机载雷达仿真系统总控软件的设计与实现

(航空工业雷华电子技术研究所 航空电子系统射频综合仿真航空科技重点实验室，江苏 无锡 214063)

随着作战环境的日益复杂，越来越多的电子干扰设备投入使用，使机载雷达往往工作在很强的电磁干扰环境下。复杂多变的空战环境要求机载雷达在强地/海杂波、强电磁干扰环境下对多个高速、高机动目标同时探测和跟踪，因此要求我们不断探索新技术和新算法。但机载雷达的新功能、新技术需要经过大量且多样的功能试验和验证才能通过设计定型。如果绝大部分功能均由试飞验证，需要耗费大量时间、人力资源及经费。通过半实物仿真方法模拟试飞场景，能够完成机载雷达大部分功能试验，既验证雷达系统功能，又控制研发进度和成本[1-2]。

美国、西欧、日本等早在上世纪70年代起就陆续建立了针对机载雷达、导引头的半实物仿真系统。国内在该方面起步较晚，从上世纪90年代起航空工业601所等科研单位以及航空院校陆续建立了小型且针对性较强的半实物仿真系统。国内完整且系统性地针对机载雷达构建的大型射频仿真试验系统屈指可数。为了模拟机载雷达高逼真试验场景，本项目开展了机载雷达射频仿真试验技术研究，构建了由屏蔽暗室、阵列控制与链路馈电系统、三轴转台、载机/目标环境模拟系统、目标和环境仿真系统、视景显示系统、总控系统等设备组成的机载雷达半实物射频仿真试验系统，能够模拟多目标环境、复杂电磁环境、复杂作战环境，具备机载雷达系统性能的开/闭环测试和评估能力，满足机载雷达射频仿真试验需求。

总控软件是机载雷达半实物射频仿真系统的显示控制核心，它通过以太网、反射内存网等方式与各参试设备相连，具备对整个仿真系统和试验过程进行参数配置、试验进程管理和监控等功能。一般试验总控软件是根据参试设备的数据协议开发解析模块，未严格划分软件功能模块和数据交互接口，当试验参试设备发生变化或数据交互协议发生更改时，相应的软件功能模块将无法重复使用，往往需要针对新的数据交互协议、接口重新开发。

为了提高软件的复用性，本文提出一种基于模块化架构和可变更数据协议的软件设计方法。该方法基于层次化和模块化的架构自顶向下分层级设计开发软件功能模块，并基于可变更的XML数据协议配置文件实现软件数据接口的配置。该方法将数据交互协议与软件功能模块隔离，当试验参试设备发生变化或数据交互协议发生更改时，无需重新开发软件功能模块，缩短软件开发周期，便于软件移植和升级。

1 总体架构设计

1.1 架构设计

总控软件支持仿真试验的参数设置、试验进程控制、状态监控，具备与参试设备数据传输通信的功能。仿真开始之前，总控软件对各参试设备进行初始化配置；仿真开始后，总控软件控制整个系统的运行，包括开始、暂停、停止，并接收各参试设备的状态回报和部分试验数据，完成试验过程监控和可视化显示。同时，通过总控软件可以远程登录参试设备进行参数加载、文件传输等操作。

总控软件自顶向下设计为三层架构：应用服务层、基础功能层、数据接口层，如图1所示。应用服务层，主要是人机交互界面；基础功能层，分为业务逻辑层和数据访问层两部分，能够对仿真试验回路中的各设备发送控制指令和参数，同时接收各设备返回的状态字和试验数据；数据接口层，实现总控软件与参试设备的底层通信，主要包括以太网通信模块、反射内存网通信模块。

图1 总体架构

1.2 可重用性设计

本软件采用两种方法提高了总控软件的复用性：

① 通过架构设计将各层级间的功能模块相互独立，即将软件中与参试设备和数据交互协议无关的功能模块化，提高软件模块的重用性；

② 针对依赖数据交互协议较大的数据收发、数据解析等功能，提出一种基于配置文件的接口协议配置方法，将数据交互协议与软件功能模块隔离，方便软件功能模块移植复用。

2 软件功能开发

2.1 数据接口层

设计的总控软件通过以太网、反射内存网与参试设备相连，采用面向对象的方式分别实现通信功能。

(1) 以太网通信模块。

以太网通信模块主要用于各参试设备之间数据文件传输以及互联设备远程登录。

本仿真系统选用Intel 82573系列网卡作为以太网络节点板卡，采用基于Socket的网络通信方式实现总控系统与其他参试设备之间的通信。具体方法为通过创建Socket，实现Socket与本地IP地址以及指定端口号的绑定，以此协调和控制各个节点机之间的UPD通信，实现数据的发送、接收[3-4]。

(2) 反射内存网模块。

反射内存网是一种专用的高速实时网络，主要由反射内存卡和光纤连接组成，每个网络节点的内存区域中的数据在整个网络中处于共享状态[5]。

本仿真系统基于VMIPCI-5565反射内存卡搭建反射内存网络，采用HUB的星形连接方式实现了各参试设备之间的试验数据、试验控制命令与试验状态字的传输(见图2)。具体方法为定义每个参与设备的反射内存卡的Node ID值(区分参与设备的身份)；分配反射内存网的存储空间，明确每个设备存储空间的首地址和数据长度；再定义每个参数的地址和长度。参试设备之间的数据交互是通过发生中断事件来实现的，具体而言是调用RFM2gWrite、RFM2gEnableEvent、RFM2gSendEvent等函数来实现交互[6]。

图2 机载雷达仿真系统抽象通信模型

2.2 数据访问层

数据访问层中的接口协议配置模块具有非常重要的功能，承载着业务逻辑层与数据接口层之间的数据交互和解析功能。主要是根据数据交互协议完成软件接口的配置，实现与数据接口层之间的对接；实现与业务逻辑层之间的试验控制命令、参试设备状态字和试验数据的发送/接收等功能。

(1) 接口配置。

通过配置文件对通信接口进行配置，配置文件是按照xml文件的形式实现并规范[7]，如图3所示。对于总控软件与不同参试设备的数据接口，可以按照协议修改配置文件，将需要传输的数据按照约定的数据协议进行定义和修改，实现了接口协议的可变更。

图3 数据接口配置文件

(2) 数据的打解包。

总控软件在数据收发过程中，是按照正在使用的通信板卡的数据协议进行数据的打解包，不同的通信板卡有不同的打包和解包算法。例如传输的试验数据、试验控制命令等，就要按照约定的反射内存网数据协议进行打包和解包。

在打包和解析过程中，需要检查报文的合法性，帧头不正确的报文会被认为解包失败。同时，为避免数据传输中的精度损失，需要进行一定的数据类型变换和比例缩放。例如在打包发送时，需要将浮点型转换为无符号整型，在解包时进行反变换；如果传输的数据数值较大，需要按照一定的比例进行变换，如目标距离、载机经纬度等数据，需要进行比例缩放确保精度。

接口协议配置将数据交互接口与业务逻辑层中的软件功能模块完全隔离，避免因为数据接口或协议更改导致代码重新编写的问题，提髙代码的重用性。

2.3 业务逻辑层

业务逻辑层向下借助数据访问层进行数据读写，向上为应用服务层提供服务，完成逻辑定义和逻辑执行。业务逻辑层主要由参数配置模块、试验进程控制模块、状态监控模块组成，以下对每个模块的功能进行具体介绍。

2.3.1 参数配置模块

参数配置模块主要包括界面参数获取、参数有效性检查两项功能。

(1) 界面参数获取。

试验中在总控软件界面上设置试验任务参数、雷达参数、通道参数、参试设备参数，通过从界面上获取参数实现总控软件对整个试验的设置。

(2) 参数有效性检查。

总控软件从界面上获取参数后，需要通过参数有效性检查功能验证所设置的参数，以及从全局角度验证设置参数的合理性。在参数设置合理的情况下进行系统参数配置，如果参数不合理，向用户发出告警。

2.3.2 试验进程控制模块

机载雷达射频仿真试验的试验流程包括试验准备阶段、试验执行阶段，如图4所示。

图4 试验流程图

(1) 试验准备阶段。

总控软件通过扫描设备、任务分配、设备初始化等步骤，可以根据不同的试验任务选择参加本次试验的设备进行初始化配置。

(2) 试验执行阶段。

试验准备阶段完成后进入试验执行阶段，即开始试验进程控制，根据功能可分为自检进程控制和仿真进程控制。只有在自检进程成功后，才能开始仿真进程。

① 自检进程控制。

在自检状态下，由总控软件发出自检指令，所有参试设备在接收到指令后进行自检，并返回自检结果。总控软件在自检进程中只发送自检开始控制字，并设定一定的时限，参试设备超时未返回自检信息，则认为自检失败。

② 仿真进程控制模块。

仿真进程主要控制仿真模式下的雷达仿真试验。通过总控软件设置仿真试验模式和仿真参数，各参试设备根据仿真模式决定是否参与试验和接收参数。总控软件控制整个仿真系统的仿真进程，包括参数下载、开始仿真、暂停仿真、继续仿真、停止仿真和急停断电。仿真进程控制的工作流程如图5所示。

图5 仿真进程控制流程图

2.3.3 状态监控模块

状态监控模块主要是刷新参试设备状态并反馈至总控软件界面显示，主要包括状态刷新、图表刷新两个功能，刷新频率为50 ms/次。

(1) 状态刷新模块。

状态刷新模块主要是通过以太网对仿真系统中各参试设备的状态进行实时刷新显示在软件界面上，并能够以不同的颜色对不同的状态进行区分。状态转换图如图6所示。

图6 参试设备四种状态转换图

试验开始前各个设备处于Offline状态(参试设备离线)，当扫描设备时，扫描成功的设备状态转为Normal(设备连接正常)，扫描失败的设备状态认为Error(设备连接断开)。在正常状态下，当任务分配成功后设备状态转为Enable(可以对设备进行远程登录操作)，任务分配失败设备状态仍为Normal，在Normal和Enable下如果网络连接断开直接转为Error，在Error情况下扫描设备成功只能转为Normal。

(2) 图表刷新模块。

在试验过程中，图表刷新模块会对参试设备的状态数据通过图表的形式实时更新显示在软件界面上。

2.4 应用服务层

应用服务层主要是人机交互界面(见图7)，按照功能的不同，该界面可以进一步分为菜单栏、工具栏、状态显示区、参数设置区、状态显示区等几个部分。

图7 人机交互界面

通过软件界面可根据不同的试验任务进行自检、扫描设备、任务分配、参数设置、初始化等试验准备工作，以及进行开始试验、停止试验、断电急停等试验进程控制；软件通过接收业务逻辑层发送的数据并实时刷新软件界面，将参试设备状态、试验进程在界面上进行图表显示。

3 软件应用

目前，本软件已经用于某项目的仿真试验中。在该仿真系统中，总控计算机通过反射内存网、以太网与转台、载机/目标环境模拟系统、视景系统、阵列、各类模拟器通信，系统硬件结构见图8。图9是某型机载雷达天线校准试验的试验界面。

图8 系统硬件结构

图9 某型机载雷达天线校准试验界面

4 结束语

本文基于层次化、模块化的软件架构，以及可变更的接口协议设计开发了机载雷达半实物射频仿真试验系统的总控软件，解决了传统总控软件不具备复用性的问题，并提高了软件的可扩展性和可维护性。本文设计开发的总控软件具备试验参数配置、试验进程控制、试验状态监控等功能，实现了通过软件选择参试设备、设置试验参数的方式对试验模式进行动态配置，扩展了仿真试验系统的功能。目前该软件已用于机载雷达半实物射频仿真试验，取得了较好的使用效果。但该软件还有一些可改进之处，后续还会根据需求发展变化扩展出许多不同的模块功能，进一步提高软件的实用性。