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(1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院,西安 710038；2.北京航空航天大學(xué) 后備軍官選拔培訓(xùn)辦公室,北京 100083)

1 引 言

20世紀70年代，“越戰(zhàn)”的經(jīng)驗教訓(xùn)促使美國空軍開始利用技術(shù)手段監(jiān)控、評估空戰(zhàn)訓(xùn)練過程，客觀實時評估對抗結(jié)果，實現(xiàn)訓(xùn)練模式的變革。

近年來，以新武器裝備快速發(fā)展為主要標志的空軍轉(zhuǎn)型建設(shè)快速推進，軍事訓(xùn)練改革不斷深入?？諔?zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)運用實時仿真、航電系統(tǒng)信息監(jiān)控、高帶寬數(shù)傳等技術(shù)手段，實現(xiàn)對飛機技術(shù)狀態(tài)、空中動態(tài)、訓(xùn)練質(zhì)量的實時監(jiān)控。這些都需要準確、可靠的飛行數(shù)據(jù)支持。為獲得準確、連續(xù)、平滑的數(shù)據(jù)，客觀公正地評定空中訓(xùn)練效果，提高訓(xùn)練質(zhì)量，本文提出一種空戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)(Air Combat Training System,ACTS)數(shù)據(jù)有效性檢驗算法，并通過仿真試驗證明了其有效性。

2 仿真實驗環(huán)境的搭建

2.1 地面數(shù)據(jù)接收

ACTS的飛行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈進行傳輸，這里采用兩臺PC以及兩部電臺來進行收發(fā)飛行數(shù)據(jù)的模擬，因此采用串口通信來完成數(shù)據(jù)的接收[1-2]。

2.1.1串口類及串口初始化

為了充分利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計在可維護性、易修改性和可重用性三方面優(yōu)點，廣泛使用了類和對象。其中對于串口的所有操作都封裝在CCommCtrl類中。該類的定義如下：

class CCommCtrl

{

public://公共接口

CCommCtrl();//構(gòu)造函數(shù)

virtual～CCommCtrl();//析構(gòu)函數(shù)

bool OpenPort(char*portname);//打開串口并初始化串口

bool ClosePort();//關(guān)閉串口

bool ReadFrom(LPVOID inputData,const unsigned int sizeBuffer, unsigned long&length,LPOVERLAPPED ov);//從串口讀數(shù)據(jù)

bool WriteTo(LPCVOID outputData,const unsigned int sizeBuffer, unsigned long&length,LPOVERLAPPED ov); //向串口寫數(shù)據(jù)

bool GetCommStated();//獲得串口的狀態(tài)

HANDLE GetCommHandle();//獲得串口的句柄

private://私有變量

bool m-bCommOpen;//指明串口是否打開，true標識打開

HANDLE m-hComm;//串口的句柄

DCB m-dcb;//設(shè)備控制塊

};

Windows系統(tǒng)實現(xiàn)串口的通信必須先對串口的通信參數(shù)進行初始化，而其中比較重要的是數(shù)據(jù)傳輸率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)比特數(shù)和停止比特數(shù)等。

Window API GetCommState()函數(shù)可以獲取串口的當前配置。該函數(shù)定義如下：

BOOL GetCommState(HANDLE hFile,LPDCB lpDCB)；

其中，hFile是由CreateFile()函數(shù)返回的指向已打開串口的句柄；lpDCB為指向設(shè)備控制塊(DCB)的指針，包含各種串口通信的參數(shù)。

2.1.2多線程實現(xiàn)串口通信

報文收發(fā)線程以一個UI線程來定義。系統(tǒng)主線程首先通過調(diào)用Windows API函數(shù)完成對串口的初始化，初始化的參數(shù)由DCB結(jié)構(gòu)給出，并在主線程中自定義通信事件消息，初始化完成以后，調(diào)用MFC的AfxBeginThread()函數(shù)創(chuàng)建報文收發(fā)線程，報文收發(fā)線程在后臺對串口進行實時監(jiān)測，當監(jiān)測到預(yù)定義的事件后，進行相應(yīng)的消息函數(shù)處理，與此同時，主線程還可以完成人機交互和協(xié)調(diào)其它線程的同步。圖1為地面接收數(shù)據(jù)時線程的處理流程。

圖1 地面數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.1 Flowchart of ground data receiving

為了使主線程有效的控制該線程，在線程類中定義了一個同步事件用來當主線程需要關(guān)閉該線程時釋放串口資源，然后關(guān)閉該線程。這里通過使用WindowsAPI函數(shù)WaitForMultipleObject()來等待不同的事件以選擇不同的處理過程。

代碼實現(xiàn)：

(1)主線程創(chuàng)建并啟動報文接收線程

m-pRecvThread=(CRecvThread*)AfxBeginThread(RUNTIME-CLASS(CRecvThread),THREAD-PRIORITY-NORMAL,0,CREATE-SUSPENDED);

m-pRecvThread->ResumeThread();

(2)報文接收線程打開串口

if(OpenComm()==false))//OpenComm()中實現(xiàn)了串口的打開和設(shè)置

{

AfxMessageBox(″Open failure!″);

return 1;

}

(3)創(chuàng)建線程同步事件

OVERLAPPED ov;

HANDLE hWait[2];

ov.hEvent=CreateEvent(0,true,0,0);

m-hThreadTerm=CreateEvent(0,true,0,0);

hWait[0]=ov.hEvent;

hWait[1]=m-hThreadTerm;

(4)等待串口通信事件，如果串口接收到數(shù)據(jù)，置事件ov.hEvent為有信號

while(abContinue)

{……

if(!::WaitCommEvent(m-CCommCtrl.GetCommHandle(),&dwEventMask,&ov))

{

DWORD error=GetLastError();

ASSERT(GetLastError()==ERROR-IO-PENDING);

}

……

}

(5)WaitForMultipleObjects()等待有用信號的產(chǎn)生，否則無限期的等待

dwWaitResult=WaitForMultipleObjects(2,hWait,FALSE,INFINITE);

(6)如果ov.hEvent為有信號，即串口接收到字符，接收數(shù)據(jù)并置事件ov.hEvent為無信號

if(dwWaitResult==WAIT-OBJECT-0)

{

……

::ReadFile(m-CCommCtrl.GetCommHandle(),recvTmp,sizeof(recvTmp),&dwBytesRead,&ovRead);

……

ResetEvent(ov.hEvent);

}

(7)如果m-hThreadTerm為有信號，即主線程要終止該線程，關(guān)閉串口并置事件m-hThreadTerm為無信號

else if(dwWaitResult==WAIT-OBJECT-0+1)

{

……

m-CCommCtrl.ClosePort();

ResetEvent(m-hThreadTerm);

break;

}

(8)主線程關(guān)閉串口接收線程

GetExitCodeThread(m-pRecvThread->m-hThread,&exit);

TerminateThread(m-pRecvThread->m-hThread,exit);

需要發(fā)送報文時，由于發(fā)送的數(shù)據(jù)量不大并且是主動的，所以只需要調(diào)用串口類CCommCtrl的WriteTo接口即可完成對報文的發(fā)送。

2.2 地面數(shù)據(jù)分發(fā)

Microsoft Windows環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)編程接口[1，3]是Windows套接字(Windows Socket，Winsock)。Winsock提供了包括TCP/IP、IPX等多種通信協(xié)議下的編程接口。不同的Windows版本支持不同的Winsock版本，其中Windows 95等早期版本本身只支持Winsock1.1(16位)下的編程(可以通過安裝相關(guān)的軟件包使其支持Winsock2.0)，而Windows98、Windows NT4.0、Windows 2000、WindowsXP 則直接支持Winsock2.0(32位)。Winsock2.0是Winsock1.1的擴展，除兼容Winsock1.1 API外，還定義了一套可支持IP多播的與協(xié)議無關(guān)的API。

系統(tǒng)需要將報文發(fā)送到不同的客戶端，并且多播組由報文接收服務(wù)器決定，因此采用有根模式來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)。

使用Winsock 2.0實現(xiàn)IP多播的步驟如下(根節(jié)點配置)：

2.2.1初始化Winsock資源

在使用Winsock之前，必須調(diào)用WSAStartup()函數(shù)初始化Windows SocketDLL。它允許應(yīng)用程序或DLL指定Windows Sockets API要求的版本。

WORD wVersionRequested;

WSADATA wsaData;

wVersionRequested=MAKEWORD(2,2);

int result=WSAStartup(wVersionRequested,&wsaData);//初始化套接字

2.2.2創(chuàng)建套接字

調(diào)用WSASocket()函數(shù)創(chuàng)建一個使用UDP套接字，它是加入多播組的初始化套接字，以后數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都在該套接字上進行。針對本系統(tǒng)的需求，將參數(shù)dwFlags設(shè)置為WSA-FLAG-MULTIPOINT-C-ROOT、WSA-FLAG-MULTIPOINT-D-ROO和WSA-FLAG-OVERLAPPED的位和，指明組播方式為有根模式：

Sock=WSASocket(AF-INET,SOCK-DGRAM,IPPROTO-UDP,NULL,0,WSA-FLAG-OVERLAPPED|WSA-FLAG-MULTIPOINT-C-ROOT|WSA-FLAG-MULTIPOINT-D-ROOT);

2.2.3設(shè)置套接字的選項

調(diào)用setsockopt()函數(shù)為套接字設(shè)置SO-REUSEADDR選項，以允許套接字綁扎到一個已在使用的地址上：

bFlag=TRUE;//設(shè)置套接字選項，使套接字為可重用端口地址

setsockopt(Sock,SOL-SOCKET,SO-REUSEADDR,(char*)&bFlag,1);

2.2.4綁定套接字

調(diào)用bind()函數(shù)綁定套接字，從而將創(chuàng)建好的套接字與本地地址和本地端口聯(lián)系起來。對于多播通信來說，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)通常采用同一個端口：

memset(&local,0,sizeof(local));

local.sin-family=AF-INET;

local.sin-port=htons((USHORT)9999);

local.sin-addr.s-addr=htonl(INADDR-ANY);

bind(Sock,(struct sockaddr FAR*)&local,sizeof(local));

2.2.5注冊網(wǎng)絡(luò)消息及其網(wǎng)絡(luò)事件

WSAAsyncSelect(Sock,m-hWnd,WM-SOCK-MSG,FD-READ);//數(shù)據(jù)等待被讀入子節(jié)點的配置與根節(jié)點類似，只是建立套接字時的dwFlags設(shè)置有所不同。建立組播的好處就是如果系統(tǒng)需要擴展功能，可以充分利用現(xiàn)有組播框架。

建立好組播組以后，根節(jié)點和子節(jié)點之間就可以進行通信了，根節(jié)點發(fā)送報文時只需要調(diào)用sendto函數(shù)，具體代碼如下：

const char*strMes=LPCTSTR(m-SendMessage);

int nSize=m-SendMessage.GetLength()+1;

sendto(Sock,strMes,nSize,0,(sockaddr*)&Remote,sizeof(Remote));

子節(jié)點只需要調(diào)用recvfrom函數(shù)即可獲得接收到的數(shù)據(jù)。另外，子節(jié)點還可以利用過濾器來實現(xiàn)報文過濾，只接收需要的報文。

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)的主要意義在于：在接收ACTS飛行數(shù)據(jù)時，如果報文的數(shù)目比較多，利用一個服務(wù)器端軟件進行實時監(jiān)控將比較困難，而通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)模塊，可以將報文發(fā)送到多個客戶端，各客戶端可以分別監(jiān)視部分飛機或地面監(jiān)控系統(tǒng)的報文信息，從而可以更好更有效地實現(xiàn)ACTS對戰(zhàn)場的實時監(jiān)視。

2.3 數(shù)據(jù)庫

VC中使用ADO實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接[1]。由于VC在數(shù)據(jù)庫編程方面的先天缺陷，導(dǎo)致使用VC編寫數(shù)據(jù)庫操作方面的工作比較復(fù)雜，可以利用ADO在VC中實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫編程。

2.3.1引入ADO庫

在Visual C++中使用ADO開發(fā)數(shù)據(jù)庫之前，需要引入ADO庫?？梢栽陬^文件中引入ADO庫文件，方法如下：

#import″c:program filescommon filessystemadomsado15.dll″

#include

#include

#include″icrsint.h″

預(yù)處理指令#import使程序在編譯過程中引入ADO動態(tài)庫(msado15.dll)。接下來的兩個“#include”語句引入了頭文件來定義ADO2.0的類和接口標識。最后的“#include”語句引入了ADO2.0數(shù)據(jù)綁定擴展。

2.3.2建立數(shù)據(jù)庫連接

建立數(shù)據(jù)庫的連接需要使用連接對象(Connection Object)。首先定義一個ConnectionPtr類型的指針，代碼如下：

ConnectionPtr m-pConnection;

然后調(diào)用Create Instance方法實例化，代碼如下：

m-pConnection.CreateInstance(uuidof(Connection));

調(diào)用Connection對象的Open方法創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的連接,Open函數(shù)的原型如下：

HRESULT Open(-bstr-t ConStr,-bstr-t UserID,-bstr-t Pwd,Long Opts);

其中，ConStr是一個包含連接信息的字符串，UserID是訪問數(shù)據(jù)庫的用戶名稱，Pwd是訪問數(shù)據(jù)庫的密碼，Opts為可選參數(shù)。如果在連接字符串ConStr中包含了數(shù)據(jù)庫用戶名和密碼，UserID和Pwd值可以為空。

2.3.3創(chuàng)建命令對象和記錄集對象

CommandPtr m-pCommand;

RecordsetPtr m-pRecordset;

m-pCommand.CreateInstance(″ADODB.Command″);

m-pRecordset.CreateInstance(-uuidof(Recordset));

然后將建立的數(shù)據(jù)庫連接賦給m-pCommand，這樣利用m-pCommand就可以對打開的數(shù)據(jù)庫進行SQL操作了：

m-pCommand->ActiveConnection=m-pConnection。

2.3.4將報文數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫

在每類報文譯碼類中定義了一個GenerateInsertSQL函數(shù)，該函數(shù)無參數(shù)，返回此類報文的插入SQL語句，這樣，對于某一類報文，其插入數(shù)據(jù)庫的代碼如下：

//p為指向運行時某種報文的對象的指針

//插入數(shù)據(jù)字符串

CString sql=p->GenerateInsertSQL();m-pCommand->CommandText=sql;

m-pCommand->Execute(&vNULL,&vNULL,adCmdText);

3 數(shù)據(jù)有效性檢驗算法仿真

3.1 數(shù)據(jù)有效性檢驗?zāi)K設(shè)計

3.1.1模塊主要功能

有效性檢驗?zāi)K[4]主要實現(xiàn)以下幾個關(guān)鍵功能：

(1)根據(jù)ID編號或者地址，判斷該飛行數(shù)據(jù)是屬于哪架飛機的。ACTS可以同時實時監(jiān)控10架飛機，每架飛機都有自己的ID號，根據(jù)ID號就可以劃分該數(shù)據(jù)屬于哪架飛機的數(shù)據(jù)；

(2)根據(jù)時間戳判斷飛行數(shù)據(jù)是否延時或丟失。時間戳是判斷數(shù)據(jù)到達時間的重要依據(jù)，有了時間戳才可以準確判斷飛行數(shù)據(jù)是否發(fā)生了延時或者丟失。但前提是只有實現(xiàn)了ACTS各個分系統(tǒng)內(nèi)的時間同步,才可以利用時間戳來獲取這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對這些數(shù)據(jù)進行分析；

(3)根據(jù)各種飛行數(shù)據(jù)的特征以及先前獲得的經(jīng)驗值進行預(yù)估，根據(jù)預(yù)估值判斷數(shù)據(jù)是否正確。對于像一些記錄飛機工作是否正常的數(shù)據(jù)，我們可以直接根據(jù)該類數(shù)據(jù)正常值的范圍就可以判斷數(shù)據(jù)是否正確；而對于像記錄飛機航跡的這些實時變化很大的數(shù)據(jù)，我們就必須在該數(shù)據(jù)到達之前，利用卡爾曼濾波外推算法，估算出該數(shù)據(jù)的預(yù)估值，然后在該數(shù)據(jù)到達時進行比對，從而判斷出該數(shù)據(jù)是否正確；

(4)數(shù)據(jù)發(fā)生延時、丟失或錯誤情況后的處理。飛行數(shù)據(jù)地面預(yù)處理系統(tǒng)要完成工作就是將譯碼后正確、連續(xù)的數(shù)據(jù)送給后續(xù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行結(jié)算、實時顯示等操作。所以如果一旦地面接收到的數(shù)據(jù)發(fā)生上述情況，就必須采取相應(yīng)補償措施進行處理。

3.1.2數(shù)據(jù)有效性檢驗

有效性檢驗?zāi)K處理數(shù)據(jù)的過程如圖2所示。

(1)等待譯碼模塊送來的數(shù)據(jù)；

(2)根據(jù)時間戳判斷數(shù)據(jù)是否延時或丟失。如果該數(shù)據(jù)在有效時間內(nèi)到達，則將該數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)正確性檢驗。如果延時或丟失，就在日志中記錄該事件的發(fā)生，然后用其它輔助設(shè)備的測量值或者預(yù)估值代替該數(shù)據(jù)；

(3)利用正確性檢驗算法進行數(shù)據(jù)的正確性檢驗。如果數(shù)據(jù)正確，則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并進行進一步的實時解算、顯示等處理。如果數(shù)據(jù)不正確，就在日志中記錄該事件的發(fā)生，然后用其它輔助設(shè)備的測量值或者預(yù)估值代替該數(shù)據(jù)，進行后續(xù)處理。

圖2 數(shù)據(jù)有效性檢驗流程圖Fig.2 Data validity inspection flowchart

3.2 數(shù)據(jù)有效性檢驗算法仿真驗證

對數(shù)據(jù)有效性檢驗算法進行驗證的航跡數(shù)據(jù)來源于某型飛機的部分試飛數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括兩部分：

(1)利用本機的機載飛行數(shù)據(jù)記錄器記錄的數(shù)據(jù)，由于不經(jīng)過遠距離無線傳輸，認為是正確數(shù)據(jù)；

(2)在機載飛行數(shù)據(jù)記錄器記錄數(shù)據(jù)的同時，由電臺無線傳輸?shù)降孛嬗涗浧鞯臄?shù)據(jù)，由于實時傳輸過程環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)中包含延時、丟失、錯誤等情況。

利用試飛數(shù)據(jù)來驗證有效性檢驗算法的方法是：選取地面記錄器上的部分出錯的航跡數(shù)據(jù)，然后由數(shù)據(jù)有效性檢驗算法對這段錯誤航跡數(shù)據(jù)進行檢驗和處理，最后將檢驗及處理后的這段航跡數(shù)據(jù)與機載飛行數(shù)據(jù)記錄器上的原始航跡數(shù)據(jù)進行比對。

該組飛行數(shù)據(jù)采樣記錄頻率為1次/秒，這里選取第462～622 s的大氣機高度數(shù)據(jù)進行檢驗。這段時間內(nèi)可能由于傳輸環(huán)境惡劣等原因?qū)е碌?82 s高度值出現(xiàn)明顯偏差，第512 s數(shù)據(jù)發(fā)生延時，第565 s數(shù)據(jù)丟失。結(jié)果如圖3～5所示。

根據(jù)上述驗證結(jié)果看，有效性檢驗算法檢測出了數(shù)據(jù)的錯誤、延時和丟失，并進行相應(yīng)補償處理，得到一組連續(xù)的數(shù)據(jù)。與機載記錄的試飛數(shù)據(jù)進行比較可以看出，該有效性檢驗算法較準確地恢復(fù)了出錯的數(shù)據(jù)，取得了良好效果。

圖3 地面記錄的試飛數(shù)據(jù)：飛機從4.5 km下降至2.1 km，改平后上升至3.9 kmFig.3 Ground recording test-fly data:the airplane descended from 4.5 km to 2.1 km and rose to 3.9 km after being steady

圖4 經(jīng)有效性檢驗算法處理后：飛機從4.5 km下降至2.1 km，改平后上升至3.9 kmFig.4 Data validity inspection algorithm processing:the airplane descended from 4.5 km to 2.1 km and rose to 3.9 km after being steady

圖5 機載記錄的原始試飛數(shù)據(jù)：飛機從4.5 km下降至2.1 km，改平后上升至3.9 kmFig.5 Airborne recording originality test-fly data:the airplane descended from 4.5 km to 2.1 km and rose to 3.9 km after being steady

4 結(jié)束語

本文提出了一種ACTS數(shù)據(jù)有效性檢驗算法，有效地解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤、延時和丟失等問題。該檢驗算法對出錯的數(shù)據(jù)進行了修正，得到準確、連續(xù)、平滑的數(shù)據(jù)，供地面監(jiān)控系統(tǒng)準確地實時監(jiān)控及評估。進一步研究重點是對數(shù)據(jù)有效性檢驗?zāi)K實時性進行分析和驗證。

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