光电经纬仪测量系统网络优化分析

1引言

靶场弹道测试中，一般需组织多台光电经纬仪及其辅助设备构成光电经纬仪测量系统，其主要目的在于:(1)在目前技术手段可测得的距离、方位角、俯仰角、距离和、距离差和方向余弦等6种位里参量中，至少需要已知其中3个独立的参量才能实现目标三维空间定位。光电经纬仪单站定轨采用距离一方位角一俯仰角几何模型.但在单台光电经纬仪无法获得目标斜距的条件下，豁至少组合2台设备以测角交会的方式定轨;(2)光电经纬仪光学视场角有限，在不能直视目标或因遮挡而丢失目标时，需根据外引导信息提供的民标方向，进行随动跟踪。外引导信息源通常是其它光电经纬仪、弹道相机、固定视场高速电视测量仪、引导雷达或GPS测量设备等;(3)鉴于光电经纬仪作用距离和测量可靠性的考虑，通常需由多台组合进行弹道的接力测量和冗余测量。

依据某种规则将光电经纬仪及其辅助设备集成为先进合理的靶场光电测量系统是目前尚未引起足够关注的问题。目前光电测量设备的高度计算机化为集成系统的网络化提供了充分可能。本文从网络应用体系结构的角度出发，分析了现有集成模式的局限性，提出了新的集成规则(模型)及需要研究的若干问题。

2网络化系统体系结构描述

2.1简单互连模式

迄今，国内外靶场仍普遍采用传统的简单互连模式构成光电经纬仪测量系统。简单互连模式通过物理传输介质和串行通信接口将光电经纬仪及其它辅助设备连接在一起，参照国际标准化组织(( ISO)的开放系统互连基本参考模型(open system interconnect referencemodel,OSI/RM)[2]，其基本特征是设备互连只涉及物理层和数据链路层两个最低协议层次，解决物理层和数据链路层的接口标准及信号传输方面的问题，以系统内设备间实时数据通信为主要目的.简单互连模式可满足上述交会定轨、引导、接力测量和冗余测量的基本数据通信需求，但其局限性明显:

(1)在物理层和数据链路层实现的设备互连属于浅层连接。互连系统中没有共享通信媒介的机制或只有低性能机制(如RS485连接)，所有存在信息交换关系的设备间通常均须建立专用的点对点物理连接，因而随试验测试复杂程度的增大系统数传设备规模急剧增大;

(2)简单互连系统缺乏统一的信息互通机制.系统内各设备独立地将物理层和数据链路层交换的信息变换为设备可理解的信息，但通常这两层信息的变换规则不统一，更谈不上在更高层上的统一的信息解释、理解和处理规则。也即，互连系统中不存在统一的信息共享结构和协议体系。这意味着系统中设备即使可以在物理上获得其它设备送达的信息，解释、处理和利用这种信息所付出的代价也是很大的;

(3)简单互连系统缺乏高效的信息协同工作机制，通常根据特定任务流程采取时间驱动、顺序执行的机制。对于复杂的弹道试验测试任务，任务的分布性和并发性特征显著增强，诸多测控事务间的藕合程度显著增加，仅依赖顺序执行的时间驱动机制协同系统工作导致工作效率急剧下降，且协同工作机制本身强烈依赖于特定试验测试任务本身;

(4)在设备浅层互连和缺乏统一信息互通机制的条件下，简单互连系统的功能主要是空中弹道测量功能。但在复杂试验测试中，试验测试进程控制、试验测试信息表达和管理功能必不可少，且与弹道测量功能间存在十分复杂的藕合关系。将这些功能集成在统一系统中有利于确保试验侧试高效有序地进行;

(5)简单互连模式面向特定型号武器的试验测试任务组织测试系统，任务的变更往往意味着侧量系统体系结构，尤其是通信体系结构的重大变更，系统灵活性和通用性低，缺乏对不同任务的普遍适应性。

2. 2网络化系统结构模型

基于上述状况，网络化光电经纬仪侧量系统设计的关键是从网络应用系统体系结构的角度出发对系统进行规划和描述。网络化光电经纬仪测量系统结构研究属于网络应用体系结构研究的范畴。图1是文献[3]提出的一个制导武器弹道综合侧试的系统集成模型。该模型是结构化的分层集成模型，依据与特定弹道试验测试任务的关联程度，将整个弹道综合侧试系统由顶向下抽象描述为6个层次.模型分离试验测试任务的共性需求与特殊濡求，分层封装和复用共性问题解决机制。网络化光电经纬仪测量系统的结构依据该模型进行规划和描述。

模型最低两层是对系统通信结构的规划和描述.包括光电经纬仪、引导设备、指控设备和表达设备相互间的数据通信乃至光电经纬仪自身的捕获电视跟踪侧量系统、高速电视测量系统、红外跟踪侧量系统、激光侧量设备、微波雷达、伺服系统和微机控制与数据处理系统间的数据通信等均应纳人这两层中规划。鉴于目前侧试设备的高度计算机化，模型描述的系统通信结构遵从或参考OSI/ RM，对应于其最低3层，即物理层、数据链路层和网络层。

以OSI/RM为代表的网络通信体系结构反映的主要是网络通信的结构特性，并没有充分反映以计算机为核心的网络化测控系统中各种信息采集、处理、传输和控制的重要特征，更没有反映网络应用系统的结构特征。因此，如果只有图1模型的最低两层仍不足以解决上述简单互连模式下的种种局限。作为一个网络应用系统，光电经纬仪测量系统的体系结构应包括基本的网络通信结构和高级的应用结构，应把OSI/ RM的网络通信结构与系统应用软件及其运行环境结构结合在一起，形成一个统一的计算机网络应用系统的抽象结构模型，以更本质地反映应用系统信息处理的结构特征.图I所示模型的上4层所完成的正是这样的工作。

相对于简单互连模式，在依据制导武器弹道综合测试的系统集成模型所实现的网络化系统中实现了“服务化”，各设备(节点)可享受系统对其应用程序的服务。通过分离数据采集、传输、处理和显示等应用程序运行的诸多环节，对通信、时空基准和可视化等共性问题解决机制进行分层封装和服用，应用程序实际环境的不同具体特性和实现细节及其差异被屏蔽，为应用程序提供了统一、透明的开发和运行支撑环境。以指控中心计算机的弹道交会处理应用程序为例，作为顶层实体，该应用程序不需再关心输人的光电经纬仪角度测量信息和输出的弹道参数信息的传输介质、通信接口、通信协议、数据类型、参数语意以及信息传输的实时性、信息的时间同步和空间坐标统一等繁杂的“额外”事务，而只需专注于交会算法本身。因此，网络化系统是一个结构开放的、可重构的、功能综合的分布式统一测控集成体。

3若干问题

依据上述模型，光电经纬仪测量系统的网络化需完成诸多目前尚未开展或未系统深人地开展的工作。兹罗列若干问题如下:

(1)各层功能集的定义问题:分析整理光电经纬仪弹道测量的各种需求，在现有框架下对模型各层实现的功能集进行进一步的明确定义;

(2)层间接口和协议问题:确定层间接口和各层协议。越下层的接口和协议越应向通用的国际标准或工业标准靠拢;

(3)低层服务的实现问题:主要通过集成手段实现模型低层服务。低层服务尽可能通过集成通用系统而非专用系统实现。符合IEEE 802. 3/802. 11/802. 16标准的有线无线网络设备、Windows 2000/NT操作系统、Windows Sockets接口和线程接口等均可视为具有普适性优点的选择;

(4)中间层服务的实现问题:模型中间层服务主要通过软件研发手段实现，研发中应充分重视软件中间件(middleware)技术[4]这种高效实用的共性凝炼与复用手段，通过中间件解决层间软件模块之间的交互，封装解决系统共性问题的支撑机制，从而屏蔽低层环境的异构性和复杂性;

(5)时间基准服务问题:光电经纬仪侧t系统对系统时间基准，尤其是设备同步的要求很高，一直采用国际标准的IRIG- B格式时间码系统实现。目前广泛应用的网络技术通常都是异步的，即便进行软硬件改造后也难以达到系统要求。在网络化系统中，沿用IRIG- B码是必然的，需要研究解决的问题是在系统的时间基准服务实体中如何合理地利用B码信息，

(6)实时数据传翰服务问题:以简单互连模式构成光电经纬仪测量系统很大程度上是出于数据传输硬实时性的考虑。在网络化系统中，计算机网络硬件层和网络系统服务层采用的通用网络协议和操作系统本身往往只具有软实时性，即数据传输时间存在不确定性。因此，需要在这两层之上进行中间件形态的网络实时通信程序和通信部件的设备驱动程序开发，以确保系统的硬实时性;

(7)任务调度服务问题:光电经纬仪测量系统内的任务调度服务应考虑在消息传递机制中结合IRIG-B码的特标控制码元实现;

(8)顶层应用程序的实现问题:顶层应用程序是整个侧量系统中与弹道试验测试任务关联程度最高的部分，反映了系统交会定轨、跟踪引导、接力测量和冗余测量等核心功能。在网络化系统中，在下层服务的支撑下，核心功能的实现不但变得简单灵活，而且具有突破简单互连模式下技术难点的充分可能性，应用程序的开发应重点关注后者。以实时数据处理为例，光电经纬仪单站和多站捕获电视、侧量电视、红外电视及激光测距仪(微波雷达)多源数据融合应纳人软件实现的计划中;

(9)老设备的网络化改造问题:应在尽可能地将对设备现有技术状态的改变降低到最小程度的前提下，区分设备具体情况在合理的网络化系统结构层次上对光电经纬仪及其辅助设备进行改造，从而将其纳人统一的测控集成体。

4结论

光电经纬仪是20世纪70年代后期发展应用的靶场光电测量设备，经过长期发展，设备自身技术日臻成熟和完善，但依据某种规则将以光电经纬仪为核心的设备集成为先进合理的空中弹道测量系统却是一直未引起足够重视的问题。目前，我国自行研制的光电经纬仪将近20种类型，共计120余台套[l]，并且还在不断地发展。期望本文所提出的网络化技术途径可对合理经济地组织这些设备完成靶场测控任务，进一步提高靶场侧控技术水平产生积极的影响。