基于分布式网络的轻武器一体化集成测试方法

李泽飞,郑 宾,刘乃强

(1.中北大学 电气与控制工程学院,山西 太原 030051;2.航天恒星科技有限公司,北京 100086)

轻武器全弹道试验涉及弹道不同阶段的测试任务,各测试设备分散且相互独立,测试数据也没有统一的时序关系,导致试验周期长、效率低、无法对测试数据进行准确的综合分析。因此,建立一套全新的轻武器全弹道一体化综合测试系统是及其有必要的。

为解决集成测试有关问题,美国阿伯丁靶场的陆军研究所构建了“弹道测试与虚拟再现系统”,可对全弹道过程参数进行实时分析显示;国内在一体化集成测试技术方面相对滞后,企业、研究所也开始根据一体化集成化设计思想,研制集成测试设备,如徐惠钢等[1]为解决火控系统之间的互通问题,通过公用广域网搭建了网络火控系统;魏志芳等[2]对轻武器产品的协同设计模式展开了研究,提出了基于网络的多点协同设计方法;刘乃强等[3]对轻武器终点杀伤效应集成测试展开探索;配合硬件平台,一体化测试管理与数据分析软件也得到了同步发展,集远程数据传输、数据保存、数据分析于一体,此类数据管理平台软件,也是国内科研院开展信息化基础平台建设的主要内容[4]。

为解决分布式测试系统时钟同步相关问题,基于PTP协议的时钟同步触发研究因其连接的简便性、通用性,已成为研究的的热点和重点。KISTLER公司研发的压电测量并集成数据采集的电荷放大器LabAmp-5165A均扩展了PTP协议,以便在多通道测量时能够实现同步触发测试的功能。文献[5]基于DP83640研制了一种纳秒级高精度时钟。文献[6]针对LXI触发盒的研究和设计,同步精度达到7 ns。文献[7]对时钟同步的抗干扰控制方法进行了研究。文献[8]在大飞机测试环境下运用PTP协议搭建了网络化机载测试系统仿真试验平台。

本文以某所试验靶道为对象,充分利用靶道现有仪器设备,通过计算机网络使其互连互通,将各测点的测试系统整合在一起,方便对整个试验过程的统一管理;利用PTP时钟同步协议构建时钟同步触发单元,为测试系统提供统一的时间基准,以便在同一个时间基准内对各测试系统采集到的数据进行综合分析;引入ATML标准,采用B/S架构,结合数据库技术,实现数据的处理、保存、数据上传、管理和查询等功能。

1 一体化试验平台体系研究

1.1 硬件框架

图1为基于分布式网络的全弹道一体化试验平台硬件框架示意图。如图所示,根据测试需求靶道内拟设置多个分布式测点,各测点测试设备通过交换机接入星型拓扑结构网络。

平台局域网单元是整个平台系统测试管理、数据采集、节点同步的信息通道,它包括两个网络分支,其中一个网络分支是采用IEEE 802.3协议标准,所有控制设备、测试单元与总控计算机之间的通讯皆通过该网络就近网络节点接入层交换机;另一个网络分支是采用IEEE1588协议标准,网络节点同步与触发单元通过其接入核心交换机或就近网络节点接入层交换机,从而使得全弹道各测试单元拥有精准的触发时间基准。

全弹道多参数测试设备通过以太网接口转换器或其他接口转换器接入分布式局域网,在收到主控系统指令后,各分布式测点依据外部触发信号启动参数数据采集任务,通过各测试节点的同步与触发单元提供的触发时间戳来保证所有测试数据有同步的时间基准,并将测试数据以网络报文的形式发送到到控制层的核心网络中。

图1 全弹道一体化试验平台硬件框架示意图

1.2 软件框架

全弹道试验中涉及到的各类测试软件间无法很好地兼容,大量测试数据也很难共享,直接给各装备试验系统的后期维护增加了难度。因此全弹道一体化试验平台软件架构着重解决两个问题,即测试程序集的通用性和基于虚拟仪器的仪器可互换性。

为解决这些问题,使用数据库记录测试系统的硬件信息,生成对应的模型数据,从而虚拟化测试设备,测试程序集直接与数据库相关连而不再直接与硬件设备打交道,当系统中硬件有改动时,通过对数据模型进行更改,即可达到仪器互换的目的,提高测试程序集的灵活度。为实现对数据模型的共享,使用ATML技术标准对数据信息进行记录和传递[9]。

测试平台软件拟采用浏览器/服务器模式,其结构如图2所示。

图2 平台软件结构

主控平台部分采用MVC设计模式,表示层拟采用SpringMVC框架整合Servlet、JSP、JavaScript和信息资源,完成系统对前台页面操作的响应;数据持久层拟采用Mybatis框架,建立对象/关系映射,实现从关系数据到ATML对象数据的转换;数据库系统拟选用ORACLE数据库,对测试时标信息、测试设备参数、测试任务、测试调度、测试时空统一数据等信息进行管理。管理员通过表示层中的浏览器访问服务器,将发送的请求即基于ATML标准的XML测试任务描述文档提交给系统前端控制器,前端控制器再将其提交给控制器,控制器调用业务逻辑,最后通过网络将其发送给各分布式节点测试系统和节点同步与触发单元。

2 关键技术研究

2.1 网络节点时间同步技术

轻武器全弹道试验,不仅是一个精确的时间序列过程,也是一个高速瞬态过程。为了使各测点测试设备有统一的时间基准进行数据融合,需构建分布式网络体系,并引入网络测控系统的精准时钟同步协议——IEEE588,以打时间戳的方式对各测点测试单元采集的数据做上标记[10]。

全弹道一体化试验平台系统网络拓扑结构如图3所示。

图3 网络结构拓扑结构示意图

图3中,分布式网络采用星型拓扑结构,各节点连接对应的网络节点时间同步与触发单元,通过核心交换机进行同步对时。在构建的分布式网络中,主时钟可以任意指定,其余节点则为从时钟;本设计拟定200 m节点为主时钟。

网络节点时间同步与触发单元中设计了一个支持10/100BaseTX PHY层收发器,支持IEEE1588-v2协议标准,可以在主CPU控制下向通过数据报文的交互,实现时间戳交换并自校正的功能。其中CPU主要负责PTP协议管理软件(协议栈)的执行,并通过PHY接口与外部进行网络通信,实现PTP对时协议帧的传输;IEEE1588时间戳标记单元主要负责对时协议帧收发时刻进行硬件的打戳,以确保各时钟节点的高精度同步。

2.2 分布式网络节点测试管理与控制技术

分布式网络节点测试管理与控制模块集成各个测试节点子系统和同步触发单元系统,完成分布式控制,集中管理各个测试节点的实时数据、设备状态和控制信息,进行显示、处理、存储和Web发布,分布式网络节点测试管理与控制的模型图如图4 所示。图中,总控计算机通过互联网连接各种测试设备和同步时钟触发单元,具备分布式网络节点的管理能力及基于ATML标准数据交换的解析与封装能力,实现对测试设备和同步时钟收发器的管理和控制,这是解决系统集成问题的关键点。

要实现分布式网络节点的管理能力及基于ATML标准数据交换的解析与封装能力,需要针对不同测试节点,定义统一的数据交换标准,开发多适配器接口。

为了实现适配设计,采用ATML标准对内弹道、中间弹道、终点弹道测试信息进行定义。主要的测试信息包括被测节点及设备、测试配置、测试工作站、仪器描述等[11-13]。

“被测节点及设备”定义被测量名称、部件及模型编号,以及设备可提供的接口类型、需要提供的信号等物理属性信息。

“测试配置”描述了被测量测试时所需的各测点测试设备包含的的软硬件信息。

“测试工作站”定义由节点仪器组成的测试站的模型信息、接口信息,包括测试站通用接口的描述、信号能力信息、通用接口和内部仪器之间的路径信息等。

“仪器描述”定义仪器资源信息,包括仪器名称、总线接口、仪器地址、通道序号、通道名称以及该通道所具有的信号能力的详细信息等。

根据对每个测试节点详细测试信息的描述来设计适配器接口。适配器接口具有网络路由、协议转换能力、具体的测试功能设定和对被测单元控制功能。图5所示为适配器接口的设计框架。

图4 分布式网络节点测试管理与控制的模型图

图5 多适配器接口设计框架

2.3 测试数据与时基信息融合技术

轻武器全弹道一体化平台针对获取准确实时弹道轨迹参数的测试需求,需将各测点测试数据和时钟同步单元的时基信息进行融合,从而获得弹道的时空位置信息和相关参数。

数据融合中需处理的各个测试节点数据多种多样,通信协议各不相同,且数据量很大,目前靶场测试系统的数据存贮和数据更新方式已满足不全弹道测试需求,这就需要有一个高效、完整、能够迅速索引和查询的数据库系统,以实现此功能。

2.3.1 测试平台数据库系统设计

根据靶场试验过程对数据存储的要求,列出所需数据库中数据表的种类、名称、结构格式、数据项、数据项内容、数据字典等内容,在使用统一控制方法和统一管理软件的基础上,采用关系型数据模型,使其拥有统一的存储结构、存储策略和严密的安全、保密机制。轻武器全弹道试验平台数据流图如图6所示。

图6 轻武器全弹道一体化测试平台数据流图

图6中,整个测试过程分为试验准备、试验执行和试验结果处理3个阶段。

在试验准备阶段,将不同弹道使用的测试设备以及被测单元信息进行抽象,生成整个测试过程资源信息,同时根据测试设备与被测单元对应关系生成测试调用子程序存入测试子程序信息表。

在试验执行阶段,测试人员依据测试任务属性和测试资源信息,定制测试任务,并将测试任务存入测试任务信息表,然后根据测试任务信息和IEEE1558同步信号信息调用测试流程信息表展开测试流程,最后根据时间标信息把对应测试结果存入测试结果信息表。

试验结果处理阶段将测试结果进行处理,生成各种测试报告,并对测试数据库中的测试内容信息和测试数据信息进行查询与统计。

2.3.2 数据映射与转换模型设计

测试数据根据ATML标准定义,而测试有关信息需通过数据库进行管理,这样就涉及数据库与ATML转换问题。如图7所示为映射与转换模型。

在创建数据库时,首先用ATML标准对测试信息进行描述,经过参数解析映射,信息描述文档被转换为树状结构,再将其节点名、节点属性及数据类型存入数据库中对应的表,从而实现将ATML信息描述文档的内容存储到各分数据库中。

测试展开前,需将数据库中与测试任务有关的内容转换成ATML文档,各解析器根据数据库中相应表和ATML文档中元素的映射关系,综合出指定的SQL语句,从而建立描述关系数据库到ATML文档转换规则的XML模式,将数据库数据生成整个测试系统的ATML数据信息[10]。在全弹道参数测试任务完成后,将测试数据结果与时基信息数据进行融合,把测试结果、时基信息和融合后的数据存入数据库。

2.3.3 基于时空基准的全弹道测试数据显示

全弹道要实现在一个时间轴上显示各个弹道段的主要测试数据。必须实现各个测试点时间同步并且精度足够高,同时要求空间坐标一致。因此全弹道3D显示技术的核心是实现各测点时间同步和空间坐标一致。数据显示流程如图8所示。图中,首先把各测点数据和精度比较高的时标信号封装成含时标和速度位置的数据对象,数据对象可以直接存入数据库供以后查询使用,也可以经枪口和各测点空间坐标转换求出各测点空间速度和位置值,进而推算出全弹道任何位置和时间点的姿态信息,然后把全弹道位置和时间信息送到3D显示模块,实现全弹道3D实时显示(能够显示各位置的参数信息)。

图8 弹体3D显示流程

3 系统应用实例

某次试验中,一体化分布式试验平台由大靶面测速设备和大靶面测坐标设备构成。各分布式测点部署了如图9所示的时钟同步触发单元,通过核心交换机进行组网,进而相互交换网络报文,实现PTP协议的运行;然后将控制终端计算机也连入该局域网中,通过socket套接字实现和各分布式节点的网络通信,整体试验方案如图10所示。运行上位机软件,如图11所示,将各节点的信息实时显示到屏幕上,以便监测网络节点的同步过程及精度。

图9 时钟同步触发单元

图10 全弹道各测试节点时钟同步测试试验方案

图11 各节点的状态信息

各测点分布式设备触发工作后采集到的数据如表1所示,时钟同步触发单元记录的时间戳信息可以保证控制终端计算机在统一时间基准下对弹道相关参数进行试验分析。

表1 速度及坐标数据

4 结论

本文建立的轻武器全弹道一体化综合测试系统,构建局域网使得全弹道内各测点独立的测试设备互联互通,通过时钟同步触发单元为各节点测试设备提供统一的时间基准,整合了全弹道不同阶段的测试任务,通过软件达到了对试验过程的集中控制,数据的采集、分析,相关信息的存储的目的,实现对一发弹全弹道过程的全面试验分析,使原先只看效果的经验研发模式升级为“既重结果、又知过程”的科学研发模式,为轻武器的弹道基础理论、杀伤作用力与效能评估等基础研究方面提供条件支撑,全面提升轻武器行业的基础研究与技术创新能力。