光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析

1引言

靶場彈道測試中，一般需組織多臺光電經(jīng)緯儀及其輔助設(shè)備構(gòu)成光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，其主要目的在于:(1)在目前技術(shù)手段可測得的距離、方位角、俯仰角、距離和、距離差和方向余弦等6種位里參量中，至少需要已知其中3個獨(dú)立的參量才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維空間定位。光電經(jīng)緯儀單站定軌采用距離一方位角一俯仰角幾何模型.但在單臺光電經(jīng)緯儀無法獲得目標(biāo)斜距的條件下，豁至少組合2臺設(shè)備以測角交會的方式定軌;(2)光電經(jīng)緯儀光學(xué)視場角有限，在不能直視目標(biāo)或因遮擋而丟失目標(biāo)時，需根據(jù)外引導(dǎo)信息提供的民標(biāo)方向，進(jìn)行隨動跟蹤。外引導(dǎo)信息源通常是其它光電經(jīng)緯儀、彈道相機(jī)、固定視場高速電視測量儀、引導(dǎo)雷達(dá)或GPS測量設(shè)備等;(3)鑒于光電經(jīng)緯儀作用距離和測量可靠性的考慮，通常需由多臺組合進(jìn)行彈道的接力測量和冗余測量。

依據(jù)某種規(guī)則將光電經(jīng)緯儀及其輔助設(shè)備集成為先進(jìn)合理的靶場光電測量系統(tǒng)是目前尚未引起足夠關(guān)注的問題。目前光電測量設(shè)備的高度計(jì)算機(jī)化為集成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化提供了充分可能。本文從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，分析了現(xiàn)有集成模式的局限性，提出了新的集成規(guī)則(模型)及需要研究的若干問題。

2網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述

2.1簡單互連模式

迄今，國內(nèi)外靶場仍普遍采用傳統(tǒng)的簡單互連模式構(gòu)成光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)。簡單互連模式通過物理傳輸介質(zhì)和串行通信接口將光電經(jīng)緯儀及其它輔助設(shè)備連接在一起，參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(( ISO)的開放系統(tǒng)互連基本參考模型(open system interconnect referencemodel,OSI/RM)[2]，其基本特征是設(shè)備互連只涉及物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個最低協(xié)議層次，解決物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的接口標(biāo)準(zhǔn)及信號傳輸方面的問題，以系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間實(shí)時數(shù)據(jù)通信為主要目的.簡單互連模式可滿足上述交會定軌、引導(dǎo)、接力測量和冗余測量的基本數(shù)據(jù)通信需求，但其局限性明顯:

(1)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的設(shè)備互連屬于淺層連接?；ミB系統(tǒng)中沒有共享通信媒介的機(jī)制或只有低性能機(jī)制(如RS485連接)，所有存在信息交換關(guān)系的設(shè)備間通常均須建立專用的點(diǎn)對點(diǎn)物理連接，因而隨試驗(yàn)測試復(fù)雜程度的增大系統(tǒng)數(shù)傳設(shè)備規(guī)模急劇增大;

(2)簡單互連系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的信息互通機(jī)制.系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備獨(dú)立地將物理層和數(shù)據(jù)鏈路層交換的信息變換為設(shè)備可理解的信息，但通常這兩層信息的變換規(guī)則不統(tǒng)一，更談不上在更高層上的統(tǒng)一的信息解釋、理解和處理規(guī)則。也即，互連系統(tǒng)中不存在統(tǒng)一的信息共享結(jié)構(gòu)和協(xié)議體系。這意味著系統(tǒng)中設(shè)備即使可以在物理上獲得其它設(shè)備送達(dá)的信息，解釋、處理和利用這種信息所付出的代價也是很大的;

(3)簡單互連系統(tǒng)缺乏高效的信息協(xié)同工作機(jī)制，通常根據(jù)特定任務(wù)流程采取時間驅(qū)動、順序執(zhí)行的機(jī)制。對于復(fù)雜的彈道試驗(yàn)測試任務(wù)，任務(wù)的分布性和并發(fā)性特征顯著增強(qiáng)，諸多測控事務(wù)間的藕合程度顯著增加，僅依賴順序執(zhí)行的時間驅(qū)動機(jī)制協(xié)同系統(tǒng)工作導(dǎo)致工作效率急劇下降，且協(xié)同工作機(jī)制本身強(qiáng)烈依賴于特定試驗(yàn)測試任務(wù)本身;

(4)在設(shè)備淺層互連和缺乏統(tǒng)一信息互通機(jī)制的條件下，簡單互連系統(tǒng)的功能主要是空中彈道測量功能。但在復(fù)雜試驗(yàn)測試中，試驗(yàn)測試進(jìn)程控制、試驗(yàn)測試信息表達(dá)和管理功能必不可少，且與彈道測量功能間存在十分復(fù)雜的藕合關(guān)系。將這些功能集成在統(tǒng)一系統(tǒng)中有利于確保試驗(yàn)側(cè)試高效有序地進(jìn)行;

(5)簡單互連模式面向特定型號武器的試驗(yàn)測試任務(wù)組織測試系統(tǒng)，任務(wù)的變更往往意味著側(cè)量系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，尤其是通信體系結(jié)構(gòu)的重大變更，系統(tǒng)靈活性和通用性低，缺乏對不同任務(wù)的普遍適應(yīng)性。

2. 2網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

基于上述狀況，網(wǎng)絡(luò)化光電經(jīng)緯儀側(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)對系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和描述。網(wǎng)絡(luò)化光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究屬于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)研究的范疇。圖1是文獻(xiàn)[3]提出的一個制導(dǎo)武器彈道綜合側(cè)試的系統(tǒng)集成模型。該模型是結(jié)構(gòu)化的分層集成模型，依據(jù)與特定彈道試驗(yàn)測試任務(wù)的關(guān)聯(lián)程度，將整個彈道綜合側(cè)試系統(tǒng)由頂向下抽象描述為6個層次.模型分離試驗(yàn)測試任務(wù)的共性需求與特殊濡求，分層封裝和復(fù)用共性問題解決機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)化光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)依據(jù)該模型進(jìn)行規(guī)劃和描述。

模型最低兩層是對系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和描述.包括光電經(jīng)緯儀、引導(dǎo)設(shè)備、指控設(shè)備和表達(dá)設(shè)備相互間的數(shù)據(jù)通信乃至光電經(jīng)緯儀自身的捕獲電視跟蹤側(cè)量系統(tǒng)、高速電視測量系統(tǒng)、紅外跟蹤側(cè)量系統(tǒng)、激光側(cè)量設(shè)備、微波雷達(dá)、伺服系統(tǒng)和微機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信等均應(yīng)納人這兩層中規(guī)劃。鑒于目前側(cè)試設(shè)備的高度計(jì)算機(jī)化，模型描述的系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)遵從或參考OSI/ RM，對應(yīng)于其最低3層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

以O(shè)SI/RM為代表的網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)反映的主要是網(wǎng)絡(luò)通信的結(jié)構(gòu)特性，并沒有充分反映以計(jì)算機(jī)為核心的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中各種信息采集、處理、傳輸和控制的重要特征，更沒有反映網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。因此，如果只有圖1模型的最低兩層仍不足以解決上述簡單互連模式下的種種局限。作為一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括基本的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)和高級的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，應(yīng)把OSI/ RM的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)應(yīng)用軟件及其運(yùn)行環(huán)境結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，形成一個統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)模型，以更本質(zhì)地反映應(yīng)用系統(tǒng)信息處理的結(jié)構(gòu)特征.圖I所示模型的上4層所完成的正是這樣的工作。

相對于簡單互連模式，在依據(jù)制導(dǎo)武器彈道綜合測試的系統(tǒng)集成模型所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了“服務(wù)化”，各設(shè)備(節(jié)點(diǎn))可享受系統(tǒng)對其應(yīng)用程序的服務(wù)。通過分離數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和顯示等應(yīng)用程序運(yùn)行的諸多環(huán)節(jié)，對通信、時空基準(zhǔn)和可視化等共性問題解決機(jī)制進(jìn)行分層封裝和服用，應(yīng)用程序?qū)嶋H環(huán)境的不同具體特性和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)及其差異被屏蔽，為應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一、透明的開發(fā)和運(yùn)行支撐環(huán)境。以指控中心計(jì)算機(jī)的彈道交會處理應(yīng)用程序?yàn)槔?，作為頂層?shí)體，該應(yīng)用程序不需再關(guān)心輸人的光電經(jīng)緯儀角度測量信息和輸出的彈道參數(shù)信息的傳輸介質(zhì)、通信接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)類型、參數(shù)語意以及信息傳輸?shù)膶?shí)時性、信息的時間同步和空間坐標(biāo)統(tǒng)一等繁雜的“額外”事務(wù)，而只需專注于交會算法本身。因此，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)開放的、可重構(gòu)的、功能綜合的分布式統(tǒng)一測控集成體。

3若干問題

依據(jù)上述模型，光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化需完成諸多目前尚未開展或未系統(tǒng)深人地開展的工作。茲羅列若干問題如下:

(1)各層功能集的定義問題:分析整理光電經(jīng)緯儀彈道測量的各種需求，在現(xiàn)有框架下對模型各層實(shí)現(xiàn)的功能集進(jìn)行進(jìn)一步的明確定義;

(2)層間接口和協(xié)議問題:確定層間接口和各層協(xié)議。越下層的接口和協(xié)議越應(yīng)向通用的國際標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)靠攏;

(3)低層服務(wù)的實(shí)現(xiàn)問題:主要通過集成手段實(shí)現(xiàn)模型低層服務(wù)。低層服務(wù)盡可能通過集成通用系統(tǒng)而非專用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。符合IEEE 802. 3/802. 11/802. 16標(biāo)準(zhǔn)的有線無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、Windows 2000/NT操作系統(tǒng)、Windows Sockets接口和線程接口等均可視為具有普適性優(yōu)點(diǎn)的選擇;

(4)中間層服務(wù)的實(shí)現(xiàn)問題:模型中間層服務(wù)主要通過軟件研發(fā)手段實(shí)現(xiàn)，研發(fā)中應(yīng)充分重視軟件中間件(middleware)技術(shù)[4]這種高效實(shí)用的共性凝煉與復(fù)用手段，通過中間件解決層間軟件模塊之間的交互，封裝解決系統(tǒng)共性問題的支撐機(jī)制，從而屏蔽低層環(huán)境的異構(gòu)性和復(fù)雜性;

(5)時間基準(zhǔn)服務(wù)問題:光電經(jīng)緯儀側(cè)t系統(tǒng)對系統(tǒng)時間基準(zhǔn)，尤其是設(shè)備同步的要求很高，一直采用國際標(biāo)準(zhǔn)的IRIG- B格式時間碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。目前廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通常都是異步的，即便進(jìn)行軟硬件改造后也難以達(dá)到系統(tǒng)要求。在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，沿用IRIG- B碼是必然的，需要研究解決的問題是在系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)服務(wù)實(shí)體中如何合理地利用B碼信息，

(6)實(shí)時數(shù)據(jù)傳翰服務(wù)問題:以簡單互連模式構(gòu)成光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)很大程度上是出于數(shù)據(jù)傳輸硬實(shí)時性的考慮。在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件層和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)層采用的通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng)本身往往只具有軟實(shí)時性，即數(shù)據(jù)傳輸時間存在不確定性。因此，需要在這兩層之上進(jìn)行中間件形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信程序和通信部件的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)，以確保系統(tǒng)的硬實(shí)時性;

(7)任務(wù)調(diào)度服務(wù)問題:光電經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)調(diào)度服務(wù)應(yīng)考慮在消息傳遞機(jī)制中結(jié)合IRIG-B碼的特標(biāo)控制碼元實(shí)現(xiàn);

(8)頂層應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)問題:頂層應(yīng)用程序是整個側(cè)量系統(tǒng)中與彈道試驗(yàn)測試任務(wù)關(guān)聯(lián)程度最高的部分，反映了系統(tǒng)交會定軌、跟蹤引導(dǎo)、接力測量和冗余測量等核心功能。在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中，在下層服務(wù)的支撐下，核心功能的實(shí)現(xiàn)不但變得簡單靈活，而且具有突破簡單互連模式下技術(shù)難點(diǎn)的充分可能性，應(yīng)用程序的開發(fā)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注后者。以實(shí)時數(shù)據(jù)處理為例，光電經(jīng)緯儀單站和多站捕獲電視、側(cè)量電視、紅外電視及激光測距儀(微波雷達(dá))多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)納人軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)劃中;

(9)老設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化改造問題:應(yīng)在盡可能地將對設(shè)備現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的改變降低到最小程度的前提下，區(qū)分設(shè)備具體情況在合理的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次上對光電經(jīng)緯儀及其輔助設(shè)備進(jìn)行改造，從而將其納人統(tǒng)一的測控集成體。

4結(jié)論

光電經(jīng)緯儀是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展應(yīng)用的靶場光電測量設(shè)備，經(jīng)過長期發(fā)展，設(shè)備自身技術(shù)日臻成熟和完善，但依據(jù)某種規(guī)則將以光電經(jīng)緯儀為核心的設(shè)備集成為先進(jìn)合理的空中彈道測量系統(tǒng)卻是一直未引起足夠重視的問題。目前，我國自行研制的光電經(jīng)緯儀將近20種類型，共計(jì)120余臺套[l]，并且還在不斷地發(fā)展。期望本文所提出的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)途徑可對合理經(jīng)濟(jì)地組織這些設(shè)備完成靶場測控任務(wù)，進(jìn)一步提高靶場側(cè)控技術(shù)水平產(chǎn)生積極的影響。