

吴永胜(1982-)，男，河北唐山人，工程师，硕士，主要从事空基信息系统总体设计、集成与软件架构研究,E-mail:elegantfall@sina.com.

吴永胜，李博骁.空基信息系统分层模型及数据互操作研究[J].郑州大学学报：理学版，2015，47(3)：55-58.

TP393

A

1671-6841(2015)03-0055-04

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.03.010