某型任务实时测控软件系统设计∗

于古胜 朱 丹 卞光浪

（91550部队 大连 116023）

1 引言

“实时”是指对随机发生的各种外部事件能够做出及时的响应和迅速的处理［1］。实时测控软件系统是一个具有多进程多线程体系结构、信息流量大、接口关系复杂、实时性强、可靠性高的大型应用软件系统［2］。它是靶场测控系统的核心，在飞行器试验任务中承担测量数据实时处理、航区安全控制、试验指挥显示、测量装备数字引导、准实时数据处理和基地间信息交换等重大使命［3］。某型飞行器具有射程远、机动能力强、可多发连射的特点，为完成该型试验任务，迫切需要研制具有跨区多目标测控能力的高可靠性实时测控软件系统。

2 系统总体设计

2.1 系统设计要求［4］

针对试验任务需求，以设计功能完备、性能可靠的实时测控软件系统为目标，总的设计要求是，研制的实时测控软件系统推广应用性强，既满足当前试验任务需求，也能够用于未来新型飞行器试验任务。主要功能具有通用性，结构松散，功能独立，功能模块之间高内聚、低耦合。通用数据类型和对象统一设计，便于共享。软件界面友好，操作直观便捷。

1）符合软件工程及有关国军标要求，并采用成熟先进的软件开发技术；

2）满足不同航路的试验实时数据处理、航区安全控制、试验指挥显示等功能需求；

3）强化分布式处理技术，将实时数据记录、安全故判任务分别由监管工作站软件配置项和安控台软件配置项承担；

4）设计成双工双网实时多目标测控软件系统，具有自检、故障检测诊断和异常处理功能；

5）贯彻实时性原则，确保实时数据处理软件分系统有30%的机时余量；

6）强调友好的人机界面、明确的操作定义、清楚和精确的信息显示、操作简单可靠、自动化程度高；

7）程序设计文档应规范、齐全，便于阅读、修改、追踪，能进行改正性维护、适应性维护、完善性维护和预防性维护；

8）软件系统设计应满足下列各项质量要求：实时性要求、可靠性要求、性能与效率要求、易用性要求、维护性要求、可移植性要求、安全要求，测试要求、文档要求和管理要求。

2.2 系统硬件平台

系统运行的硬件平台是指控及显示系统，由中心机、安控和指挥显示硬件组成。系统硬件结构如图1所示。

2.3 软件系统体系结构设计［5］

某型任务实时测控软件系统按照测控总体技术要求和功能需求设计为五个软件分系统。即实时数据处理软件分系统、试验指挥显示软件分系统、安控软件分系统、仿真软件分系统和准实时数据处理软件分系统。系统体系结构如图2所示。

3 系统功能设计

3.1 实时数据处理软件分系统设计［6］

实时数据处理软件分系统是测控软件的核心部分，主要作用是实时完成遥测轨迹和外测轨迹的数据处理、测控装备的数字引导、试验指挥显示数据加工、场际间信息交换等任务。同时承担校飞、合练、测量数据模拟和过程重演等任务。实时数据处理软件分系统包括3个软件配置项：中心机软件、显示工作站软件、监管工作站软件。

1）中心机软件主要功能：完成外测数据加工和轨迹计算；完成遥测数据处理和轨迹计算；实时提供数字引导，引导测量装备捕获跟踪目标；计算加工和组织试验指挥显示系统所需要的各种信息；能够按规定的格式提供场际通信信息；能够模拟测控信息辅助调试并能事后重演实时过程。

2）显示工作站软件主要功能；以多画面形式提供飞行器飞行轨迹，及测控装备和网络各主机工作状态，供指挥及技术人员监视和分析数据质量。

3）监管工作站软件：根据实时接收到的测量数据，分析每台测控装备工作段落和数据质量，给出每台装备跟踪时间段落，根据不同用户的需求，快速给出遥、外测轨迹处理结果。

进入中心计算机的多路外测信息，经中心计算机择优选择后，计算轨迹，为装备引导提供实时信息。因此，实时数据处理软件分系统具备测控装备数据输入输出处理、系统误差修正、坐标变换、交汇定位、平滑微分、参数推算、精度估计和结果报告输出打印等功能。

实时数据处理分系统接口和信息交换关系见图3所示：

3.2 安控软件分系统设计

安控软件分系统主要作用是为安控指挥人员提供被测目标飞行的实时状态，当被测目标在飞行中发生故障时可对其采取安全控制措施，保证试验航区的安全。安控软件分系统包括3个软件配置项：安控台软件、安控显示工作站软件、安控投影工作站软件。

1）安控台软件功能：能够实时处理两个飞行目标的安控信息。根据外测和遥测信息，给出任何一个目标飞行轨迹超过自身的安全管道和超必炸线信息，并能够以声、光发出报警信息；具备向遥控站发送和接收遥控指令功能。

2）安控显示工作站软件功能：接收主干网中心机外测遥测处理结果，以图表方式为安控指挥员提供监视显示信息。

3）安控投影工作站软件功能：接收主干网中心机外测遥测处理结果，以数字地图为背景在安控投影屏幕上显示，供安控指挥员监视目标飞行状况。

3.3 试验指挥显示软件分系统设计［7］

试验指挥显示软件分系统主要完成遥测和外测轨迹参数、遥测遥控指令及飞行器飞行情况的显示，为试验指挥人员提供试验信息的显示。试验指挥显示软件分系统包括6个软件配置项：指显服务器软件、指显工作站软件、指显投影工作站软件、LED显示软件、指显监管工作站软件、试验方案多媒体演示软件。

1）指显服务器软件功能：按照一定的频率从主干网上接收中心机发送的指挥显示数据，分类组成显示工作站信息包，通过指显网发送给显示工作站。

2）指显工作站软件功能：接收指挥显示网上显示服务器发来的标准显示信息包，分类以多画面可选方式显示外测、遥测处理结果数据和测控设备工作状态数据。

3）指显投影工作站软件功能：从指显网上接收显示服务器提供给大屏幕显示的数据，接收大屏幕显示的实况信息，提供大屏幕显示信息源。

4）LED显示软件功能：能够接收显示服务器提供的和终端输入的LED屏显示信息，主要包括时间和气象信息。

5）指显监管工作站软件功能：主要功能是管理指挥显示网，对指挥显示网的工作状态进行监测和配置管理。

6）试验方案多媒体演示软件功能：通过WEB服务的方式向指显工作站发布试验方案信息。

3.4 仿真软件分系统设计［8］

仿真软件分系统主要作用是仿真参试测控设备数据和各种航迹信息，用于软件系统调试。

仿真软件分系统包括两个软件配置项：轨迹数据仿真软件和测量信息仿真软件。

1）轨迹数据仿真软件功能：理论轨迹数据仿真功能、故障轨迹数据仿真功能和数据发送功能，用于调试和检测实时数据处理软件分系统和安控软件分系统。

2）测量信息仿真软件功能：测量信息仿真功能、发送仿真信息功能、显示仿真信息功能、保存仿真信息功能、人机交互功能、系统初始化功能和结束处理功能。

3.5 准实时数据处理软件分系统设计

准实时数据处理软件分系统主要用于试验结束后，根据实时接收到的测量数据，分析每台设备工作段落和数据质量，给出每台设备跟踪时间段落，根据不同用户的需求，快速给出遥、外测轨迹处理结果，为首长和专家试验后迅速进行试验结果评估和进行辅助决策提供依据。准实时数据处理软件分系统包括两个软件配置项：测量数据分析软件、轨迹数据处理软件。

1）测量数据分析软件功能：具备对所有参试的测控装备获取的实测数据进行分析的功能。

2）轨迹数据处理软件功能：主要完成实时轨迹数据和测量数据的采集，形成数据文件，进行数据处理、轨迹计算、精度分析和绘制曲线，并形成结果报告。

4 系统设计关键技术

4.1 采用基于网络分布处理技术，有效整合测控资源，首次实现了飞行器大射程、超低空飞行的全程测控

针对试验任务需求，设计功能完备的实时测控软件系统是本系统设计的基础。系统的五个分系统结构及软件运行平台各不相同，功能由分布在不同地域指控中心的中心机、安全控制和指挥显示分系统分工协作完成实时数据处理、航区安全控制和试验指挥显示等任务。如何利用网络实现不同平台的信息交换和数据共享是系统设计中的一个重点问题。根据各分系统的特点，系统采用Unix、MS-VC++、Linux和Mapinfo Pro多平台编程技术，在中心计算机Tru64_Unix平台支持下，设计了实时数据处理软件；在MontaVista linux平台上研制了通信控制软件；在Mapinfo Pro平台上完成了监测专用数字地图的制作和地图应用接口软件的设计；在显示工作站MS-VC++平台上研制了指挥显示软件；在Matlab平台开发准实时数据处理软件。在考虑系统整体结构的基础上，合理设计各分系统间的接口关系和信息交换协议，采用分布式结构、对象连接和嵌入技术、网络SOCKET编程技术，较好地实现了系统中不同平台之间信息交换和数据共享，有效整合测控资源，实现了大射程、超低空飞行的飞行器的全程测控［9］。

4.2 采用测控信息分区优选处理，基于网络的多进程、多线程和冗余处理技术实现了多目标飞行器的实时数据处理和数字引导

设计性能可靠、具备双目标实时处理能力的软件系统是系统设计的核心。系统采用测量设备分型号接力跟踪，分布等待、冗余处理的多起飞零点识别处理方法，测控信息分区优选处理和基于网络的多进程、多线程编程等技术，实现了多目标潜射飞行器飞行试验实时数据处理和数字引导［10］。系统利用UNIX操作系统内核的实时抢占功能和提供的实时编程接口（POSIX 1003.1b）确保了系统的实时性。系统各线程采用共享内存区的方式进行通信。为了确保数据的一致性、避免死锁，提高系统的实时性，采用对线程间握手加读写锁方法，一个模块在读取数据时，首先占有锁，不允许其它模块对这个数据进行读写操作，直到该模块数据读写完毕，释放锁为止。通过控制读写锁，实现各部件读写同步，避免破坏对象中的状态信息，从而有效地保证了多目标测控数据的完整性。

4.3 合理设计复杂航路下的航区安控策略，首次实现了不同地域指控中心对同一目标进行交错、接力安控

研究复杂航路下的航区安控策略，设计高可靠性的安全控制系统是本系统设计关键。针对飞行器大射程、超低空飞行、试验航区保护目标多的特点，单一指控中心很难完成多目标飞行试验全程的安全控制任务。必须由两个以上指控中心共同完成安全控制任务。设计复杂航路下的安全控制策略是本系统设计的一个难点。在系统的安全控制策略设计中，根据两个指控中心任务分工不同，使两地安控台担任不同的安控角色，将安控台的工作模式分为主、副两种模式，共同完成双目标飞行试验航区安全控制任务。当以甲指控中心为主实施安控任务时，甲安控台设为主模式。当以乙指控中心为主实施安控任务时，甲安控台应设为副模式。当两地指控中心划分区域各自独立实施安控任务时，甲安控台设为主模式。通过采用不同地域指控中心对同一目标进行交错、接力的安全控制方法，满足了飞行器飞行试验可靠性需求。另外，采用两路异步通信和IP网络通信的数据作为安控信息源，设计末制导雷达捕获目标后实时数据分析处理技术，增加了真假目标识别功能，提高了航区安全控制的可靠性。

4.4 采用指挥显示信息转发控制和融合显示技术，为试验指挥决策提供可靠支持［11］

设计直观、高效的指挥显示系统，为试验指挥决策提供支持是本系统设计的重点。实时测控软件系统采用双工双网模式，网络结构复杂。为了有效规避外部通信网对指挥显示网的影响，系统采用指挥显示信息转发控制技术，通过设置前置服务器方法，利用信息转发控制软件对指挥显示数据进行存储转发，实现指显网和外部网的逻辑隔离，有效避免了外部通信网络风暴对指显网的冲击。警戒雷达通常用于执行海上警戒任务，用来监视试验航区内舰船活动情况，分布在某海域沿岸。系统采用拼接融合技术，将某海域的警戒雷达测量信息通过串行接口实时传输给试验指挥显示分系统融合显示［12～13］，为试验指挥人员提供直观、有效的试验航区状况，使指挥决策更具实效性和科学性。

5 结语

针对某型飞行器大射程、跨区测控的试验需求，研制了功能完备、性能可靠的实时测控软件系统，首次实现了某海域试验联合测控的实时数据处理、试验指挥显示和航区安全控制，拓展了海上靶场综合试验能力。该系统是测控系统的核心和连接某海域测控装备共同完成某型飞行试验全航区实时数据处理和安全控制的纽带，为完成某型试验任务和某海域一体化测控能力的形成做出了突出贡献。