潘恒康 孟景濤 劉文魁 王京超 李小龍

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)航天測(cè)控事業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)基于拋物面天線的測(cè)控技術(shù)無(wú)法滿足當(dāng)前多目標(biāo)測(cè)控的需求?；谙嗫仃嚨臏y(cè)控系統(tǒng)，采用陣列天線和數(shù)字多波束形成技術(shù)，可以同時(shí)形成多個(gè)波束，完成對(duì)多個(gè)目標(biāo)的測(cè)控任務(wù)。相比于傳統(tǒng)基于拋物面的測(cè)控系統(tǒng)，相控陣測(cè)控系統(tǒng)的天線陣面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量巨大，對(duì)于各個(gè)陣列設(shè)備的組織管理是測(cè)控系統(tǒng)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列設(shè)備的組織管理功能，以保障測(cè)控任務(wù)的正常執(zhí)行，提出了在相控陣測(cè)控系統(tǒng)中增加一種陣列監(jiān)控軟件。陣列監(jiān)控軟件整體采用構(gòu)件化的軟件架構(gòu)，具備開(kāi)發(fā)便捷、維護(hù)方便、可繼承性高的優(yōu)點(diǎn)。工程實(shí)踐證明，該軟件切實(shí)為相控陣測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)控任務(wù)提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：相控陣；航天測(cè)控；軟件設(shè)計(jì)；陣列監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）21-50-5

0引言

相控陣測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字波束形成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)波束精確指向的功能。相控陣測(cè)控系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)基于拋物面天線的測(cè)控系統(tǒng)，為獲取足夠大的天線增益和作用距離，其信號(hào)通道規(guī)模巨大，直徑數(shù)米的陣列天線通常具有幾萬(wàn)個(gè)陣列設(shè)備[1]。傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)中，對(duì)于天線控制的伺服控制軟件[2]已無(wú)法在相控陣測(cè)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。相控陣測(cè)控系統(tǒng)的天線陣列設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于執(zhí)行測(cè)控任務(wù)影響巨大，因此，對(duì)于陣列設(shè)備的組織管理功能在相控陣測(cè)控系統(tǒng)中愈發(fā)重要。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于陣列設(shè)備的組織管理功能，提出了相控陣測(cè)控系統(tǒng)中陣列監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。陣列監(jiān)控軟件采用基于構(gòu)件化的軟件架構(gòu)，一方面可以降低各個(gè)軟件功能模塊之間的耦合度，減小陣列設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)、設(shè)備類型變化對(duì)軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)的影響，大大提高軟件開(kāi)發(fā)效率；另一方面，軟件程序存在單體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)模塊之間通過(guò)共享內(nèi)存、消息隊(duì)列等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其數(shù)據(jù)傳輸高效，適合于處理相控陣陣列設(shè)備種類多、數(shù)量大的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。

陣列監(jiān)控軟件需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、CAN總線等與多種陣列設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要花費(fèi)大量人力和時(shí)間去進(jìn)行接口與通信的設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試和測(cè)試[4]。為減少接口變動(dòng)以及通信方式對(duì)軟件開(kāi)發(fā)的影響，陣列監(jiān)控軟件采用一種基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（Extensible Markup Language，XML）的接口配置及代碼生成方法。此外，本著統(tǒng)一化的設(shè)計(jì)思想，減少通信方式對(duì)軟件通信構(gòu)件的影響，采用CANet設(shè)備，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送給陣列設(shè)備?；贑ANet的通信管理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量陣列設(shè)備的通信管理功能。

1需求分析

需求分析是要明確軟件產(chǎn)品需要做什么，并對(duì)軟件產(chǎn)品提出完整、準(zhǔn)確、清晰、具體的要求[5]。需求分析主要包括：功能性需求，即提供產(chǎn)品必須執(zhí)行的動(dòng)作；非功能性需求，即軟件產(chǎn)品為滿足用戶業(yè)務(wù)需求而必須具有且除功能需求以外的特性，譬如性能效率、安全性、可靠性、互操作性和健壯性等；設(shè)計(jì)約束，即對(duì)軟件產(chǎn)品的一些約束說(shuō)明。

隨著相控陣測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展，測(cè)控目標(biāo)數(shù)量越來(lái)越多。而陣列設(shè)備的種類、數(shù)量和功能等帶來(lái)的變化都對(duì)當(dāng)前的測(cè)控軟件系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。陣列監(jiān)控軟件的提出，是為了滿足新的發(fā)展需要，因此在軟件設(shè)計(jì)階段，需要充分分析軟件需求，為后續(xù)軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而提高相控陣測(cè)控系統(tǒng)的整體軟件水平。

1.1基本功能需求分析

對(duì)于陣列設(shè)備狀態(tài)的顯示及設(shè)備管理功能是陣列監(jiān)控軟件的主要功能。陣列設(shè)備包括：收組件、收處理模塊、發(fā)組件、發(fā)處理模塊、功放、1PPS、同步串口、數(shù)字電源、功放電源、收波束形成機(jī)箱以及發(fā)波束形成機(jī)箱等，其顯示內(nèi)容包括陣列設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)等；管理功能包括參數(shù)下發(fā)、控制命令和程序燒寫(xiě)等。

針對(duì)測(cè)控業(yè)務(wù)需求，陣列監(jiān)控軟件還需要具備任務(wù)信息處理、測(cè)試信息處理、測(cè)試流程管理、環(huán)路配置及監(jiān)視等功能。

另外，陣列監(jiān)控軟件還需要具備參數(shù)配置、日志記錄、數(shù)據(jù)記錄、軟件運(yùn)行狀態(tài)顯示、雙機(jī)備份和通信處理等通用化的功能。

相控陣測(cè)控系統(tǒng)中，由于陣面形狀，陣列設(shè)備的類型、數(shù)量等都會(huì)根據(jù)不同的需求發(fā)生改變，所以在設(shè)計(jì)陣列監(jiān)控軟件時(shí)，需要將軟件功能模塊大致進(jìn)行劃分，其中不變功能無(wú)需更改，可適應(yīng)各種類型的需求變化，變化功能需根據(jù)不同需求的變化進(jìn)行修改。軟件功能模塊劃分如圖1所示。

1.2性能需求分析

相控陣測(cè)控系統(tǒng)中，陣列設(shè)備數(shù)量龐大，往往具有上萬(wàn)個(gè)不同類型的陣列設(shè)備，陣列監(jiān)控軟件需要在1～2 s實(shí)時(shí)查詢各種類型的全部設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)給出反饋信息。因此，由于數(shù)據(jù)量巨大，軟件內(nèi)部各模塊之間的數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性要求高，軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮模塊之間的通信效率以及軟件與設(shè)備之間的通信效率。

1.3可靠性需求

陣列監(jiān)控軟件作為測(cè)控軟件系統(tǒng)的一部分，通常在測(cè)控系統(tǒng)中，分配一個(gè)操作席位進(jìn)行操作。由于操作席位上的操作人員通常任務(wù)繁重，需要同時(shí)觀察、操作多個(gè)測(cè)控軟件，為了方便操作人員對(duì)陣列監(jiān)控軟件的使用，陣列監(jiān)控軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

①軟件界面上顯示設(shè)備狀態(tài)應(yīng)簡(jiǎn)潔直觀，對(duì)于異常情況提示應(yīng)明顯易懂；

②程序配置簡(jiǎn)單、部署方便，以減輕操作人員的部署工作，降低因程序部署導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)；

③軟件設(shè)計(jì)應(yīng)便于排錯(cuò)、便于恢復(fù)狀態(tài)，如定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，可以快速?gòu)墓收现谢謴?fù)。

2軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)取決于業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)因素、部署環(huán)境、預(yù)算、時(shí)間表、開(kāi)發(fā)人員技能集以及許多其他因素[6]。根據(jù)上述需求分析，陣列監(jiān)控軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)主要從模塊復(fù)用程度、數(shù)據(jù)通信效率以及部署應(yīng)用復(fù)雜程度等方面考慮。目前主要的架構(gòu)模式可選方案包括分層軟件架構(gòu)、構(gòu)件化軟件架構(gòu)和分布式軟件架構(gòu)等。結(jié)合陣列監(jiān)控軟件的應(yīng)用需求背景，針對(duì)不同的軟件架構(gòu)，其各自的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

對(duì)比分層軟件架構(gòu)和構(gòu)件化軟件架構(gòu)，分層軟件架構(gòu)在模塊復(fù)用程度上較低，無(wú)法很好地滿足后續(xù)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷變化的需求。

近些年來(lái)，分布式軟件架構(gòu)在航天測(cè)控軟件上應(yīng)用日益增多[7]，但是在本應(yīng)用場(chǎng)景下，其數(shù)據(jù)通信效率較低、軟件部署較為復(fù)雜，不太適用于當(dāng)前的測(cè)控任務(wù)需求。因此，陣列監(jiān)控軟件基于面向?qū)ο笏枷?，采用?gòu)件化的架構(gòu)模式，開(kāi)發(fā)便捷、模塊復(fù)用性好、數(shù)據(jù)傳輸效率高、部署容易，可以大大增加軟件開(kāi)發(fā)的穩(wěn)定性及高效性。

陣列監(jiān)控軟件架構(gòu)如圖2所示。

陣列監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，分機(jī)處理、人機(jī)交互相關(guān)的內(nèi)容均會(huì)隨實(shí)際陣列設(shè)備情況進(jìn)行修改，而其他軟件功能均具有較強(qiáng)的復(fù)用能力。因此，采用構(gòu)件化的架構(gòu)模式，通過(guò)重用已有的構(gòu)件對(duì)象模型，可以像搭積木一樣快速構(gòu)造應(yīng)用程序，可以有效縮短開(kāi)發(fā)周期，并且可以在重用已有開(kāi)發(fā)成果的基礎(chǔ)上得到高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。

3關(guān)鍵構(gòu)件說(shuō)明

（1）分機(jī)處理構(gòu)件

分機(jī)處理構(gòu)件是一組構(gòu)件的集合，包括收組件構(gòu)件、收處理模塊構(gòu)件、發(fā)組件構(gòu)件、發(fā)處理模塊構(gòu)件、功放構(gòu)件、1PPS構(gòu)件、同步串口構(gòu)件、數(shù)字電源構(gòu)件、功放電源構(gòu)件、收波束形成機(jī)箱構(gòu)件以及發(fā)波束形成機(jī)箱構(gòu)件等，其主要實(shí)現(xiàn)與陣列設(shè)備上各個(gè)分機(jī)的數(shù)據(jù)交互，即發(fā)送狀態(tài)查詢、參數(shù)控制和控制命令等指令，接收各個(gè)分機(jī)上報(bào)的狀態(tài)、響應(yīng)等信息，同時(shí)完成對(duì)參數(shù)的異常判斷，將當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)通過(guò)消息隊(duì)列的形式，傳遞給相關(guān)的用戶界面構(gòu)件。

由于該部分構(gòu)件需要與陣列設(shè)備上各分機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此，在設(shè)計(jì)上需要充分考慮分機(jī)種類變化、分機(jī)接口變化所帶來(lái)的修改、聯(lián)試上的工作量。

（2）通信處理構(gòu)件

通信處理構(gòu)件作為陣列監(jiān)控軟件的基礎(chǔ)功能構(gòu)件，需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)功能，主要完成通信鏈路創(chuàng)建、通信協(xié)議支持、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送和通信異常處理等功能。

通信處理構(gòu)件具有較強(qiáng)的通用性和復(fù)用性，構(gòu)件的開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)當(dāng)實(shí)施更為嚴(yán)格的工程規(guī)范，其構(gòu)件在改動(dòng)上需更加謹(jǐn)慎。

（3）設(shè)備程序燒寫(xiě)構(gòu)件

陣列設(shè)備部署后，在初期調(diào)試階段，不可避免地需要升級(jí)設(shè)備程序，采用人工升級(jí)的方式耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，采用遠(yuǎn)程更新的方式，可以有效地實(shí)現(xiàn)自主升級(jí)，提高聯(lián)試和開(kāi)發(fā)效率[8]。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新，由設(shè)備程序燒寫(xiě)構(gòu)件讀取不同設(shè)備的硬件程序，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給不同的設(shè)備，主要流程如圖3所示。

4軟件關(guān)鍵技術(shù)

4.1基于XML的設(shè)備接口配置及代碼生成

陣列監(jiān)控軟件需要監(jiān)控的陣列設(shè)備具有種類多、數(shù)量大的特點(diǎn)。若采用一般的軟件開(kāi)發(fā)方法，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間去進(jìn)行接口與通信的設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試和測(cè)試，而且接口發(fā)生改變時(shí)，維護(hù)和修改成本耗費(fèi)大量的時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)的通用性，將陣列設(shè)備的接口通信數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化描述，采用XML配置文件的形式，并通過(guò)代碼自動(dòng)生成各陣列設(shè)備的管理類進(jìn)行處理[4]。

XML技術(shù)提供了一種可用于進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言，與其他數(shù)據(jù)交換技術(shù)相比，采用XML作為設(shè)備接口的配置文件主要優(yōu)點(diǎn)為：

①具有良好的格式、較強(qiáng)的可理解性和易用性；

②具有驗(yàn)證機(jī)制，可用來(lái)判斷編譯標(biāo)記是否符合語(yǔ)法；

③選擇性更新，即通過(guò)XML的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，小范圍更新，保證接口的可擴(kuò)展性。

基于XML的設(shè)備接口配置，其通用接口描述如圖4所示。

根據(jù)配置好的XML格式的接口文件，生成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類代碼，生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2基于CANet的設(shè)備管理

CANet是一種完成CAN協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備。陣列監(jiān)控軟件利用CANet，可以實(shí)現(xiàn)軟件架構(gòu)中通信處理模塊的復(fù)用，從而完成對(duì)于不同通信架構(gòu)設(shè)備的管理功能。

由于CANet支持CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換成多種不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（UDP點(diǎn)播、UDP組播和TCP）的方式，陣列監(jiān)控軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于獨(dú)立、部分以及全部陣列設(shè)備的通信功能。陣列設(shè)備通信結(jié)構(gòu)如圖6所示。

對(duì)于設(shè)備的組織管理，可以利用點(diǎn)播或組播的方式，向陣列設(shè)備發(fā)送控制命令和查詢命令。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)陣列監(jiān)控軟件的多站點(diǎn)部署，陣列設(shè)備上報(bào)的響應(yīng)結(jié)果、設(shè)備狀態(tài)等信息均被CANet轉(zhuǎn)為組播的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成上報(bào)。

陣列設(shè)備中，每個(gè)設(shè)備均有一個(gè)ID編號(hào)，用于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)尋址。CAN總線是一種多主控制系統(tǒng)，當(dāng)多個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，依據(jù)報(bào)文ID優(yōu)先級(jí)進(jìn)行仲裁。報(bào)文ID包含目的設(shè)備ID，因此在設(shè)備ID設(shè)計(jì)時(shí)，規(guī)定數(shù)據(jù)下行具有較高的優(yōu)先級(jí)，即下層設(shè)備ID優(yōu)先級(jí)較高，下層各種設(shè)備之間優(yōu)先級(jí)可根據(jù)需求設(shè)置。不同的設(shè)備具有唯一獨(dú)立的ID號(hào)，設(shè)備ID與CAN總線報(bào)文ID關(guān)聯(lián)，是報(bào)文ID的一部分。

對(duì)陣列設(shè)備的管理，其核心是設(shè)備ID的管理工作，陣列監(jiān)控軟件的設(shè)備ID管理類圖如圖7所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文研究并實(shí)現(xiàn)了相控陣測(cè)控系統(tǒng)中的陣列監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。基于構(gòu)件化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有耦合度低、復(fù)用性高的優(yōu)點(diǎn)。單體化的軟件架構(gòu)，數(shù)據(jù)通信效率高，適用于大規(guī)模陣列設(shè)備的通信，并且其部署簡(jiǎn)單，方便用戶操作及異常處理。此外，由于設(shè)備數(shù)量多，基于XML的設(shè)備接口配置及代碼生成技術(shù)和基于CANet的設(shè)備管理技術(shù)大大提高了軟件開(kāi)發(fā)和聯(lián)試的效率。實(shí)踐證明，該軟件的設(shè)計(jì)具有開(kāi)發(fā)效率高、穩(wěn)定性高以及部署便捷等優(yōu)點(diǎn)，滿足相控陣測(cè)控系統(tǒng)的需求。

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