通用末端防御武器系统数据录取评估设备设计与实现*

徐向毅，张宏亮

(驻航天科工集团210所军事代表室，西安 710065)

0 引言

高技术武器的广泛使用，使得战争由传统二维平面的角逐向陆、海、空、天、电、网等多维领域的较量迅速蜕变。为应对敌方实施准确的侦查和强烈的电磁干扰后进行的多方位、多批次、高密度的饱和攻击，末端防御武器系统应运而生。车载通用末端防御武器系统是专门用于近距离导弹防御的武器系统[1]，是地面防空反导体系的重要组成部分。

车载末端防御武器系统组成结构复杂、数据传输量大、实时性要求高、系统的调试和试验难度大，为便于系统调试和测试，发生故障时的故障定位，武器系统威力与精度的评估，文中以车载末端防御武器系统的高炮车为例，设计实现了一种专用通讯数据录取与评估设备。

1 录取评估设备总体设计

车载末端防御武器系统的重要组成——高炮车主要由炮瞄雷达、光电跟踪设备、火控设备、高速火炮、导航设备、通信设备等单机设备组成。各单机设备间通过以太网进行数据交换，使用双绞线连入以太网交换机。通信协议采用UDP无连接的用户数据报协议。

单机设备发送的以太网报文都通过交换机，若交换机采用具有端口镜像功能的二层或三层交换机，同时录取评估设备连接交换机，理论上录取评估设备可以获取到所有通过交换机的网络报文。因此，通用末端武器防御系统录取评估设备与武器系统中高炮车的连接示意图如图1所示。

1.1 主要功能

根据需求,末端防御武器系统录取评估设备应具有以下主要功能：

1)系统中各单机设备发送报文的捕获、实时解析、录取存放，以及解析得到的数据、状态、故障信息的显示；

2)录取报文的回放功能，支持报文自动回放和按帧回放；

3)十进制与十六进制查询功能，支持数据范围设置与超差标识；

4)报文导出功能，支持任意报文以文本文件格式导出；

5)搜索指挥车的模拟功能，向战斗车发送目标指示等报文。

6)炮瞄雷达、光电跟踪设备的威力评估，武器系统精度评估，以及评估结果的显示与导出功能。

1.2 界面设计

为便于用户的操作，末端防御武器系统录取评估软件运行于Windows平台，开发工具采用Visual C++ 6.0，用户界面基于对话框设计，并采用多线程设计，界面显示刷新与数据处理分属不同的线程，保证了用户操作与界面显示的互不影响。

因武器系统包含多个单机设备，每个单机设备发送多种网络报文，每个网络报文包含设备工作状态、故障信息、运行数据等大量信息，为便于用户的浏览及查看，软件左侧区域采用多标签页设计，首标签页以图形及数据的方式显示跟踪目标信息及系统各个设备运行状态，其中雷达态势图动态显示目标进入过程，火炮三维模型实时显示火炮运转方式，其余每个标签页分别显示各单机设备发送网络报文及解析出的详细信息(参见数据回放)；软件右侧区域显示系统内各单机设备的网络连接状态、系统火力资源及故障状态等。数据录取界面如图2所示。

为方便用户对系统试验过程的跟踪和故障复现，录取评估设备提供数据回放功能，数据回放除可按0.5倍、1倍和2倍速率回放，还提供单帧回放和数据帧跳转功能，回放过程中用户可通过设备标签和报文标签选择相应报文进行查看，极大的方便了用户对试验过程的数据分析和故障定位。数据回放界面如图3所示。

在数据查询界面中，用户可以选择以十进制或十六进制的方式显示系统网络报文，支持跳转至指定帧，以及浏览当前帧上一帧数据，下一帧数据。为方便用户快速发现故障并定位，软件支持用户对指定数据设置正常数值范围，对于超过正常范围的数据，以红色字体高亮显示，从而方便用户在大量数据中快速定位异常数据。数据查询界面如图4所示。

2 关键技术

2.1 数据包的捕获与识别

在以太网中，帧(数据包)作为组成数据的基本单位来进行数据交换，它采用的是带碰撞检测的载波侦听多址进行访问，以CSMA/CD(载波监听多点介入/碰撞检测)的方式进行发送。由于CSMA/CD的特点，使得该网络的用户可以通过网卡的设置，获得发往其他用户地址的数据，并根据数据中的内容对网络的状态进行监控。数据包捕获机制主要由最底层数据包捕获机制、数据包过滤机制和针对用户程序的最高层接口组成。如果用户想得到需要的数据包，可以通过数据包捕获机制提供的数据接口调用库中的相关函数，根据预定义的过滤规则，数据包过滤机制对数据包进行检索，把需要的数据包传递给应用程序。

Windows平台下，数据包的捕获可以通过调用NDIS(网络驱动程序接口规范)库函数来实现，使用此方法功能性强，但可能导致系统崩溃；也可以通过原始套接字(Raw Socket)实现，方法简单但功能有限，只能捕获高层的网络数据包；也可以使用第三方开发的库，例如WinPcap[2]。

末端防御武器系统的通信网络是以交换机为连接节点的局域网。系统用于数据交换的信息经过应用层、传输层、网络层、链路层等层层封装后，通过网卡传输出去，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。以太网帧格式如图5所示。

因武器系统通信局域网中充斥着ARP协议等广播数据包，需对捕获到的数据包设置过滤规则，剔除无用数据包，提高系统数据处理效率。根据对武器系统内各单机设备的通信设置及以太网帧格式的分析，按照以太网帧中类型字段为IP数据报(0x0800)，IP数据报中源IP地址与目的IP地址字段为系统内单机设备IP，IP数据报协议字段为UDP(0x17)，UDP段中源端口号与目的端口号为系统内单机设备设置的发送、接收端口，UDP段数据字段前8位为系统自定义通信报文的报头符等限定条件设置过滤规则，过滤后得到的数据包即为武器系统通信报文。

武器系统通信自定义报文的报文信息标示字段由发方设备与收方设备唯一的8位设备标示组成，且每个单机设备发送至其他单机设备的UDP报文的报文长度各不相同，因此过滤后的UDP数据包根据报文信息标示与报文长度可以确定何种设备发送的何种报文，即完成了报文的识别。然后调用相应的报文解析函数，解析得到传输报文中包含的数据、设备状态等信息，在录取评估设备界面上显示。

2.2 数据包的存放

系统中各单机设备通讯速率不同，一个周期内各单机发送的报文数目不同，有的单机还以不同的速率向多个相关单机发送不同类型报文，如果按照即发即存的处理机制会造成数据混乱。由于网络协议中要求各单机报文中都要包括系统时标，因而可以利用系统时标进行报文分组。

现定义某单机(如火控设备)相邻报文时间段之内的所有单机报文为一帧记录，由于每帧记录中包含多条各单机报文，为方便查询和维护，文件开始位置定义了数据帧总数、文件保存时间等信息。为缩短响应时间，录取的数据包文件采用双向链表的数据结构进行存放，通过前一帧偏移地址、后一帧偏移地址，以及当前帧长度可以快速定位到指定帧的起始位置，双向链表结构可大大减少遍历整个数据包文件的时间复杂度。文件存储格式见图6。

2.3 数据分析和精度统计

数据录取评估设备除实现数据录取功能外，还可完成系统网络通信状态统计和设备精度评估，网络通信状态统计各个设备网络报文丢包率，根据数据报文中的时标数据，完成数据发送延时的数据统计，为系统分析提供辅助手段。

每次试验后，软件可以利用保存的报文数据和试验基地提供的目标真值数据进行数据分析和精度统计。目标真实位置由靶机或靶弹挂载的GPS记录仪提供，其数据为GPS格式的经纬度数据，计算时需将其数据转换为以地面载车为中心的坐标空间下[3]，以目标真实位置为基准，按照距离、方位和高低数据进行分段，分别统计各数据段的测量精度，再将本航次及多航次的精度数据进行综合，得出系统的精度数据。

精度统计流程图如图7所示。

2.3.1 目标真实位置预处理

由于GPS记录仪数据频率与各分系统的数据记录频率不一致，造成真值数据与测量数据无法对齐，一般而言GPS记录仪数据频率较慢，一个记录周期内各分系统有多个记录数据，因而需要对GPS记录数据进行线性插值，或采用最小二乘法等数学方法，将目标真实位置插值成与测量数据相同时间间隔的位置数据，便于进行数据计算和分析[4]。

2.3.2 跟踪精度统计

本系统中需要统计系统的距离、方位和高低误差[5]。根据精度统计要求，首先需要对数据进行预处理，采用3σ准则将异常值剔掉，然后计算系统精度均值，标准差和均方根值。设Δijk为同一航次中第k次进入第j航段的第i个误差，则此航段的系统误差为：

(1)

则同一航次进入相同航段的系统误差的平均值和离散值计算公式为：

(2)

(3)

同一航次进入相同航段的总系统误差计算公式为：

(4)

由式(1)～式(4)可以计算得到系统某一航段的总误差数据，软件在计算出所有航段的精度数据后，在界面统一显示，为系统分析和优化提供数据支持。

2.3.3 火控解算精度统计

对火控系统的解算精度进行分析，需要在获得目标真实位置的基础上，根据试验气象条件，进行偏流解算，利用武器系统的弹道方程计算理论射击诸元[6]。如图8所示，横轴为目标运动时间，纵轴为斜距离。D(t)为目标斜距离曲线。设当前时刻为ti(A点)，由于目标的当前位置可看做弹丸飞行时间τi时刻前即(ti-τi)时目标(C点)的未来点，因而对当前时刻位置进行解算可看作是对(ti-τi)时刻目标未来点的解算，得到的射击诸元即可以看做在(ti-τi)时刻进行射击，经过弹丸飞行时间τi，命中ti时刻目标位置的理论诸元。B点为A点平移τi时刻所对应的曲线Dy(t)中对应点。

由于弹丸飞行时间由弹道方程和气象条件解算[7]，因而该时时间为非线性分布，D(t)与Dy(t)非线性平移，求解理想诸元时还需要进行插值才能与火控的周期数据对齐。

解算精度的求解过程如图9所示。

3 结束语

在设备设计整体上采用层次化、模块化的设计思想，将整个系统划分为几个不同的子模块，这种设计有利于软件的后期维护和扩展；多线程的设计使得用户的操作和界面显示不会影响到数据包的识别、抓取以及存放等，保证了用户的可操作性和数据录取的实时性需求；双向链表的数据结构存放录取到的数据包，以及自定义的帧结构使得数据包清晰有序，便于回放、查询；操作人员可根据报文分析功能进行系统故障的快速定位及故障原因的排查；软件界面设计使得用户操作方便快捷；跟踪精度和火控解算精度统计功能为武器系统功能提供验证手段，该设备在系统联调试验中取得了很好的应用效果，可大幅提高武器系统科研生产效率。